土压平衡盾构掘进机的建模与控制

摘要

盾构机在掘进的过程中，地面沉降控制一直以来都是盾构施工的技术重点和难点，而避免地表沉降的最有效方式就是保证开挖面的土压平衡。为了实现土压平衡，需要施工团队准确地控制密闭仓土压，使其与开挖面的前方水土压力相一致，保证开挖面的受力均衡，使得地下水土原本的应力场不致发生太大变化，从而避免地表出现塌陷等施工事故。可以看出，土压平衡（Earth Pressure Balance，简称EPB）作为一种稳定开挖面的技术，是需要自动控制系统的参与才能得以实现的。因此，为了合理且完整地实现盾构机的土压平衡控制，本文主要从建模与控制这两个方面分别进行研究。
　　模型建立部分，主要包括盾构机的土压平衡控制系统建模和EPB系统土壤参数建模这两部分内容。其中前者与控制器的设计结构相关，而后者则与控制的准确实现相关。对于盾构机的土压平衡控制系统模型而言，内部主要由液压传动系统、液压控制元件、液压执行元件等模型所组成，这些环节都包含着很多的非线性特征和不确定性特征，而在之前的研究中，基于机理模型所得的控制律均未考虑过这些特性，故本文为了更为准确地描述实际系统，建立了一个包含系统参数不确定性和多数量未建模不确定性的EPB非线性模型，其中主要考虑了土仓压力动态、螺旋输送机-液压马达动态和液压系统压力动态所组成的模型。对于EPB系统土壤参数模型而言，则主要解决了开挖面前方土压不能准确测定与获知的问题，故本文通过一个机器学习模型，对土壤参数进行特征提取，建立了一个统计回归模型，并且能够进行误差很低的土壤参数回归预测。
　　控制算法部分，主要基于上述两个模型，提出了一种自适应控制算法，能够解决EPB系统中特有的参数不确定性和多数量未建模不确定性问题。其中，一种backstepping自适应控制算法被提出，并实现了较为理想的控制效果。然而，由于该算法的虚拟输入中存在着参数估计值未知以及偏导数不易计算这两个问题，故本文又对这一算法进行了优化，并提出了基于调整函数的鲁棒自适应控制算法和基于虚拟输入滤波的鲁棒自适应控制算法，很好地解决了最初提出的控制算法中存在的缺陷，同时，也在理论上给出了证明，保证被控系统的状态全局一致最终有界，可以实现瞬态性能与稳态跟踪误差的可调，且保证了参数估计值的收敛。

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致谢

摘要

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表格

1 绪论

1．1 研究背景

1．2 课题意义

1．3 课题国内外研究现状

1．3．1 盾构机的发展与研究现状

1．3．2 盾构土压平衡控制的研究现状

1．4 本文研究内容

2 土压平衡盾构机各个结构与工作原理

2．1．1 盾体

2．1．2 刀盘

2．1．3 搅拌子系统

2．1．4 液压推进子系统

2．1．5 螺旋输送机液压子系统

2．2 土压平衡工作原理

2．3 盾构掘进各子系统间的协调控制

3 盾构机土压平衡控制系统建模

3．1 密闭仓土压

3．1．1 参考输入的确定

3．1．2 密闭仓土压的调节机制

3．2 机理模型的搭建

3．2．1 土仓压力动态模型

3．2．2 螺旋输送机—液压马达动态模型

3．2．3 液压系统压力动态模型

3．2．4 土压平衡系统的控制模型

3．2．5 液压推进子系统

4 EPB系统土壤参数建模

4．1 引言

4．1．1 土壤容重统计模型的研究现状

4．1．2 数据集及其来源

4．2 EPB系统土壤参数模型的建立

4．2．1 算法的选择

4．2．2 特征创建

4．2．3 特征变量分析

4．2．4 xgboost预测模型的建立

4．3 结果分析

4．3．1 预测结果分析

4．3．2 模型特征分析

4．4 小结

5 EPB系统的自适应控制

5．1 引言

5．2 EPB系统的backstepping自适应控制

5．2．1 模型重构

5．2．2 基于Lyapunov方法的backstepping自适应控制器设计

5．2．3 EPB系统的仿真及其结果分析

5．3 自适应控制算法的优化

5．3．1 问题分析

5．3．2 基于调整函数的鲁棒自适应控制算法

5．3．3 基于虚拟输入滤波的鲁棒自适应控制算法

5．3．4 优化自适应控制算法的EPB系统仿真

5．4 小结

6 结论与展望

6．1 结论

6．2 展望

参考文献

附录

作者在学期间所取得的科研成果