地下连续墙双轮铣槽机电液控制系统关键技术研究

摘要

地下连续墙技术以其优越的性能成为城市建设开发的一个重要领域，是一种使用价值很高的施工技术。双轮铣槽机是目前针对地下连续墙工法最先进的施工设备，为适应于坚硬地层、在岩石中构筑大深度地下连续墙的需要而开发的一种成槽设备。在地下连续墙施工中，双轮铣槽机穿越地层深度跨度广，铣削深度变化大，地质条件异常复杂，对双轮铣槽机电液控制系统性能提出了高要求。但目前我国双轮铣槽机项目仍处于起步阶段，双轮铣槽机高精度、高响应电液控制系统的研究和开发相对滞后，而国外垄断企业均将双轮铣槽机的研究成果列为重点保密技术。本文针对地下连续墙施工对双轮铣槽机电液控制系统的特殊需求，通过原理设计、理论建模、仿真分析和实验研究相结合的方法展开研究，具体内容如下:
　　第一章，介绍了地下连续墙施工工法的发展概况及双轮铣槽机的工作原理和国内外的发展历史和现状，在阐述了双轮铣槽机进给系统和铣削系统相关技术研究现状的基础上，分析了双轮铣槽机电液控制系统的特殊性，指出了本课题研究的必要性和创新性，对进给液压系统结构原理、进给压力控制策略、铣削系统压力补偿及泵控铣轮调速控制等几方面进行了综述，提出了本课题的主要研究内容。
　　第二章，针对地下连续墙施工对双轮铣槽机进给系统的特殊性能要求和施工动作需要，提出了一种基于伺服比例阀控液压马达的新型进给液压系统方案，建立了该进给系统的简化数学模型，指出由于岩石或土壤复杂的负载特性，进给速度与地质条件、铣削转速等存在耦合关系，且其动态特性复杂，数学模型未知，因此本文将模糊控制引入到多扰动系统中，提出针对双轮铣槽机设备设计的自适应模糊积分滑模(AFISMC)控制算法，结合进给系统的动态数学模型，将其成功应用于进给压力控制系统，在MATLAB/Simulink-AME Sim联合仿真平台上验证了AFISMC控制算法的性能。
　　第三章，对双轮铣槽机进给压力控制系统进行了液压模拟实验研究，由于现场实验需要承担巨大的经济代价和难以估量的技术安全风险，搭建双轮铣槽机液压模拟实验台成为开展双轮铣槽机电液控制技术研究的基础。采用与双轮铣实际进给系统1∶1的比例，可精确复现实际系统，确保相关实验结果可以切实有效的反映实际双轮铣槽机进给系统，在所搭建的实验平台上对AFISMC进给压力控制策略进行实验研究并对实验结果进行量化分析，实验表明AFISMC进给压力控制器具有良好的动态性能，可以有效抑制外部扰动。
　　第四章，设计了大深度泥浆环境下铣轮动力传动系统的压力补偿装置，针对双轮铣槽机铣削系统工作过程中机头振动严重，泥浆压力波动剧烈，且铣轮减速箱封闭容腔内部体积较小的特性，创新性地设计了基于气体阻尼元件的压力补偿器，详细阐述了该压力补偿器的工作原理和具体结构，并建立了其压力传递的静、动态数学模型，采用线性化方法对其动态特性进行深入分析和合理简化，优化压力补偿器结构设计参数，通过仿真对比，验证了气体阻尼元件对压力补偿器在降低脉动、吸收冲击、平滑补偿压力方面的有效性，并分析了主要设计参数对其压力补偿性能的影响。
　　第五章，采用开式变量泵远程控制铣削液压马达调速，针对双轮铣槽机铣削系统调速控制中铣轮受力状态复杂、负载特性未知的特点，针对性的设计了AFISMC控制策略，将自适应控制的参数自整定特性、滑模控制的鲁棒性以及模糊系统不依赖数学模型的特性结合起来。通过自适应模糊系统对被控对象中的未知模型进行有效逼近，为消除自适应模糊系统的逼近误差，采用积分滑模理论通过前馈和反馈机构补偿模糊系统的逼近误差。自适应不仅面向模糊控制器本身，而且面向积分滑模控制器的参数。通过自适应规律，在线实时调整模糊系统输出模糊集合和积分滑模控制的切换增益，采用共同Lyapunov函数法证明整个闭环控制系统，包括自适应模糊推理系统、积分滑模控制器和被控对象的稳定性。通过仿真分析和实验对比，验证了AFISMC算法控制铣削系统调速的性能。
　　第六章，设计了基于泵控变量马达的新型铣削系统液压方案，解决双轮铣槽机铣削系统液压长管道、大控制容腔所造成的液压动力传递响应滞后，影响铣削系统调速动态性能的问题。设计了基于干扰观测器的多输入多输出非线性控制策略，协同控制铣削系统供油压力与铣削转速，利用干扰观测器对系统中存在的未知干扰进行估计，并将干扰观测值用于前馈控制，进一步引入滑模控制项抑制干扰观测误差，提高系统的鲁棒性，采用Lyapunov理论证明了该系统的稳定性。通过仿真分析，验证了该系统的可行性与优越性。
　　第七章，总结了全文的主要研究工作，阐述了研究结论与创新点，并为课题的后续研究提出了建议和展望。

目录

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致谢

摘要

插图清单

附表清单

第1章 绪论

1．1 地下连续墙工艺发展概况

1．1．1 地下连续墙工艺简介

1．1．2 国外发展概况

1．1．3 国内发展概况

1．2 双轮铣槽机发展历史及现状

1．2．1 双轮铣槽机简介

1．2．2 国外发展历史及现状

1．2．3 国内发展历史及现状

1．3 双轮铣槽机迸给系统相关技术研究现状

1．3．1 双轮铣槽机进给系统结构原理

1．3．2 电液伺服系统压力控制研究

1．3．3 双轮铣槽机进给系统相关技术研究成果分析

1．4 双轮铣槽机铣削系统相关技术研究现状

1．4．1 铣削系统结构原理

1．4．2 铣轮压力补偿技术

1．4．3 铣轮转速控制系统研究

1．4．4 双轮铣槽机铣削系统相关技术研究成果分析

1．5 主要研究内容

1．6 本章小结

第2章 双轮铣槽机进给系统研究

2．1 引言

2．2 双轮铣槽机进给系统设计

2．3 双轮铣槽机进给系统数学模型

2．4 进给系统压力控制器设计

2．4．1 模糊系统

2．4．2 非线性进给压力控制器设计

2．5 双轮铣槽机进给压力控制仿真分析

2．5．1 跟踪性能仿真分析

2．5．2 干扰响应仿真分析

2．6 本章小结

第3章 进给压力控制系统实验研究

3．1 引言

3．2 进给系统模拟实验台设计

3．3 实验结果及分析

3．3．1 压力跟踪实验

3．3．2 干扰响应实验

3．4 本章小结

第4章 铣轮动力传动系统压力补偿

4．1 引言

4．2 压力补偿器工作原理及结构

4．3 压力补偿器数学模型

4．3．1 压力补偿器静态模型

4．3．2 压力补偿器动态模型

4．3．3 压力补偿器动态特性分析

4．4 压力补偿器仿真研究

4．4．1 仿真建模

4．4．2 仿真参数

4．4．3 仿真结果分析

4．5 本章小结

第5章 双轮铣槽机铣削系统研究

5．1 引言

5．2 双轮铣槽机铣轮驱动液压系统设计

5．3 铣削系统数学模型

5．4 铣削系统转速控制器设计

5．4．1 反步设计第一步

5．4．2 反步设计第二步

5．5 铣削系统转速控制仿真分析

5．5．1 转速跟踪仿真分析

5．5．2 转速干扰仿真分析

5．6 实验结果及分析

5．6．1 转速跟踪实验

5．6．2 转速干扰响应实验

5．7 本章小结

第6章 基于泵控变量马达的铣轮调速系统研究

6．1 引言

6．2 系统原理及数学建模

6．3 多输入-多输出控制器设计

6．3．1 干扰观测器

6．3．2 非线性跟踪控制器设计

6．4 仿真结果及分析

6．4．1 转速正弦响应仿真分析

6．4．2 正弦干扰响应仿真分析

6．5 本章小结

第7章 总结与展望

7．1 全文总结

7．2 论文创新点

7．3 工作展望

参考文献

作者简介及攻读博士学位期间的主要科研成果