长大坡度隧道掘进机电液推进系统关键技术研究

摘要

全断面隧道掘进机是一种专用于隧道施工的掘进装备，可以实现隧道建设过程的开挖、支护、排渣等自动化作业。目前，针对普通平面隧道施工用的全断面隧道掘进机相关技术已经基本成熟。但是在长大坡度隧道施工中，由于穿越地层深度跨度广，埋深变化大，地质条件更为复杂，对全断面隧道掘进机性能提出了更高要求，普通平面隧道掘进机难以胜任。本文将针对长大坡度隧道施工对全断面隧道掘进机推进系统的特殊需求，通过理论分析、仿真研究和实验研究相结合的方法展开研究，具体内容如下:
　　第一章，介绍了隧道掘进机工作原理及国内外隧道掘进机发展概况，分析了隧道掘进机推进系统电液控制原理、姿态控制算法的研究现状，提出了长大坡度隧道施工对隧道掘进机的特殊需求，指出传统的平面隧道掘进机推进系统在长大坡度隧道施工中存在的问题。在此基础上，对泵控差动液压缸系统的实现原理、变量泵的动态特性及泵控系统闭环控制方法进行了综述，并提出了本文的主要研究内容。
　　第二章，设计了长大坡度隧道掘进机推进系统的电液控制原理，指出变量泵为系统中的关键元件。对斜盘式轴向柱塞变量泵动态特性进行了研究，建立了锥形缸体中柱塞的运动学方程和动力学方程，得到了柱塞腔中的压力动态分布，并分析了斜盘平均负载转矩与斜盘倾角、斜盘倾角角速度，变量泵负载压力、变量泵输入轴转速之间的关系。在此基础上，对变量泵动态特性进行简化，便于控制器设计。
　　第三章，对隧道掘进机推进系统启停过程中的压力匹配控制动态特性进行了分析，指出系统动态模型中存在切换特性、非最小相位特性以及较强的时变干扰，均对控制器设计造成不利影响。针对压力动态中的时变干扰，采用干扰观测器对时变干扰进行估计，将干扰估计值作为前馈以减小系统中的不确定性，并可保证干扰估计误差的有界性。针对压力动态中的非最小相位特性，采用输出重定义方法对原系统进行坐标变换，使得变换后的系统相对重定义输出为最小相位，并设计了重定义输出的参考轨迹，保证了压力瞬态跟踪性能。针对压力动态中的切换特性，采用共同Lyapunov函数法进行反馈控制器的设计，由于被控系统及前馈控制器的切换条件不同，误差动态呈现出四个子系统，采用共同Lyapunov函数法证明了控制器的稳定性。通过仿真分析和实验对比，验证了上述控制算法的性能。
　　第四章，建立隧道掘进机推进系统的压力动态模型，指出系统中存在较强的参数不确定性，此外，系统中还存在较强的饱和非线性现象。为保证系统在饱和输入及参数不确定性下的动态性能及稳定性，在控制器中引入指令滤波反步控制器，将虚拟控制作为二阶滤波器的输入信号，将输出的滤波信号作为实际控制输入，可保证滤波后的控制指令不会超过预设的幅值及速度限制，同时通过特殊构造的控制率，使得闭环系统在执行器饱和时仍可保证系统的稳定性，此外亦可实现对虚拟控制及其导数信号的逼近，避免了对虚拟控制信号的解析求导过程，解决了backstepping方法中因对虚拟控制量求导而导致的“微分爆炸”现象。在此基础上，采用复合自适应方法，同时利用系统中的跟踪误差及预测误差对参数进行估计来达到快速自适应的能力。通过仿真分析和实验对比，验证了上述控制算法的性能。
　　第五章，针对推进系统的速度控制，提出一种级联控制策略，外环为速度控制器，内环为压力控制器，两者之间互相独立，这样在速度控制器设计过程中可以忽略液压缸压力动态，将其当成理想的力产生器。为解决推进系统速度控制中负载力不可测的问题，提出采用干扰力观测器代替力传感器，并将干扰力观测值用于前馈控制，该观测器可保证干扰误差有界。通过仿真分析和实验对比，验证了上述控制算法的性能。
　　第六章，分析了现有推进系统分区方法，以减小管片损伤为目的，建立了推进力均布性能评价指标，提出了基于四分区推进系统的重构方法，并基于此进行推进系统的动态重构。将可重构系统应用于某型隧道掘进机推进系统，分析了其对不同地质条件的适应性，与固定四分区推进系统相比，可重构推进系统可保证在较大阻扭矩下仍可保持较小的偏载。
　　第七章，总结本论文的主要工作，阐述研究结论和创新点，为未来本课题的进一步研究提供了参考思路和方向。

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 概述

1．2 隧道掘进机发展历史及现状

1．2．1 国外发展历史及现状

1．2．2 国内发展历史及现状

1．3 长大坡度隧道掘进机发展概况

1．3．1 长大坡度隧道掘进机技术特点

1．3．2 国外发展概况

1．3．3 国内发展概况

1．4 隧道掘进机推进系统相关技术研究现状

1．4．1 推进系统电液控制原理

1．4．2 推进系统掘进姿态控制研究

1．4．3 现有推进系统研究成果分析

1．5 泵控系统技术

1．5．1 变排量泵控差动缸系统原理及结构

1．5．2 变量泵变量动态特性研究现状

1．5．3 泵控液压缸系统控制策略研究现状

1．5．4 现有泵控系统技术研究成果分析

1．6 主要研究内容

1．7 本章小结

第2章 推进系统设计及关键元件动态特性分析

2．1 引言

2．2 长大坡度隧道掘进机推进系统设计

2．3 斜盘式锥形缸体轴向柱塞变量泵动态特性分析

2．3．1 变量机构动力学分析

2．3．2 斜盘变量负载转矩分析

2．3．3 柱塞腔压力动态特性

2．3．4 斜盘转矩仿真分析

2．3．5 变量泵数学模型简化

2．4 本章小结

第3章 隧道掘进机推进系统平稳启停技术研究

3．1 引言

3．2 泵出口压力动态建模

3．3 压力匹配控制器设计

3．3．1 干扰观测器设计

3．3．2 输出重定义

3．3．3 前馈控制器设计

3．3．4 反馈控制器设计

3．3．5 轨迹跟踪性能分析

3．4 仿真结果及分析

3．4．1 阶跃响应仿真测试

3．4．2 变量泵出口容腔体积变化及油液弹性模量交化的仿真分析

3．4．3 泄漏系数变化的仿真分析

3．5 实验结果及分析

3．5．1 阶跃响应实验

3．5．2 干扰响应实验

3．6 本章小结

第4章 隧道掘进机推进压力控制方法研究

4．1 引言

4．2 推进液压缸压力动态模型

4．3 推进系统压力控制器设计

4．3．1 反步设计第一步

4．3．2 反步设计第二步

4．4 仿真结果及分析

4．4．1 位置依赖性仿真分析

4．4．2 油液弹性模量变化仿真分析

4．4．3 变量泵斜盘倾角饱和仿真分析

4．5 实验结果及分析

4．5．1 光滑阶跃轨迹跟踪

4．5．2 正弦轨迹跟踪

4．5．3 干扰响应分析

4．6 本章小结

第5章 隧道掘进机推进速度控制方法研究

5．1 引言

5．2 负载干扰观测器

5．3 推进速度控制器设计

5．4 仿真结果及分析

5．4．1 阶跃响应仿真分析

5．4．2 泄漏系数变化仿真分析

5．4．3 变化地层仿真分析

5．5 实验结果及分析

5．6 本章小结

第6章 基于推进力均布性能优化的可重构推进系统研究

6．1 引言

6．2 固定四分区推进系统特性分析

6．3 可重构四分区推进系统特性分析

6．3．1 四分区推进系统重构原理

6．3．2 可重构四分区推进系统分析

6．4 可重构四分区推进系统应用研究

6．4．1 固定四分区推进系统性能分析

6．4．2 可重构四分区推进系统性能分析

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