長大坡度隧道掘進機電液推進系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)研究.pdf

1、全斷面隧道掘進機是一種專用于隧道施工的掘進裝備，可以實現(xiàn)隧道建設(shè)過程的開挖、支護、排渣等自動化作業(yè)。目前，針對普通平面隧道施工用的全斷面隧道掘進機相關(guān)技術(shù)已經(jīng)基本成熟。但是在長大坡度隧道施工中，由于穿越地層深度跨度廣，埋深變化大，地質(zhì)條件更為復(fù)雜，對全斷面隧道掘進機性能提出了更高要求，普通平面隧道掘進機難以勝任。本文將針對長大坡度隧道施工對全斷面隧道掘進機推進系統(tǒng)的特殊需求，通過理論分析、仿真研究和實驗研究相結(jié)合的方法展開研究，具體內(nèi)容

2、如下:
　　第一章，介紹了隧道掘進機工作原理及國內(nèi)外隧道掘進機發(fā)展概況，分析了隧道掘進機推進系統(tǒng)電液控制原理、姿態(tài)控制算法的研究現(xiàn)狀，提出了長大坡度隧道施工對隧道掘進機的特殊需求，指出傳統(tǒng)的平面隧道掘進機推進系統(tǒng)在長大坡度隧道施工中存在的問題。在此基礎(chǔ)上，對泵控差動液壓缸系統(tǒng)的實現(xiàn)原理、變量泵的動態(tài)特性及泵控系統(tǒng)閉環(huán)控制方法進行了綜述，并提出了本文的主要研究內(nèi)容。
　　第二章，設(shè)計了長大坡度隧道掘進機推進系統(tǒng)的電液控制原理，

3、指出變量泵為系統(tǒng)中的關(guān)鍵元件。對斜盤式軸向柱塞變量泵動態(tài)特性進行了研究，建立了錐形缸體中柱塞的運動學方程和動力學方程，得到了柱塞腔中的壓力動態(tài)分布，并分析了斜盤平均負載轉(zhuǎn)矩與斜盤傾角、斜盤傾角角速度，變量泵負載壓力、變量泵輸入軸轉(zhuǎn)速之間的關(guān)系。在此基礎(chǔ)上，對變量泵動態(tài)特性進行簡化，便于控制器設(shè)計。
　　第三章，對隧道掘進機推進系統(tǒng)啟停過程中的壓力匹配控制動態(tài)特性進行了分析，指出系統(tǒng)動態(tài)模型中存在切換特性、非最小相位特性以及較強的時

4、變干擾，均對控制器設(shè)計造成不利影響。針對壓力動態(tài)中的時變干擾，采用干擾觀測器對時變干擾進行估計，將干擾估計值作為前饋以減小系統(tǒng)中的不確定性，并可保證干擾估計誤差的有界性。針對壓力動態(tài)中的非最小相位特性，采用輸出重定義方法對原系統(tǒng)進行坐標變換，使得變換后的系統(tǒng)相對重定義輸出為最小相位，并設(shè)計了重定義輸出的參考軌跡，保證了壓力瞬態(tài)跟蹤性能。針對壓力動態(tài)中的切換特性，采用共同Lyapunov函數(shù)法進行反饋控制器的設(shè)計，由于被控系統(tǒng)及前饋控制器

5、的切換條件不同，誤差動態(tài)呈現(xiàn)出四個子系統(tǒng)，采用共同Lyapunov函數(shù)法證明了控制器的穩(wěn)定性。通過仿真分析和實驗對比，驗證了上述控制算法的性能。
　　第四章，建立隧道掘進機推進系統(tǒng)的壓力動態(tài)模型，指出系統(tǒng)中存在較強的參數(shù)不確定性，此外，系統(tǒng)中還存在較強的飽和非線性現(xiàn)象。為保證系統(tǒng)在飽和輸入及參數(shù)不確定性下的動態(tài)性能及穩(wěn)定性，在控制器中引入指令濾波反步控制器，將虛擬控制作為二階濾波器的輸入信號，將輸出的濾波信號作為實際控制輸入，可保

6、證濾波后的控制指令不會超過預(yù)設(shè)的幅值及速度限制，同時通過特殊構(gòu)造的控制率，使得閉環(huán)系統(tǒng)在執(zhí)行器飽和時仍可保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性，此外亦可實現(xiàn)對虛擬控制及其導(dǎo)數(shù)信號的逼近，避免了對虛擬控制信號的解析求導(dǎo)過程，解決了backstepping方法中因?qū)μ摂M控制量求導(dǎo)而導(dǎo)致的“微分爆炸”現(xiàn)象。在此基礎(chǔ)上，采用復(fù)合自適應(yīng)方法，同時利用系統(tǒng)中的跟蹤誤差及預(yù)測誤差對參數(shù)進行估計來達到快速自適應(yīng)的能力。通過仿真分析和實驗對比，驗證了上述控制算法的性能。

7、>　　第五章，針對推進系統(tǒng)的速度控制，提出一種級聯(lián)控制策略，外環(huán)為速度控制器，內(nèi)環(huán)為壓力控制器，兩者之間互相獨立，這樣在速度控制器設(shè)計過程中可以忽略液壓缸壓力動態(tài)，將其當成理想的力產(chǎn)生器。為解決推進系統(tǒng)速度控制中負載力不可測的問題，提出采用干擾力觀測器代替力傳感器，并將干擾力觀測值用于前饋控制，該觀測器可保證干擾誤差有界。通過仿真分析和實驗對比，驗證了上述控制算法的性能。
　　第六章，分析了現(xiàn)有推進系統(tǒng)分區(qū)方法，以減小管片損傷為目