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盾构机掘进过程中轨迹跟踪控制的研究
| 论文题名： | 盾构机掘进过程中轨迹跟踪控制的研究 |
| 关键词： | 隧道施工;盾构掘进;轨迹跟踪;自动控制 |
| 摘要： | 如今，盾构法已成为隧道施工的主要方法，随着近年来我国基础设施建设的不断发展，盾构掘进机在我国仍有广阔的应用市场。然而，由于中国引入盾构技术较晚，仍有大量的问题亟待研究和解决，尤其是盾构机的自动控制方面。隧道设计轴线（Designed Tunnel Axis，以下简称DTA）是盾构机掘进时的基准轴线，盾构机的实际掘进轴线能否很好的跟踪DTA直接影响盾构法施工的质量。目前盾构机的轨迹跟踪控制仍是采用人工操作的方法，操作人员根据盾构机轴线与DTA的偏差，通过经验进行操作，控制盾构机的掘进姿态，从而实现对DTA的跟踪。基于以上背景，本文对如何实现盾构掘进时轨迹跟踪的自动控制进行了研究，并取得了一定的成果，以期能对盾构机的自动控制的研究有所助益。本文的主要工作如下: 1、盾构机掘进时纠偏轨迹的规划 当盾构机轴线与DTA的偏差较大，超过允许范围，设计纠偏轨迹，并将其作为DTA的一部分，作为盾构机继续往前掘进的基准。根据盾构机实际掘进时沿DTA“蛇形”前进的特点，对盾构机的位姿情况进行了分类，针对具体偏差情况进行了轨迹规划特性的分析;考虑到缓和曲线本身就是DTA的线形组成部分，且缓和曲线的曲率半径均匀变化，以盾构机最小转弯半径为约束，设计了缓和曲线形式的纠偏轨迹;在盾构机掘进安全的约束下，提出了使用最少直线段数拟合缓和曲线的算法以降低盾构机在曲线段施工的复杂度。 2、盾构机掘进时运动学模型的建立 为了定量描述盾构机的运动过程，本文采用基于实测掘进数据的方法，对盾构机的运动学模型进行辨识。首先对实测数据进行统计分析，分析盾构机掘进运动的特点，选取运动学模型的输入输出变量;选取T-S模糊模型作为盾构机运动学模型的形式;采用模糊C均值聚类的算法减少T-S模糊模型子空间的个数;使用最小二乘法对后件结果参数进行辨识。最后对所辨识模型进行了残差分析和稳定性的分析。 3、盾构姿态模糊控制器的设计 当盾构机轴线与DTA的偏差较小，则需要选择合适的纠偏策略以减小偏差。经过深入研究人工控制盾构机姿态的操作策略，基于模糊控制理论，分析了盾构机姿态模糊控制器的工作原理。设计模糊控制器时，除了考虑推进系统的纠偏效果外，首次将铰接系统的作用考虑在内;对模糊控制器的输入输出变量进行了选取;针对盾构机所有可能的偏差情况，根据人工操作经验总结出了49条模糊控制规则;完成了模糊控制器的设计;计算出模糊控制查询表;用实测数据验证了所设计模糊控制器的有效性，并对该模糊控制器在PLC上的实现进行了研究。最后对设计的模糊控制器进行了MATLAB仿真实验。 |
| 作者： | 黄少会 |
| 专业： | 控制工程 |
| 导师： | 马龙华 |
| 授予学位： | 硕士 |
| 授予学位单位： | 浙江大学 |
| 学位年度： | 2018 |
| 正文语种： | 中文 |
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