盾構(gòu)推進(jìn)姿態(tài)控制策略研究

任穎瑩， 孫振川， 褚長(zhǎng)海

(盾構(gòu)及掘進(jìn)技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 河南 鄭州 450001)

0 引言

盾構(gòu)施工過(guò)程中，受開(kāi)挖面地質(zhì)情況、盾構(gòu)運(yùn)行工況等不確定因素的影響，盾構(gòu)掘進(jìn)路線(xiàn)經(jīng)常偏離隧道設(shè)計(jì)軸線(xiàn)，嚴(yán)重影響隧道施工質(zhì)量。目前盾構(gòu)推進(jìn)系統(tǒng)的控制仍舊依靠盾構(gòu)司機(jī)的施工經(jīng)驗(yàn)，根據(jù)姿態(tài)導(dǎo)向系統(tǒng)的情況人工調(diào)整推進(jìn)液壓缸推力大小。這種方法受人為因素影響嚴(yán)重，一旦調(diào)整不合理，不僅會(huì)使隧道施工質(zhì)量達(dá)不到要求，還可能會(huì)造成施工事故[1]。

目前，有許多專(zhuān)家學(xué)者對(duì)盾構(gòu)姿態(tài)控制系統(tǒng)進(jìn)行了研究。尹清鋒等[2]以工程實(shí)踐為基礎(chǔ)，從施工的各個(gè)階段管理和技術(shù)方面對(duì)盾構(gòu)姿態(tài)進(jìn)行控制； 朱江濤[3]結(jié)合工程實(shí)例，分析了盾構(gòu)姿態(tài)控制的影響因素； 梁榮柱等[4]針對(duì)軟土地層提出了盾構(gòu)姿態(tài)控制的關(guān)鍵應(yīng)對(duì)措施； 高超[5]研究了盾構(gòu)姿態(tài)的控制要點(diǎn)；王春凱[6]、張愛(ài)軍[7]采用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型分析了關(guān)鍵掘進(jìn)參數(shù)對(duì)盾構(gòu)掘進(jìn)偏移量的影響，得出了推進(jìn)油缸行程與盾構(gòu)姿態(tài)之間的相互關(guān)系，可為施工優(yōu)化提供依據(jù)； 王林濤[8]、周奇才等[9]引進(jìn)模糊控制理論設(shè)計(jì)了一種盾構(gòu)姿態(tài)控制器； Liu等[10]建立了TBM的姿態(tài)動(dòng)力學(xué)數(shù)學(xué)模型，采用模糊PID進(jìn)行速度控制器設(shè)計(jì)； 龔國(guó)芳等[11]基于模糊PID控制策略控制推進(jìn)液壓缸速度，來(lái)進(jìn)行姿態(tài)的調(diào)整； Yue等[12]提出了采用滑模魯棒控制器的盾構(gòu)姿態(tài)軌跡自動(dòng)控制系統(tǒng)，設(shè)計(jì)了基于載荷觀(guān)測(cè)器的盾構(gòu)姿態(tài)動(dòng)態(tài)協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)； 張振等[13]建立了推進(jìn)系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，設(shè)計(jì)了一種自適應(yīng)姿態(tài)控制方法，并進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證。綜上，關(guān)于盾構(gòu)姿態(tài)控制的研究，目前大多是在姿態(tài)偏離到設(shè)計(jì)值才進(jìn)行調(diào)整糾偏，沒(méi)有進(jìn)行明確的最優(yōu)化設(shè)計(jì)，因此不能達(dá)到快速糾偏的目的，研究還不太完善，且以理論研究居多，實(shí)際應(yīng)用較為困難。

推進(jìn)系統(tǒng)姿態(tài)的控制需要協(xié)調(diào)好各個(gè)分區(qū)液壓油缸的推進(jìn)壓力，且盾構(gòu)在施工中周?chē)牡貙油ǔＪ遣粩嘧兓?很難進(jìn)行預(yù)測(cè))，這些因素造成姿態(tài)控制成為施工控制中的難題。本文針對(duì)盾構(gòu)在不同工況下的掘進(jìn)情況，設(shè)計(jì)以跟蹤隧道設(shè)計(jì)軸線(xiàn)為控制目標(biāo)的盾構(gòu)推進(jìn)姿態(tài)控制策略，基于模糊控制來(lái)調(diào)整推進(jìn)速度，使盾構(gòu)作業(yè)能夠準(zhǔn)確沿設(shè)定掘進(jìn)軌跡運(yùn)行，這種方法具有較強(qiáng)的地層自適應(yīng)能力和抗干擾能力，能夠達(dá)到快速糾偏的目的，可為盾構(gòu)推進(jìn)姿態(tài)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制提供技術(shù)支撐。

1 盾構(gòu)掘進(jìn)姿態(tài)分析

推進(jìn)系統(tǒng)作為盾構(gòu)的關(guān)鍵部分，由多個(gè)平行于盾構(gòu)縱軸線(xiàn)的推進(jìn)油缸組成，這些油缸依次布置在圓周上，為整個(gè)盾構(gòu)提供向前的動(dòng)力[14]。推進(jìn)液壓缸實(shí)行分組控制，同組內(nèi)的推進(jìn)液壓缸具有相同的工作壓力。如圖1所示，通常把盾構(gòu)推進(jìn)系統(tǒng)劃分為4個(gè)分區(qū)，即將盾構(gòu)推進(jìn)液壓缸劃分為上、下、左、右4組，每組液壓缸在同一套液壓閥的控制下具有相同的工作壓力[15]。

Z表示推進(jìn)油缸，G表示可以單獨(dú)控制的單元。

圖1推進(jìn)系統(tǒng)液壓缸布置圖

Fig. 1 Layout of cylinders of thrust system

盾構(gòu)掘進(jìn)過(guò)程中，推進(jìn)系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)盾構(gòu)沿隧道設(shè)計(jì)軸線(xiàn)前進(jìn)，通過(guò)協(xié)調(diào)4組液壓缸的輸出力或位移，實(shí)現(xiàn)盾構(gòu)的姿態(tài)調(diào)整，進(jìn)行轉(zhuǎn)彎或直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)。例如，調(diào)整B組、D組左右分區(qū)液壓缸推進(jìn)力的大小，可以對(duì)盾構(gòu)在水平面內(nèi)的姿態(tài)進(jìn)行控制；調(diào)整A組、C組上下分區(qū)液壓缸推進(jìn)力的大小，可以對(duì)盾構(gòu)在豎直面內(nèi)的姿態(tài)進(jìn)行控制。由于豎直方向的姿態(tài)控制與水平方向原理相同，所以本文以水平方向姿態(tài)控制為例進(jìn)行研究。

盾構(gòu)在開(kāi)挖隧道時(shí)，由于受其本身結(jié)構(gòu)特點(diǎn)的影響，轉(zhuǎn)彎區(qū)間實(shí)際開(kāi)挖路徑是由一系列的折線(xiàn)組成的，盾構(gòu)曲線(xiàn)段掘進(jìn)形成的路徑規(guī)劃圖如圖2所示。當(dāng)盾構(gòu)推進(jìn)一環(huán)后，需要依據(jù)盾構(gòu)所在位置和隧道設(shè)計(jì)軸線(xiàn)重新建立新的坐標(biāo)系，如圖3所示。新坐標(biāo)系相對(duì)前一次坐標(biāo)系偏轉(zhuǎn)角度為γ,每次推進(jìn)一環(huán)后都需要重新進(jìn)行新的路徑規(guī)劃。

圖2 某一推進(jìn)行程路徑規(guī)劃圖

圖3 推進(jìn)系統(tǒng)雙缸投影簡(jiǎn)化圖

理想軌跡點(diǎn)bn的坐標(biāo)位移矩陣如式(1)所示。

(1)

實(shí)際軌跡點(diǎn)dn的坐標(biāo)轉(zhuǎn)移矩陣如式(2)所示。其中，α為盾構(gòu)質(zhì)心連線(xiàn)實(shí)際偏轉(zhuǎn)角度。

(2)

理想軌跡點(diǎn)和實(shí)際軌跡點(diǎn)之間的距離差值

Δs=(xbn-xdn)2+(ybn-ydn)2

。

(3)

盾構(gòu)每掘進(jìn)完一個(gè)推進(jìn)行程，理想軌跡點(diǎn)在理想轉(zhuǎn)彎半徑對(duì)應(yīng)圓周上的切線(xiàn)方向與盾構(gòu)質(zhì)心連線(xiàn)之間的角度偏差的正切值

(4)

目標(biāo)函數(shù)為J=φ1|Δs|2+φ2|tanβ|2=φ(α)。其中,目標(biāo)函數(shù)J是α的函數(shù)，φ1代表位置偏差的權(quán)重、φ2代表角度偏差的權(quán)重； 利用Matlab軟件的自帶函數(shù)fminbnd進(jìn)行計(jì)算，能夠獲得J取極小值時(shí)α的最優(yōu)解。

在推進(jìn)系統(tǒng)簡(jiǎn)化模型中，左上部球紋每一環(huán)的移動(dòng)距離

(5)

右上部球紋每一環(huán)的移動(dòng)距離

(6)

式中Dm為左右撐靴球心之間距離。

盾構(gòu)軸線(xiàn)每一環(huán)的偏轉(zhuǎn)角度

(7)

每一個(gè)L0為液壓缸初始長(zhǎng)度。推進(jìn)行程左右液壓缸給定位移信號(hào)值

(8)

每一推進(jìn)行程坐標(biāo)系統(tǒng)的偏轉(zhuǎn)角度

(9)

2 控制策略

盾構(gòu)在掘進(jìn)中，一方面需要控制推進(jìn)系統(tǒng)的壓力來(lái)保證密封艙的壓力，以維持掌子面的穩(wěn)定，避免造成地面沉降、塌陷；另一方面，盾構(gòu)的轉(zhuǎn)彎和直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)需要通過(guò)調(diào)整推進(jìn)系統(tǒng)各個(gè)分區(qū)液壓缸的工作壓力大小來(lái)實(shí)現(xiàn)。因此，本文主要針對(duì)盾構(gòu)在調(diào)壓模式下的推進(jìn)系統(tǒng)姿態(tài)控制進(jìn)行研究。

由前文對(duì)盾構(gòu)掘進(jìn)姿態(tài)的分析可知，盾構(gòu)是通過(guò)控制液壓缸的位移來(lái)控制盾構(gòu)沿著隧道設(shè)計(jì)軸線(xiàn)施工的。但是，施工中地質(zhì)條件復(fù)雜多變、掘進(jìn)載荷不一致、所采集的姿態(tài)數(shù)據(jù)存在一定誤差，這些因素導(dǎo)致計(jì)算出的各個(gè)分區(qū)液壓缸的位移不是特別精確，若按照求解的位移來(lái)掘進(jìn)，不能很好地保證掘進(jìn)姿態(tài)的準(zhǔn)確性。因此，本文在姿態(tài)智能控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，采用多個(gè)閉環(huán)控制系統(tǒng)，系統(tǒng)的外環(huán)通過(guò)將測(cè)量系統(tǒng)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的盾構(gòu)實(shí)際位置數(shù)據(jù)與隧道設(shè)計(jì)軸線(xiàn)進(jìn)行比較后，確定出盾構(gòu)下一步的設(shè)計(jì)掘進(jìn)軌跡，進(jìn)一步確定各分區(qū)液壓缸的軌跡；系統(tǒng)的4個(gè)小內(nèi)環(huán)反饋實(shí)現(xiàn)對(duì)各個(gè)分區(qū)液壓缸推進(jìn)壓力的精確控制，根據(jù)對(duì)各分區(qū)液壓缸的給定軌跡和實(shí)際掘進(jìn)情況的比較，以及壓力信號(hào)的比較，調(diào)整各個(gè)分區(qū)液壓缸的輸入信號(hào)和工作壓力。

本文設(shè)計(jì)的姿態(tài)智能控制系統(tǒng)由外環(huán)的掘進(jìn)軌跡控制器和各個(gè)分區(qū)的液壓缸軌跡偏差反饋控制器、壓力控制器組成，如圖4所示。圖4中，Sd1、Sd2為各分區(qū)液壓缸每一環(huán)的給定軌跡信號(hào)；S1、S2為位移傳感器實(shí)際的輸出信號(hào)；Pd1、Pd2為計(jì)算所得的給定調(diào)整壓力，P1、P2為系統(tǒng)實(shí)際輸出壓力。外環(huán)的反饋回路起偏差矯正作用，內(nèi)部的4個(gè)局部反饋回路實(shí)現(xiàn)前期偏差預(yù)防，從源頭上消除偏差。控制器設(shè)計(jì)的最終目的是通過(guò)控制各分區(qū)液壓缸的掘進(jìn)量，來(lái)實(shí)現(xiàn)盾構(gòu)掘進(jìn)軌跡的精確控制。

盾構(gòu)姿態(tài)智能控制系統(tǒng)的各個(gè)分區(qū)單缸軌跡跟蹤控制方框圖如圖5所示?？刂破?(C1(S))為推進(jìn)壓力控制器，主要用來(lái)對(duì)比例溢流閥死區(qū)的非線(xiàn)性特性進(jìn)行補(bǔ)償；控制器2(C2(S))為位移偏差反饋控制器，主要用來(lái)使推進(jìn)液壓缸準(zhǔn)確跟蹤給定的掘進(jìn)軌跡。整個(gè)系統(tǒng)的頻寬、糾偏精度分別由C1(S)、C2(S)的性能決定。

圖4盾構(gòu)姿態(tài)智能控制整體實(shí)現(xiàn)方框圖

Fig. 4 Intelligent control diagram of shield attitude

圖5 單缸軌跡跟蹤控制方框圖

當(dāng)盾構(gòu)在直線(xiàn)段運(yùn)行時(shí)，各個(gè)分區(qū)液壓缸的跟蹤信號(hào)是相同的，此時(shí)能夠?qū)Χ軜?gòu)的多個(gè)液壓缸進(jìn)行多缸同步控制； 當(dāng)盾構(gòu)在曲線(xiàn)段運(yùn)行或在糾偏狀況下，各個(gè)液壓缸根據(jù)軌跡控制器給出的每一環(huán)的位移跟蹤信號(hào)，對(duì)各分區(qū)的壓力進(jìn)行精準(zhǔn)控制，從而實(shí)現(xiàn)盾構(gòu)的曲線(xiàn)運(yùn)動(dòng)。

各個(gè)分區(qū)液壓缸單缸自動(dòng)軌跡跟蹤控制采用的是前饋加反饋的控制方式，其中軌跡跟蹤控制器C2(S)采用模糊自適應(yīng)PID控制策略，內(nèi)環(huán)的分區(qū)推進(jìn)液壓缸壓力控制器C1(S)采用定值補(bǔ)償控制方式，補(bǔ)償值的大小由計(jì)算出的給定壓力信號(hào)決定。

當(dāng)盾構(gòu)推進(jìn)系統(tǒng)工作狀況發(fā)生變化或遇到不可預(yù)見(jiàn)的干擾因素時(shí)，常規(guī)PID控制在調(diào)節(jié)過(guò)程中的比例、微分、積分系數(shù)保持不變，這種控制策略不能很好地滿(mǎn)足推進(jìn)系統(tǒng)姿態(tài)控制要求。本文的外環(huán)控制將模糊控制與PID控制相結(jié)合，使得PID參數(shù)在控制過(guò)程中根據(jù)輸入信號(hào)的變化情況作出適時(shí)調(diào)整，以達(dá)到對(duì)液壓缸推進(jìn)壓力進(jìn)行精確控制的目的，保證盾構(gòu)更準(zhǔn)確地跟蹤隧道設(shè)計(jì)軸線(xiàn)掘進(jìn)，使推進(jìn)系統(tǒng)能更有效地工作。

3 仿真試驗(yàn)臺(tái)

利用盾構(gòu)及掘進(jìn)技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室電液控制系統(tǒng)綜合試驗(yàn)平臺(tái)中的盾構(gòu)推進(jìn)系統(tǒng)，對(duì)所研究設(shè)計(jì)的姿態(tài)控制方法進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證，模擬試驗(yàn)臺(tái)如圖6所示，推進(jìn)系統(tǒng)主要由盾體、4個(gè)推進(jìn)液壓缸和負(fù)載液壓缸、控制閥組件、液壓站組成。主油路上的齒輪流量計(jì)和壓力傳感器可以測(cè)量系統(tǒng)供油流量及壓力。推進(jìn)液壓缸和負(fù)載液壓缸按照上、下、左、右4個(gè)分區(qū)位置進(jìn)行布置，用來(lái)模擬實(shí)際盾構(gòu)推進(jìn)系統(tǒng)的4個(gè)分區(qū)，每個(gè)分區(qū)的液壓缸由推進(jìn)控制閥塊獨(dú)立控制。

圖6 盾構(gòu)電液推進(jìn)系統(tǒng)試驗(yàn)臺(tái)

在進(jìn)行試驗(yàn)時(shí)，打開(kāi)電腦的labview程序，啟動(dòng)加載、啟動(dòng)電機(jī)，通過(guò)控制4個(gè)分區(qū)液壓泵的壓力對(duì)盾構(gòu)掘進(jìn)姿態(tài)進(jìn)行調(diào)整，用來(lái)模擬盾構(gòu)在實(shí)際施工中掘進(jìn)情況；通過(guò)控制4個(gè)分區(qū)負(fù)載缸的壓力來(lái)模擬軟硬不均地層等各種復(fù)雜地質(zhì)情況。利用安裝在各個(gè)液壓缸活塞桿端部的壓力傳感器能夠?qū)ν七M(jìn)壓力、加載壓力進(jìn)行實(shí)時(shí)測(cè)量，安裝的位移傳感器可對(duì)4個(gè)液壓缸的位移進(jìn)行實(shí)時(shí)測(cè)量。模擬系統(tǒng)前面板界面如圖7所示，能夠?qū)y(cè)量的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)顯示和保存。

4 平臺(tái)試驗(yàn)驗(yàn)證

利用盾構(gòu)電液綜合控制系統(tǒng)中的推進(jìn)系統(tǒng)試驗(yàn)臺(tái)對(duì)所設(shè)計(jì)的姿態(tài)控制方法進(jìn)行模擬試驗(yàn)，利用圖6所示的試驗(yàn)臺(tái)的左右2個(gè)推進(jìn)缸來(lái)模擬盾構(gòu)掘進(jìn)中水平向上姿態(tài)的調(diào)整。

在實(shí)際施工中，盾構(gòu)穿越的地質(zhì)情況復(fù)雜，掘進(jìn)地層的類(lèi)型也在不斷變化，這些變化都會(huì)造成土體負(fù)載變化。另外，刀盤(pán)開(kāi)口率、埋深比的變化，以及施工參數(shù)的變化，從推進(jìn)系統(tǒng)上表現(xiàn)為推進(jìn)壓力和速度的變化。因此，在試驗(yàn)中通過(guò)施加負(fù)載壓力來(lái)模擬實(shí)際工程中盾構(gòu)通過(guò)軟硬不均地層，如圖8所示。

在盾構(gòu)掘進(jìn)過(guò)程中，隧道設(shè)計(jì)軸線(xiàn)有直線(xiàn)段和曲線(xiàn)段。本文主要針對(duì)直線(xiàn)段運(yùn)行和曲線(xiàn)段運(yùn)行2種工況進(jìn)行模擬試驗(yàn)。

圖7試驗(yàn)系統(tǒng)前面板界面

Fig. 7 Front panel interface of test system

圖8 負(fù)載壓力變化曲線(xiàn)

4.1 軟硬不均條件下盾構(gòu)在直線(xiàn)段運(yùn)行(工況1)

直線(xiàn)段是隧道設(shè)計(jì)軸線(xiàn)的重要組成部分，盾構(gòu)在直線(xiàn)段掘進(jìn)時(shí)，各個(gè)分區(qū)液壓缸的行程和速度應(yīng)保持一致。盾構(gòu)在實(shí)際掘進(jìn)中，液壓缸存在一定的回程誤差是一種常見(jiàn)現(xiàn)象，因此在模擬試驗(yàn)中設(shè)定了一個(gè)初始的位移偏差值來(lái)模擬回程誤差，回程誤差設(shè)置為30 mm，表示設(shè)定軌跡值與實(shí)際值之差，偏差為正表示推進(jìn)油缸滯后，為負(fù)表示推進(jìn)油缸超前。位移信號(hào)采樣周期為100 ms，姿態(tài)控制根據(jù)偏差進(jìn)行實(shí)時(shí)控制。系統(tǒng)在糾偏時(shí)，通過(guò)分析盾構(gòu)當(dāng)前位姿信號(hào)，合理調(diào)整各分區(qū)推進(jìn)壓力和推進(jìn)速度，使偏差信號(hào)回到合理范圍內(nèi)，保證盾構(gòu)的直線(xiàn)運(yùn)行。位移和推進(jìn)壓力試驗(yàn)結(jié)果分別如圖9和圖10所示。

因?yàn)樵谕七M(jìn)系統(tǒng)開(kāi)始推進(jìn)時(shí)，設(shè)定了一個(gè)偏移量，1#推進(jìn)缸落后3#推進(jìn)缸位移30 mm，所以初始階段1#推進(jìn)缸的推進(jìn)壓力會(huì)增高來(lái)調(diào)整偏差，調(diào)整完成后因?yàn)?#推進(jìn)缸前面所加負(fù)載壓力低，因此推進(jìn)壓力也隨著降低。圖10中后續(xù)階段一直維持一定的差值，以適應(yīng)軟硬不均地層引起的負(fù)載變化。從圖9 中可以看出，1#、3#推進(jìn)缸的位移能很好地保持一致，可使盾構(gòu)沿著直線(xiàn)運(yùn)行，保證隧道施工質(zhì)量。

圖9 工況1位移變化曲線(xiàn)

圖10 工況1推進(jìn)壓力變化曲線(xiàn)

4.2 軟硬不均條件下盾構(gòu)在曲線(xiàn)段運(yùn)行(工況2)

與直線(xiàn)段施工不同的是，盾構(gòu)沿圓曲線(xiàn)隧道設(shè)計(jì)軸線(xiàn)掘進(jìn)時(shí)，各分區(qū)液壓缸的位移是有一定偏差的，因此不能根據(jù)各個(gè)分區(qū)液壓缸之間的偏差來(lái)對(duì)掘進(jìn)姿態(tài)效果進(jìn)行評(píng)價(jià)，而以實(shí)際位移與設(shè)定位移的偏差來(lái)進(jìn)行衡量。本試驗(yàn)?zāi)M盾構(gòu)向右轉(zhuǎn)彎狀態(tài)下的姿態(tài)調(diào)整，1#推進(jìn)缸為左邊的油缸，3#推進(jìn)缸為右邊的油缸。

在初始狀態(tài)下，為了模擬初始的行程偏差，同樣在模擬試驗(yàn)中設(shè)置1#推進(jìn)缸和3#推進(jìn)缸之間的行程偏差值為15 mm。盾構(gòu)掘進(jìn)軌跡的調(diào)整方式與直線(xiàn)段的方式一樣，當(dāng)盾構(gòu)掘進(jìn)方向偏向1#推進(jìn)缸時(shí)，控制系統(tǒng)降低3#推進(jìn)缸的推進(jìn)壓力或提高1#推進(jìn)缸的推進(jìn)壓力，從而產(chǎn)生使推進(jìn)系統(tǒng)向3#推進(jìn)缸偏轉(zhuǎn)的力矩，使推進(jìn)系統(tǒng)能夠沿著隧道設(shè)計(jì)軸線(xiàn)掘進(jìn)。

盾構(gòu)在掘進(jìn)過(guò)程中由于刀盤(pán)負(fù)載是不斷變化的，加上盾構(gòu)裝備本身的復(fù)雜性，造成掘進(jìn)路線(xiàn)很容易與隧道設(shè)計(jì)軸線(xiàn)產(chǎn)生偏離，實(shí)際盾構(gòu)在偏離軌跡時(shí)或轉(zhuǎn)彎時(shí)主要調(diào)整各個(gè)分區(qū)推進(jìn)液壓缸的壓力大小來(lái)實(shí)現(xiàn)的。如姿態(tài)控制圖4所示，根據(jù)導(dǎo)航測(cè)量結(jié)果得到每個(gè)推進(jìn)行程中各分區(qū)液壓缸位移量，利用各分區(qū)液壓缸控制器，準(zhǔn)確跟蹤給定位移控制信號(hào)，實(shí)現(xiàn)盾構(gòu)在整個(gè)曲線(xiàn)段掘進(jìn)姿態(tài)的自動(dòng)智能控制。

圖11和圖12分別為模擬通過(guò)軟硬不均地層時(shí)推進(jìn)系統(tǒng)運(yùn)行曲線(xiàn)段，通過(guò)姿態(tài)控制方式下的位移偏差變化曲線(xiàn)圖和推進(jìn)壓力變化曲線(xiàn)圖。在掘進(jìn)開(kāi)始，左右分區(qū)液壓缸的給定位移設(shè)置為同一信號(hào)，以模擬在實(shí)際掘進(jìn)中直線(xiàn)段的最后一環(huán)，此時(shí)各分區(qū)液壓缸保持同步運(yùn)動(dòng)。當(dāng)進(jìn)入轉(zhuǎn)彎或糾偏等曲線(xiàn)段運(yùn)行時(shí)，調(diào)整各分區(qū)液壓缸的推進(jìn)液壓使其不再同步，以完成轉(zhuǎn)彎或糾偏的任務(wù)。從圖11可以看出，位移偏差穩(wěn)定在5 mm內(nèi)，可滿(mǎn)足盾構(gòu)掘進(jìn)對(duì)姿態(tài)控制的要求。在圖12 中，由于左邊施加的負(fù)載壓力大，所以1#推進(jìn)缸推進(jìn)壓力也相應(yīng)比3#推進(jìn)缸的大，在進(jìn)入轉(zhuǎn)彎狀態(tài)下，2個(gè)油缸的壓力差進(jìn)一步增大，以實(shí)現(xiàn)向右轉(zhuǎn)彎的需求。

圖11 工況2位移偏差變化曲線(xiàn)

圖12 工況2推進(jìn)壓力變化曲線(xiàn)

從試驗(yàn)結(jié)果看，軌跡調(diào)整過(guò)程中超調(diào)量小，穩(wěn)態(tài)精度高，推進(jìn)速度穩(wěn)定在控制范圍內(nèi)，基本能夠完成實(shí)際軌道轉(zhuǎn)彎或糾偏過(guò)程某一推進(jìn)行程的準(zhǔn)確跟蹤控制。

5 結(jié)論與建議

1)以隧道設(shè)計(jì)軸線(xiàn)為跟蹤目標(biāo)的盾構(gòu)姿態(tài)控制策略，能明顯提高姿態(tài)控制精度，在地層狀況不好存在偏離的情況下仍然能夠調(diào)整姿態(tài)，有效控制掘進(jìn)軌跡；外環(huán)采用模糊自適應(yīng)PID控制方法，能夠在線(xiàn)實(shí)時(shí)修正控制參數(shù)，使控制器很好地適應(yīng)被控對(duì)象的各種變化，具有超調(diào)量小、響應(yīng)快的特點(diǎn)。與目前所研究的盾構(gòu)姿態(tài)控制方法相比，具有適應(yīng)地層負(fù)載變化的能力。通過(guò)試驗(yàn)可證明，盾構(gòu)姿態(tài)控制技術(shù)的應(yīng)用可以避免由于盾構(gòu)司機(jī)經(jīng)驗(yàn)不足等因素導(dǎo)致的掘偏現(xiàn)象，有效保證掘進(jìn)施工安全，提高隧道成型質(zhì)量。

2)本控制策略雖然有自適應(yīng)強(qiáng)、控制效果好的特點(diǎn)，但研究中沒(méi)能在特別復(fù)雜地質(zhì)條件下進(jìn)行驗(yàn)證，因此需要繼續(xù)進(jìn)行試驗(yàn)研究，并在工程中進(jìn)行應(yīng)用驗(yàn)證，以提高不同地質(zhì)條件下的適用性。另外，針對(duì)偏差量大的情況，需要研究更高級(jí)的控制算法，不斷提高控制的精度和效率，保障控制方法的可行性。