超大直径15米泥水平衡盾构主要机构的控制系统研究

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1、摘要目前，对于大型泥水平衡盾构的自动控制与数字化统一管理是全球盾构界共同关注并急待解决的诸多问题之一，基于此，本文围绕建立大型泥水平衡盾构的自动泥水气压平衡控制系统和自动姿态调节系统两大主题展开了深入系统的研究。本论文主要的研究工作和成果如下：1．建立了考虑地基应力和孔隙水压力的泥水平衡盾构开挖面泥水支护压力的计算模型，并根据泥水平衡盾构在不同工况时开挖面前方土体的受力情况，得出了不同工况时盾构理论泥水支护压力的确定方法。2．根据泥水平衡盾构不同于其它类型盾构的特殊的开挖面支护型态，分析了泥水平衡盾构在掘进时所需克服的各种阻力，建立了泥水平衡盾构总推力的精确

2、计算方法。3．通过深入分析，确定了泥水平衡系统中泥水回路和气压回路主要参数的取值原则，其中详细地分析了对盾构开挖面平衡控制起关键作用的气泡舱的初始体积、初始压力、泥水的初始液位等参数的确定方法，分别从气泡舱中压力气体吸收压力冲击、吸收压力脉动以及气泡舱压缩空气调节回路的动态特性出发，得出了气泡舱初始参数的确定原则与计算公式，并讨论了其最佳取值范围，为泥水气压平衡控制系统设计提供了理论依据。4．深入分析了盾构泥水气压平衡控制系统所包含的两个控制回路——泥水控制回路和气压控制回路之间的相互作用关系，提出了根据气泡舱中泥水液位的不同，分别选择气泡舱单回路控制方式和

3、泥水气舱双回路综合控制方式的控制方法，并且根据泥水控制回路和气压控制回路间的相互作用关系首次提出了双回路同时调节的广义比例控制方法。5．在对盾构泥水平衡系统的各个环节进行了具体、深入的分析后，推导出了各环节的传递函数，建立了该系统的数学模型，在此数学模型的基础上并结合现行盾构泥水平衡控制中存在的不足，提出了泥水平衡计算机数字统一控制系统的设计理念，其中详细设计了应用于气泡舱压缩空气压力控制的模糊自适应增量式数字PID控制器和应用于泥水液位调节系统的数字PID+前馈控制器，并开发了该计算机控制系统的调试软件。摘要6．分别对所设计的控制器在单独应用和合并综合使用

4、时进行了计算机仿真，就不同的控制方法进行了仿真对比，得出了不同干扰对系统的影响情况，针对影响较大的干扰，提出了相应的控制对策，给出了根据不同的实际应用要求和场合所应选择的最佳控制方式和自动切换方法。7．首次建立了采用并联机构运动学逆解的原理对盾构姿态进行自动控制的数学模型，并以此为基础确定了盾构目标调整位姿的设定方法、推进液压缸的编组方法、位置与姿态调整时的运动约束问题，并建立了具体的控制流程，为盾构姿态自动控制系统的实现打下了基础。关键词：泥水平衡盾构，开挖面支护压力，盾构推力，泥水气压平衡控制，初始工作参数，广义比例控制，计算机数字统一控制，盾构姿态的并

5、联机构运动学逆解控制IIAbstrctABSTRACTAtpresent，automaticcontrolandnumericalunifiedmanagementofthelargediameterslurryshieldiSontiptoeforoureffectiveresolvesandsettlement．Sosystemicandin．depthresearchabouttheautomaticcontrolsystemoftheslurryshield’Sexcavatingface—pressure-balancedunitandtheges

6、tureadjustmentmechanismiscarriedoutinthispaper．Themainresearchcontentandachievementsinthispaperareasfollows：1．Modeltocaculatethesupportingpressureofslurryshield’Sexcavatingfacewhichtakesintoaccountthegroundfoundationstressandtheporewaterpressureisfoundedtoprovidetheorybasisofestabl

7、ishingthemethodtosetthesupportingpressureofslurryshield’Sexcavatingfaceindifferentworkingconditions．2．PreciseformulatocaculatethethrustforceoftheslurryshieldwhichiSbacedondifferentkindsofresistancesinshield’Sadvancingprocessandthespecialpatternoftheslurryshield’Ssupportingfaceisest

8、ablishedinthispaper．3．With