CN103615256A - 一种微型盾构机土压平衡控制系统及控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种微型盾构机土压平衡控制系统及控制方法，土压平衡控制系统，包括安装在微型盾构机密封舱内的用于实时监测所述密封舱内土压力的土压传感器；所述土压传感器通过AD转换电路与用于比较微型盾构机预设土压力及实时土压力数据并发出调节控制信号的控制器电连接；所述控制器与用于调节微型盾构机土压平衡的马达电连接；所述控制器与开关电源电连接。本发明能够迅速、稳定地调节盾构密封舱内的压力；在不同的土壤环境、微型盾构机工作状态等外界参数扰动的情况下，能快速找到马达的最佳工作点，从而保持开挖面稳定，防止开挖面坍塌，有效控制开挖面的变形。

Description

一种微型盾构机土压平衡控制系统及控制方法

技术领域

本发明涉及微型盾构机,特别是一种微型盾构机土压平衡控制系统及控制方法。

背景技术

在地下隧道施工工程建设领域，目前普遍采用的隧道掘进设备是盾构掘进机，简称盾构机，是一种在软弱地质中开挖地下隧道的专用机械。微型盾构机在地下按照规划路线安全向前掘进、排渣的同时，要求围岩基础稳定，并且在盾壳内保持开挖面稳定。密封舱内的土压力小于开挖面的土压力时，会出现地基沉降；反之，当密封舱内的土压力大于开挖面的土压力时，就会导致地表隆起，严重时将会造成隧道掩埋、房屋倒塌、人员伤亡等重大事故发生，这就需要对微型盾构机盾构过程中土压平衡进行控制。

目前，微型盾构机土压平衡控制方法是根据地质条件预设的密封舱内土压力的目标值，在掘进过程中实时监测密封舱内的土压力变化，与设定值进行比较，然后根据其变化情况调整推进速度或者螺旋机转速。在此过程中，各个系统都是独立工作进行土压平衡控制的，并且通常是根据经验人工调节。但微型盾构机密封舱压力是由刀盘系统、推进系统以及排渣系统等相互耦合作用所决定的，因此，仅凭操作者的直觉和经验控制各子系统的控制方式很容易导致蛇形路线、机器故障、地表塌陷等问题，严重影响了控制效率和精度，甚至引发安全问题。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，针对现有技术不足，提供一种微型盾构机土压平衡控制系统及控制方法，自动稳定地调节微型盾构机盾构过程中密封舱内的土压力，提高施工的安全性。

为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：一种微型盾构机土压平衡控制系统，包括安装在微型盾构机密封舱内的用于实时监测所述密封舱内土体压力的土压传感器；所述土压传感器通过AD转换电路与用于比较微型盾构机预设土压力及实时土压力数据并发出调节控制信号的控制器电连接；所述控制器与用于调节微型盾构机土压平衡的马达电连接；所述控制器、AD转换电路均与开关电源电连接。

所述控制器还连接有用于显示微型盾构机实时监控数据的液晶显示器。

本发明还提供了一种利用上述控制系统控制微型盾构机土压平衡的方法，该方法为：

1）构建下列模糊控制规则表：

其中，PB、PM、PS、ZO、NS、NM、NB分别表示正大、正中、正小、零、负小、负中、负大；Δkp、Δki、Δkd分别为PID控制器比例系数增益、积分系数增益、微分系数增益；

2）初始化PID控制器的比例系数kp、积分系数ki和微分系数kd，得到初始化后的比例系数kp₀、积分系数ki₀和微分系数kd₀；

3）采集土压传感器检测到的压力值，采用有限元模型或者颗粒模型，对所述压力值进行数值模拟，得到期望的土壤压力值，将期望的土壤压力值和设定的土壤压力值进行比较，得到土壤压力值的偏差e，利用偏差e计算偏差变化率ec；ec通过偏差e的对时间的微分得到；

4）设定e、ec的模糊子集论域为e［－5，5］，ec［－5，5］，根据e、ec的值，通过最大隶属度法判断e、ec所属的模糊子集；

5）根据e、ec的模糊子集，从所述模糊控制规则表中选取一条推理规则；

6）通过mamdani推理方法得到PID控制器的比例系数增益、积分系数增益、微分系数增益，并将比例系数增益、积分系数增益、微分系数增益与初始化后的比例系数kp₀、积分系数ki₀和微分系数kd₀相加，得到推理后的PID控制器参数；

7）采用最大隶属度法逆模糊化推理后的PID控制器参数，得到当前迭代的PID控制器的比例系数kp、积分系数ki和微分系数kd；

8）将当前迭代的PID控制器的比例系数kp、积分系数ki和微分系数kd代入PID控制器；

9）将PID控制器的输出输入正弦脉宽调制器中进行调制，生成马达的转速信号，控制马达的转速；

10）用当前迭代的PID控制器的比例系数kp、积分系数ki和微分系数kd替代初始化后的比例系数kp₀、积分系数ki₀和微分系数kd₀，重复步骤3）～9），直到偏差e小于阈值，所述阈值为0.001-0.01。

所述步骤4）和步骤7）中，最大隶属度法的隶属度函数为三角形隶属度函数，三角形隶属度函数数学表达和运算简便，占有内存空间小，可达到控制要求。

与现有技术相比，本发明所具有的有益效果为：本发明能够迅速、稳定地调节盾构密封舱内的压力；在不同的土壤环境、微型盾构机工作状态等外界参数扰动的情况下，能快速找到马达的最佳工作点，从而保持开挖面稳定，防止开挖面坍塌，有效控制开挖面的变形，防止地基被扰动，提高了施工的安全性，同时节约了人力资源。

附图说明

图1为本发明一实施例控制系统结构框图；

图2为本发明一实施例控制方法流程图；

图3为本发明一实施例AD转换电路原理图。

具体实施方式

如图1所示，本发明一实施例包括安装在微型盾构机密封舱内的用于实时监测所述密封舱内土体压力的土压传感器；所述土压传感器通过AD转换电路与用于比较微型盾构机预设土压力及实时土压力数据并发出调节控制信号的控制器电连接；所述控制器与用于调节微型盾构机土压平衡的马达电连接；所述控制器、AD转换电路均与开关电源电连接。

马达的一根输出管道伸入深入盾构机的密封舱内，可以抽出密封舱内的土，因此调节马达的转速，就可以调节管道抽土，改变密封舱内的压力。

所述控制器还连接有用于显示微型盾构机实时监控数据的液晶显示器。

如图2所示，利用上述控制系统控制微型盾构机土压平衡的方法，该方法为：

1）构建下列模糊控制规则表：

其中，PB、PM、PS、ZO、NS、NM、NB分别表示正大、正中、正小、零、负小、负中、负大；Δkp、Δki、Δkd分别为PID控制器比例系数增益、积分系数增益、微分系数增益；

2）初始化PID控制器的比例系数kp、积分系数ki和微分系数kd，得到初始化后的比例系数kp₀、积分系数ki₀和微分系数kd₀；针对本模型实验取值初始的PID参数为kp=2.5，ki=0.1，kd=0.02；

3）采集土压传感器检测到的压力值，采用有限元模型或者颗粒模型，对所述压力值进行数值模拟，得到期望的土壤压力值，将期望的土壤压力值和设定的土壤压力值进行比较，得到土壤压力值的偏差e，利用偏差e计算偏差变化率ec；通过偏差e的对时间的微分得到，本模型中取设定的土舱压力值为20kpa；

4）设定e、ec的模糊子集论域为e［－5，5］，ec［－5，5］，根据e、ec的值，通过最大隶属度法判断e、ec所属的模糊子集；

NB[-5,-3]；NM[-4,-2]；NS[-3,-1]；Z0[-1,1]；

PB[5,3]；PM[4,2]；PS[3,1]；

5）根据e、ec的模糊子集，从所述模糊控制规则表中选取一条推理规则（例如if e is NB AND ec is NB thenΔkp is PBΔki is ZOΔkd is PS）；

6）通过mamdani推理方法得到PID控制器的比例系数增益、积分系数增益、微分系数增益，并将比例系数增益、积分系数增益、微分系数增益与初始化后的比例系数kp₀、积分系数ki₀和微分系数kd₀相加，得到推理后的PID控制器参数；

7）采用最大隶属度法逆模糊化推理后的PID控制器参数，得到当前迭代的PID控制器的比例系数kp、积分系数ki和微分系数kd；

8）将当前迭代的PID控制器的比例系数kp、积分系数ki和微分系数kd代入PID控制器；

9）将PID控制器的输出输入正弦脉宽调制器中进行调制，生成马达的转速信号，控制马达的转速；

10）用当前迭代的PID控制器的比例系数kp、积分系数ki和微分系数kd替代初始化后的比例系数kp₀、积分系数ki₀和微分系数kd₀，重复步骤3）～9），直到偏差e＜0.01。

所述步骤4）和步骤7）中，最大隶属度法的隶属度函数为三角形隶属度函数，三角形隶属度函数数学表达和运算简便，占有内存空间小，可达到控制要求。

本发明中，Δkp的模糊论域为［－10，10］，Δki的模糊论域为［－0.06，0.06］，Δkd的模糊论域为［－0.03，0.03］。

本发明的控制器选择MC9S12XS系列单片机，MC9S12XS128是飞思卡尔公司推出的16位单片机，由16位中央处理单元（CPU12X）、128KB程序Flash(P-lash)、8KB RAM、8KB数据Flash(D-lash)组成片内存储器。主要功能包括：内部PLL锁相环模块，2个异步串口通讯SCI，1个串行外设接口SPI，MSCAN模块，1个8通道输入/输出比较定时器模块TIM，周期中断定时器模块PIT，16通道A/D转换模块ADC，1个8通道脉冲宽度调制模块PWM，输入/输出数字I/O口。外部晶振选择16MHZ。该单片机通过AD转换电路采集土压传感器检测的压力值。

单片机只能处理数字信号，而实际系统的电压信号是模拟信量，因此必须进行AD转换。选用TI公司的TLC3543来实现AD转换，这位是一款12位串行，11通道，高速AD转换芯片。在具体电路连接时，选用通道0作为电压信号的输入，通道1作为电流信号的输入。TLC3543芯片的串行接口线主要有四条，具体接法是时钟信号CLOCK接单片机XTAL和EXTAL,串行数据输入端DIN接单片机PP0,TLC3543与单片机之间只有四根线连接，基准电压选择的是单片机系统电源+5V。具体电路如图3所示。

Claims (4)

1.一种微型盾构机土压平衡控制系统，其特征在于，包括安装在微型盾构机密封舱内的用于实时监测所述密封舱内土压力的土压传感器；所述土压传感器通过AD转换电路与用于比较微型盾构机预设土压力及实时土压力数据并发出调节控制信号的控制器电连接；所述控制器与用于调节微型盾构机土压平衡的马达电连接；所述控制器、AD转换电路均与开关电源电连接。

2.根据权利要求1所述的微型盾构机土压平衡控制系统，其特征在于，所述控制器还连接有用于显示微型盾构机实时监控数据的液晶显示器。

3.一种利用权利要求1或2所述的控制系统控制微型盾构机土压平衡的方法，其特征在于，该方法为：

1）构建下列模糊控制规则表：

其中，PB、PM、PS、ZO、NS、NM、NB分别表示正大、正中、正小、零、负小、负中、负大；Δkp、Δki、Δkd分别为PID控制器比例系数增益、积分系数增益、微分系数增益；

2）初始化PID控制器的比例系数kp、积分系数ki和微分系数kd，得到初始化后的比例系数kp₀、积分系数ki₀和微分系数kd₀；

3）采集土压传感器检测到的压力值，采用有限元模型或者颗粒模型，对所述压力值进行数值模拟，得到期望的土壤压力值，将期望的土壤压力值和设定的土壤压力值进行比较，得到土壤压力值的偏差e，利用偏差e计算偏差变化率ec；

4）设定e、ec的模糊子集论域为e［－5，5］，ec［－5，5］，根据e、ec的值，通过最大隶属度法判断e、ec所属的模糊子集；

5）根据e、ec的模糊子集，从所述模糊控制规则表中选取一条推理规则；

6）通过mamdani推理方法得到PID控制器的比例系数增益、积分系数增益、微分系数增益，并将比例系数增益、积分系数增益、微分系数增益与初始化后的比例系数kp₀、积分系数ki₀和微分系数kd₀相加，得到推理后的PID控制器参数；

7）采用最大隶属度法逆模糊化推理后的PID控制器参数，得到当前迭代的PID控制器的比例系数kp、积分系数ki和微分系数kd；

8）将当前迭代的PID控制器的比例系数kp、积分系数ki和微分系数kd代入PID控制器；

9）将PID控制器的输出输入正弦脉宽调制器中进行调制，生成马达的转速信号，控制马达的转速；

10）用当前迭代的PID控制器的比例系数kp、积分系数ki和微分系数kd替代初始化后的比例系数kp₀、积分系数ki₀和微分系数kd₀，重复步骤3）～9），直到偏差e小于阈值，所述阈值为0.001-0.01。

4.根据权利要求3所述的控制系统控制微型盾构机用土压平衡的方法，其特征在于，所述步骤4）和步骤7）中，最大隶属度法的隶属度函数为三角形隶属度函数。

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