[发明专利]一种基于驱动轴扭矩估计的盾构机刀盘驱动系统的控制方法

权利要求书

1.一种基于驱动轴扭矩估计的盾构机刀盘驱动系统的控制方法，其特征在于，所述的刀盘驱动系统包括驱动电机、减速器、小齿轮、大齿圈，所述的控制方法包括以下步骤：

步骤一、建立包含齿隙的非线性的刀盘驱动系统数学模型；

步骤二、因刀盘驱动系统正常工况下需要保持刀盘的转动方向一致，因此将步骤一的非线性模型转化为线性化的模型，并对其进行简化，得到刀盘驱动系统的状态空间模型；

步骤三、把转动角加速度引入到状态变量中，建立刀盘驱动系统的增广模型；

步骤四、根据刀盘驱动系统的动力学方程，设计驱动轴扭矩的估计算法；

步骤五、以刀盘转速跟踪误差和驱动轴扭矩分配不均匀程度为性能指标，设计模型预测控制器，实现刀盘驱动系统的控制。

2.根据权利要求1所述的基于驱动轴扭矩估计的盾构机刀盘驱动系统的控制方法，其特征在于，步骤一中所述的包含齿隙非线性的刀盘驱动系统数学模型如下；

(1)驱动电机的电磁力矩与输出力矩关系为：

式中，T_ei为第i号驱动电机的电磁力矩，J_mi为第i号驱动电机转动惯量，b_mi为第i号驱动电机转动阻尼系数，M_pmi为第i号驱动电机受到减速器的负载力矩，θ_mi为第i号驱动电机的转动角度；

减速器的减速和力矩放大作用表示为：

θ_mi＝i_mpθ_pi (2)

i_mpM_pmi＝M_mpi (3)

式中，i_mp为减速器的传动比，θ_pi为经第i号减速器减速后的转动角度，也是对应小齿轮的转动角度，M_mpi为第i号减速器的输出力矩，也是对应的小齿轮的输入力矩；

(2)小齿轮的转动平衡方程为：

式中，J_pi为第i号小齿轮的转动惯量，b_pi为第i号小齿轮的转动阻尼系数，M_cpi为第i号小齿轮受到大齿圈的阻力矩；

(3)刀盘的转动平衡方程为：

式中，J_c为刀盘以及大齿圈的转动惯量，b_c为刀盘以及大齿圈的转动阻尼系数，T_L为盾构掘进中刀盘旋转所受到的阻力矩，M_pci为大齿圈受到第i号小齿轮的啮合力矩,θ_c为刀盘的转动角度，n为刀盘驱动系统的驱动电机个数；

根据齿轮传动的性质有：

i_pcM_cpi＝M_pci (6)

式中，i_pc为小齿轮到大齿圈的传动比；

(4)小齿轮与大齿圈间的啮合过程可描述为：

x_cpi＝r_bpθ_pi-r_bcθ_c--e_cpi(t) (7)

式中，x_cpi为第i个齿轮副沿着啮合线上动态相对位移，r_bp为小齿轮的基圆半径，r_bc为大齿圈的基圆半径，e_cpi(t)为第i号小齿轮与大齿圈啮合时的当量累计啮合误差，k_cpi为第i号小齿轮与大齿圈之间的啮合刚度，C_cpi为第i号小齿轮与大齿圈之间的啮合阻尼，b_cpi为第i号小齿轮与大齿圈啮合时存在的齿隙。