[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

说明书

本发明公开了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，首先建立包含齿隙非线性的刀盘驱动系统数学模型；接着对刀盘驱动系统数学模型进行线性化和简化获得状态空间模型；然后通过把转动角加速度引入到状态变量中，建立刀盘驱动系统增广模型；并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；最后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；并设计了状态观测器以实现对转动角加速度的估计。本发明通过对驱动轴扭矩的估计，并结合模型预测控制器，同时实现了刀盘转速控制与驱动轴扭矩均衡控制，并使系统具有更好的抗干扰能力和鲁棒性。

技术领域

本发明盾构机刀盘驱动系统的控制领域，具体涉及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。

背景技术

盾构隧道掘进机是一种专门用于开挖地下隧道工程的掘进装备，盾构隧道掘进机技术集成了计算机、新材料、自动化、信息化、系统科学、管理科学等多学科技术，具有掘进速度快、施工周期短、安全可靠性高、生态环境影响小等优点。盾构隧道掘进机刀盘驱动系统包括刀盘、齿轮传动系统、驱动电机及控制系统，通常整个刀盘驱动系统需要多台电机同时驱动刀盘旋转。

盾构掘进机的掘进过程中，为了保证施工的安全高效进行，需要控制刀盘转速稳定。但是盾构掘进机施工的地质条件具有很强的随机性，刀盘驱动系统面临大范围的突变载荷，因此刀盘驱动系统的控制器要具有良好的载荷适应性。

由于刀盘驱动系统本质是一个多电机冗余驱动系统，刀盘负载扭矩通过大齿圈与小齿轮的啮合分配到多根驱动轴上，在刀盘掘进面载荷剧烈波动的情况下，由于各个电机、齿轮传动系统的差异，特别是小齿轮与大齿圈间啮合齿隙的差异，引起驱动轴扭矩分配不均衡，部分驱动轴承受的扭矩过大，将会引起断轴事故，影响隧道掘进施工的高效进行。因此需要协调控制各根驱动轴扭矩分配。

目前国内外刀盘驱动系统的控制多采用转速或是转矩的PID并行控制、主从控制，以及采用转速差、电机扭矩差等方式的同步补偿控制，还没有基于驱动轴扭矩估计所设计的直接针对驱动轴扭矩均衡分配的控制算法。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提供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，该方法通过建立刀盘驱动控制系统的增广模型，并引入驱动轴扭矩估计方法和状态观测器，使得驱动轴扭矩分配更加均衡，减少使用加速度传感器。具体技术方案如下：

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；

进一步地，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；