一种土压动态特性建模方法、盾构机控制系统及盾构机转让专利
申请号 : CN202110846156.1
文献号 : CN113408080B
文献日 : 2022-05-13
发明人 : 程永亮 , 蔡杰 , 彭辉 , 刘芳 , 余顺彬 , 朱晨 , 钟雷辉
申请人 : 中国铁建重工集团股份有限公司
摘要 :
权利要求 :
1.一种土压动态特性建模方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤一：采集盾构机控制系统的历史输入输出数据作为辨识数据；
步骤二：确定土压平衡盾构机土舱土压动态特性ARX模型结构；所述盾构机土压动态特性ARX模型以土舱内土压的实际值作为输出信号，螺旋机转速信号为控制输入，把盾构机推进速度和总推进力作为中间变量；
步骤三：构建土压ARX模型参数的优化模型；
所述土压平衡盾构机土压系统的ARX模型的结构为：式中：y0为偏移，a1,a2～any、b1,b2～bnu、c1,c2～cnd是回归系数矩阵；ny，nu，nd表示模型阶次；y(k)、y(k‑1)、…、y(k‑ny)分别为第k个采样点、第k‑1个采样点、…、第k‑ny个采样点的土压测量值，k为第k个采样点；u为螺旋机转速信号，f≥1为u的纯滞后时间，g≥1是d的纯滞后时间；d(k‑g)、d(k‑g‑1)、…、d(k‑g‑nd+1)分别是推进过程第k‑g个采样时刻、第k‑g‑1个采样时刻、…、第k‑g‑nd+1个采样时刻的中间变量，ε(k)是建模误差。
2.根据权利要求1所述的一种土压动态特性建模方法，其特征在于，所述步骤一中的辨识数据包括土舱土压、螺旋机速度、推进速度和总推进力，设定数据采样周期为1秒；从盾构机历史数据中选取多个涵盖各种土压变化模式的I个连续工作段的数据作为盾构机土压ARX建模数据。
3.根据权利要求2所述的一种土压动态特性建模方法，其特征在于，所述盾构机土压ARX建模数据为yi(1)～yi(Ni)、ui(1)～ui(Ni)、di(1)～di(Ni)，i＝1,2,…,I，其中i是数据集内第i个连续推进作业数据段的编号，I为数据集包含的数据段数，Ni是第i段数据的长度，yi(1)、yi(Ni)分别表示窗口内第i段数据的第一个和第Ni个数据的土舱土压测量数据，ui(1)、ui(Ni)分别表示窗口内第i段数据的第一个和第Ni个数据的螺旋机转速信号，di(1)、di(Ni)分别表示窗口内第i段数据的第一个和第Ni个数据的土舱土压中间变量。
4.根据权利要求3所述的一种土压动态特性建模方法，其特征在于，设θ＝(y0,a1,a2,...,any,b1,b2,...,bnu,c1,c2,...,cnd),cl＝(c1l,c2l),l＝1,2,…,nd，θ为待辨识参数集，l为土舱土压中间变量的当前阶次；根据公式(1)和ARX建模数据，计算以第i段的第m个数据对应时刻为起点的土压的qi步向前预测输出其中：Θ是待辨识参数集θ的转置，Xi,m表示与式(1)中待辨识参数集θ对应的变量的集合。
5.根据权利要求4所述的一种土压动态特性建模方法，其特征在于，Xi,m的表达式为公式(3)；Θ的表达式为公式(4)；
T
Θ＝θ (4)其中：n＝max([ny,f+nu,g+nd]),n＜Ni (5)qi＝min(Np,Ni‑m) (6)式(3)中，
6.根据权利要求5所述的一种土压动态特性建模方法，其特征在于，所述步骤三具体是：通过极小化多步向前预测土压与土压实际值Y的均方差来估计土压模型的参数θ，并附加土压模型的稳定性条件；添加阶跃响应模式约束及模型静态放大系数约束，构造的ARX模型参数优化模型为公式(7)：s.t.
模型稳定性条件：max{|s1|,|s2|,…,|sny|}＜1阶跃响应模式约束：yustep(k)≤0,k＝1,2,…,Nstepyd1step(k)≥0,k＝1,2,…,Nstepyd2step(k)≥0,k＝1,2,…,Nstep静态放大系数约束：
其中： 为预测输出的总个数；s1,s2,…,sny为土压ARX模型的特征根；
yustep、yd1step、yd2step分别为基于ARX模型计算出的螺旋机速度、推进速度、总推进力之间的单位阶跃响应，Nstep为单位阶跃响应步长； 分别为土压相对螺旋机转速、推进速度和总推进力的静态放大系数的最小值和最大值约束；c1l,c2l分别为模型(1)中推进速度和总推进力变量的回归系数；
T
Yi,m＝(Yi(m+1),Yi(m+2),...,Yi(m+qi)) (8)为第i段数据中第m+1到m+qi个土舱土压实际测量数据组成的向量。
7.根据权利要求6所述的一种土压动态特性建模方法，其特征在于，土舱土压ARX模型的阶次(ny,nu,nd)通过极小化多步向前预测土压与土压实际值Y的均方差来估计：s.t.约束条件同式(7)为：
模型稳定性条件：max{|s1|,|s2|,…,|sny|}＜1阶跃响应模式约束：yustep(k)≤0,k＝1,2,…,Nstepyd1step(k)≥0,k＝1,2,…,Nstepyd2step(k)≥0,k＝1,2,…,Nstep静态放大系数约束：
8.一种盾构机控制系统，其特征在于，包括数据采集模块、控制器、模型训练模块和预测控制模块；
所述数据采集模块用于获取实时的盾构机推进数据；
所述控制器用于将所述数据采集模块采集的数据进行处理，得到土舱内土压的实际值、螺旋机转速信号、盾构机推进速度和总推进力；
所述模型训练模块用于学习如权利要求1～7任意一项所述的一种土压动态特性建模方法；
所述预测控制模块用于保存所述模型训练模块训练完成后的土压动态特性ARX模型，输出预测的土舱土压值，并反馈给所述控制器。
9.一种盾构机，包括盾构机本体以及设置在所述盾构机本体上的推进机构和螺旋机；
所述螺旋机与所述盾构机本体的土舱连接，用于输出所述土舱内的渣土；其特征在于，所述盾构机还包括如权利要求8所述的控制系统；
所述土舱内设有与所述控制器连接的土舱压力传感器，用于获取土舱内土压的实际值；
所述螺旋机内设有与所述控制器连接的接近开关，用于获取螺旋机转速信号；
所述推进机构内与所述控制器连接的压力传感器和油缸行程传感器，用于获取盾构机推进速度和总推进力。
说明书 :
一种土压动态特性建模方法、盾构机控制系统及盾构机
技术领域
背景技术
组成部分，具有维持开挖面稳定和碴土输送双重功能。当盾构机由推进液压缸向前推进时，
由刀盘切削下来的岩土经改性充满密封舱和螺旋输送机壳体内的全部空间，同时依靠充满
的改性土来平衡开挖面地层的水土压力。可通过调整螺旋输送机的转速控制排土量或通过
调整盾构机推进液压缸的推进速度控制进土量，使盾构机排土量和进土量保持或接近平
衡，以此来维持开挖面地层的稳定和防止地表变形。因此，在盾构施工过程中，密封舱承担
了维持开挖面稳定和输送改性土的重要作用。该系统的施工控制参数包括推进速度和螺旋
输送机转速等，这些参数的设置直接决定密封舱内的土压力。
的研究包括力学分析法和数值分析法，力学分析主要基于力学平衡计算土压力分布。采用
有限元等数值模拟方法对土压力与盾构机运行参数(如螺旋输送机速度、刀盘速度、盾构机
推进速度等)之间的关系进行数值分析。已有文献对密封舱压力与掘进参数关系的研究都
是基于定性分析和理论推导。这些研究成果一般都是在一定的假设和理想条件下取得的，
为掘进面稳定性的研究提供了良好的理论基础。但是，由于地层的随机特性，密封舱压力控
制缺少完备的土压力与控制变量之间的定量关系模型，密封舱压力控制的稳定性较差，不
能为控制密封舱压力所需的盾构机相关运行参数的设定提供足够的理论依据，使得在不同
地层条件下的隔板观测压力设定以及螺旋机转速的调整和推进速度的调节主要依靠盾构
施工单位的经验来操作。导致不同的施工单位采用的数值差异较大，施工质量难以保证。
的动态变化关系建立了一个动态模型，可用此模型指导掘进参数的调整，或基于此模型设
计土压自动控制算法，为有效控制掘进过程中盾构机密封舱压力平衡奠定技术基础。
发明内容
理参数精度和易受外界环境影响的问题。
机推进速度和总推进力作为中间变量；
量值，k为第k个采样点；u为螺旋机转速信号，f≥1为u的纯滞后时间，g≥1是d的纯滞后时
间；d(k‑g)、d(k‑g‑1)、d(k‑g‑nd+1)分别是推进过程第k‑g个采样时刻、第k‑g‑1个采样时
刻、第k‑g‑nd+1个采样时刻的中间变量，ε(k)是建模误差.
个连续工作段的数据作为盾构机土压ARX建模数据。
含的数据段数，Ni是第i段数据的长度，yi(1)、yi(Ni)分别表示该窗口内第i段数据的第一个
和第Ni个数据的土舱土压测量数据，ui(1)、ui(Ni)分别表示该窗口内第i段数据的第一个和
第Ni个数据的螺旋机转速信号，di(1)、di(Ni)分别表示该窗口内第i段数据的第一个和第Ni
个数据的土舱土压中间变量。
数据，计算以第i段的第m个数据对应时刻为起点的土压的qi步向前预测输出
型静态放大系数约束，构造的ARX模型参数优化模型为公式(7)：
之间的单位阶跃响应，Nstep为单位阶跃响应步长；k1， k2， k3，分别为土压相对螺旋机
转速、推进速度和总推进力的静态放大系数的最小值和最大值约束；c1l,c2l分别为模型(1)
中推进速度和总推进力变量的回归系数；
所述盾构机还包括所述盾构机控制系统；
变化的能力，能够很好地描述盾构机土舱土压的动态变化特性，具有较高的利用价值。
及静态放大系数添加约束条件，获得了具有与实际土压系统一致的阶跃响应模式及静态放
大系数的土舱土压ARX模型。
础。
具体实施方式
力等，设定数据采样周期为1秒。考虑到盾构机断续工作的特点，即盾构机一次推进作业的
连续工作时间不够长、导致一个连续工作段内采样数据个数偏少的特点，从盾构机历史数
据中选取了一些有代表性的、涵盖各种土压变化模式的17个连续工作段的数据作为一个训
练集建立盾构机ARX模型，共采集了6529组输入/输出数据。
速信号为控制输入，把盾构机推进速度(mm/min)和总推进力(KN)作为中间变量，构造土压
平衡盾构机土压系统的ARX模型，其结构如下：
值，即土压控制系统输出信号，k为第k个采样点；u为螺旋机转速信号，即土压控制信号，f＝
5为u的纯滞后时间，g＝1是d的纯滞后时间；d(k‑g)、d(k‑g‑1)、d(k‑g‑nd+1)分别是推进过
程第k‑g个采样时刻、第k‑g‑1个采样时刻、第k‑g‑nd+1个采样时刻的中间变量，也是模型输
入信号，包含推进速度和总推进力这两个信号；ε(k)是建模误差。
阶次作为土压ARX模型的阶次。设从历史数据中挑选出的、涵盖各种土压变化模式的多段盾
构机土舱土压系统的数据集为yi(1)～yi(Ni)、ui(1)～ui(Ni)、di(1)～di(Ni)，i＝1,2,…,
17，其中i是该数据集内第i个连续推进作业数据段的编号，I为数据集包含的数据段数，Ni
是第i段数据的长度，yi(1)、yi(Ni)分别表示该窗口内第i段数据的第一个和第Ni个数据的
土舱土压测量数据，ui(1)、ui(Ni)分别表示该窗口内第i段数据的第一个和第Ni个数据的螺
旋机转速信号，即土压控制信号，di(1)、di(Ni)分别表示该窗口内第i段数据的第一个和第
Ni个数据的土舱土压中间变量。基于土压ARX模型(1)及采样数据，计算以第i段的第m(如果
Np＝100步向前预测步数Np≥Ni，m＝n，否则m＝n,n+100,…,n+100×fix((Ni‑n)/100)，fix
表示取整操作)个数据对应时刻为起点的土压的qi步向前预测输出
件，以保证估计的模型具有与实际土压系统一致的稳定性。此外，为保证估计的模型具有与
实际土压系统一致的阶跃响应模式及与实际土压系统接近的输出/输入静态放大系数，在
模型参数估计过程中，添加模型阶跃响应模式约束及模型静态放大系数约束，构造如下的
ARX模型(1)参数优化模型：
应，c1l,c2l分别为模型(1)中推进速度和总推进力变量的回归系数。
模型稳定性(极点分布)、阶跃响应模式、静态放大系数及优化后的ARX模型(1)阶次如表1所
示。
中，工控机会保存PLC传回的所有数据，数据采集模块将收集推进速度预测控制器所需要用
到的所有参数的数据。
土舱压力传感器信号，经处理获得土舱内土压的实际值。PLC控制器采集螺旋机系统安装的
接近开关信号，计算获得螺旋机转速。PLC控制器输出电流信号给推进系统分区阀组的溢流
阀和流量阀，控制推进油缸的压力和伸出速度。PLC控制器采集推进系统分区阀组的压力传
感器信号和油缸行程传感器信号，数据处理后获得总推力和推进速度。
控制模块的控制输入信号，土舱土压值作为输出信号，同时考虑总推进力(kN)、推进速度
(mm/min)和土舱土压(bar)的影响并将其输入土舱土压预测控制模块。利用土舱土压预测
控制模块实现土压预测，该控制模块输入的是过去若干时刻的数据，具体输入多少个时刻
的数据由模型的阶次ny、nu、nd和滞后时间决定。
值。
述盾构机控制系统；土舱内设有与控制器连接的土舱压力传感器，用于获取土舱内土压的
实际值；螺旋机内设有与控制器连接的接近开关，用于获取螺旋机转速信号；推进机构内与
控制器连接的压力传感器和油缸行程传感器，用于获取盾构机推进速度和总推进力。
改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。