[发明专利]一种盾构机刀盘驱动系统的驱动轴扭矩协调分配控制方法

说明书

本发明公开一种盾构机刀盘驱动系统的驱动轴扭矩协调分配控制方法，通过对刀盘驱动系统采用刀盘转速控制层和驱动轴扭矩协调层双层架构，在刀盘转速控制层中输出各个驱动电机的基础扭矩，实现刀盘转速的稳定控制；在驱动轴扭矩协调层中输出驱动电机的扭矩协调量，实现小齿轮啮合力矩的均衡分配。本发明针对刀盘转速稳定和驱动轴扭矩均衡分配问题，分别设计控制器，提高了刀盘驱动系统对突变载荷的适应性，解决了刀盘驱动系统动力学特性差异和啮合齿隙差异引起的驱动轴扭矩不均衡分配问题。

技术领域

本发明涉及 地铁隧道、海底隧道、矿山隧道、煤矿巷道、石油管道等地下隧道挖掘与施工技术领域，尤其是涉及采用多电机驱动方式的盾构隧道掘进机刀盘驱动系统的驱动轴扭矩协调分配控制方法。

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，还没有直接针对驱动轴扭矩的均衡分配设计的控制算法。

发明内容

本发明的目的是提供一种盾构隧道掘进机刀盘驱动系统的驱动轴扭矩协调分配控制方法，解决盾构隧道掘进机刀盘负载干扰问题和齿轮啮合过程中齿隙干扰问题，实现同时控制刀盘转速稳定和驱动轴扭矩均衡分配。

本发明为实现上述目的所采用的技术方案是：

一种盾构机刀盘驱动系统的驱动轴扭矩协调分配控制方法，其包括了刀盘转速控制层和驱动轴扭矩协调层双层架构，刀盘转速控制层是将刀盘驱动系统动态模型进行降阶，并设计模型预测控制器，之后估计刀盘负载扭矩，求出驱动电机的基础扭矩；驱动轴扭矩协调层是建立刀盘驱动系统驱动轴扭矩协调模型，选取期望的驱动轴扭矩协调量，建立驱动轴扭矩协调预测模型，并设计驱动轴扭矩协调预测控制器，求出各个驱动电机的扭矩协调量；基础扭矩与扭矩协调量之和就是各个驱动电机的实际输入扭矩。

进一步的，所述的刀盘转速控制层控制算法的设计步骤如下：

步骤一：建立刀盘驱动系统动态模型；

对于一个包括n个驱动电机的刀盘驱动系统，其动态特性描述为如下数学模型：

θ_g，i＝i_gθ_p，i (2)

T_p，i＝i_gT_g，i (3)

T_pm，i＝i_mT_mp，i (5)