[发明专利]一种掘进机多电机刀盘系统的分布式预测控制方法

说明书

技术领域

本发明涉及装备的智能控制优化技术领域，特别涉及一种掘进机多电机刀盘系统的分布式预测控制方法。

背景技术

全断面硬岩隧道掘进机是机械、电子、液压、激光等技术一体化的大型工厂化隧道施工作业系统，具有掘进速度快、施工工期短、作业环境好、对生态环境影响小、综合效益高等优点，是国内外隧道施工的重要方法之一。近年来，掘进机向断面多样化、多工作面方向发展，在开挖城市地铁隧道、国防工程、铁路隧道、海底隧道等地下工程方面发挥了重要的作用。掘进机前盾主要由刀盘及其驱动系统、液压推进系统、撑靴系统组成。刀盘安装在掘进机的前端，刀盘上分布着不同类型的刀具，刀盘驱动系统是刀盘旋转的主要动力提供者，也是掘进机的主要驱动系统，在掘进过程中发挥着重要的作用。

掘进机前盾主要由刀盘、刀盘驱动系统、液压推进系统、撑靴系统组成。刀盘安装在掘进机的前端，刀盘上分布着不同类型的刀具，刀具是切削岩石的主要工具，刀盘驱动系统是刀盘旋转的主要动力提供者。推进系统不仅能够实现推动前盾机构向前运动的功能，而且能够完成前盾的曲线行进、纠偏以及姿态控制等相关复杂任务。撑靴系统在切削前，提供支撑力使掘进机主体撑在岩壁上。刀盘驱动系统是掘进机掘进的主要驱动系统，在掘进过程中发挥着重要的作用。

在传统的观念中，一般设计一个集中式的控制中心，传感器测量所有子系统的状态，控制器收到测量量时同时计算/优化所有的控制输入，再将控制输入送到执行器端对对象产生作用。在集中式控制结构下，采用集中式的传输，传感器端和控制器到执行器都有较大的带宽需求。同时，由于中央控制器可能与各子系统距离可能较远，容易产生诱导状态时延或输入时延，对控制器提出了新的要求。在集中式控制结构中，所有的信号都依赖于单一的控制器进行处理，假如集中式控制器与系统连接故障，或中央控制器失效，整个系统都会停止运作，甚至发生重大事故，其鲁棒性和灵活性都较差。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的缺点与不足，提供一种掘进机多电机刀盘系统的分布式预测控制方法，能够解决集中式控制算法在复杂工业过程中的优化时间、结构鲁棒性问题，是对传统集中式控制算法的延伸和拓展，在可靠性性、灵活性和容错性方面都比传统集中式控制更具有优势。

本发明的目的通过以下的技术方案实现：一种掘进机多电机刀盘系统的分布式预测控制方法，包括以下步骤：

S1、分区建模部分：掘进机多电机刀盘系统包括若干个电机、联轴器、减速箱、轴承、小齿轮、大齿轮、刀盘；根据机械关联关系对刀盘驱动系统进行建模，得到每个电机系统方程，将掘进机的32个电机分成4个分区，每个分区由8个电机组成，相应地建立掘进机刀盘系统的分区系统模型，为电机的转矩优化提供模型；

S2、分布式预测控制部分：利用分布式预测控制方法，基于刀盘系统分区模型，每个分区设计一个独立的分布式预测控制器，对该分区的电机转矩进行优化设定；考虑到每个分区电机直接的关联关系，引入迭代算法实现各个分区电机扭矩设定的迭代交互，每个采样周期进行控制器的多次交互，实现各个分区电机的负载均衡。

优选的，分区建模具体过程如下：

第l个感应电动机输入力矩与输出力矩的关系如下：

其中，T_e,l为第l个感应电动机输入力矩，J_r,l为第l个转动惯量，b_r,l为阻尼系数，T_o,l为第l个感应电机的输出转矩；θ_p，l为第l个电动机的转动角度，为转动角速度，为电动机的转动角加速度；

电动机的输出力矩就是联轴器的输入力矩，因此：

其中，M_1,l为输入到减速箱的转矩，J_z,l为电机耦合器的转动惯量，b_z,l为电机联轴器的粘滞阻尼；

将(2)代入(1)，得到：

其中J_d,l＝J_r,l+J_z,l，b_d,l＝b_r,l+b_z,l；

小齿轮和大齿轮之间的减速装置方程：

M_2,l＝qM_1,l (5)

其中，q为齿轮减速比，M_2,l为第l个减速器输出扭矩；

从电机减速器的输出端到小齿轮的输出端的平衡方程如下：