盾構(gòu)機(jī)自動(dòng)控制技術(shù)發(fā)展探究

牛少俠

摘要：當(dāng)前的盾構(gòu)機(jī)集信息技術(shù)、液壓技術(shù)、機(jī)電技術(shù)于一體，既具備開挖、切削與輸送支護(hù)功能，還具有糾偏、測(cè)量、導(dǎo)向等功能。而隨著我國(guó)自動(dòng)化機(jī)械的發(fā)展，實(shí)現(xiàn)盾構(gòu)機(jī)安全、高效掘進(jìn)施工，施工過(guò)程的全自動(dòng)化、智能化是盾構(gòu)技術(shù)發(fā)展的必然趨勢(shì)。所以為了能夠讓盾構(gòu)機(jī)更加安全、高效的運(yùn)行，就應(yīng)當(dāng)加強(qiáng)盾構(gòu)機(jī)自動(dòng)控制技術(shù)的研究。基于此，文章就盾構(gòu)機(jī)自動(dòng)控制技術(shù)的應(yīng)用及其發(fā)展進(jìn)行簡(jiǎn)要的分析。

關(guān)鍵詞：盾構(gòu)機(jī);自動(dòng)控制;技術(shù)現(xiàn)狀;展望

盾構(gòu)機(jī)是用于開挖隧道等地下施工的專用工程機(jī)械。盾構(gòu)機(jī)在我國(guó)隧道的開掘中起到了非常重要的作用，隨著我國(guó)自動(dòng)化機(jī)械的發(fā)展，實(shí)現(xiàn)盾構(gòu)機(jī)安全、高效掘進(jìn)施工，施工過(guò)程的全自動(dòng)化、智能化是盾構(gòu)技術(shù)發(fā)展的必然趨勢(shì)。未來(lái)盾構(gòu)機(jī)的全自動(dòng)化施工將為人們帶來(lái)更加豐富的成果。

一、盾構(gòu)機(jī)工作原理

20世紀(jì)90年代盾構(gòu)土壓的平衡由倉(cāng)岡豐采用，用這個(gè)理論來(lái)控制，但是這個(gè)系統(tǒng)的穩(wěn)定性卻無(wú)法得到保證。LI設(shè)計(jì)了自調(diào)整PID控制器，它主要運(yùn)用的是非線性掘進(jìn)控制系統(tǒng)，這個(gè)方式大大的提高了土壓的穩(wěn)定性，隨著盾構(gòu)機(jī)系統(tǒng)的科學(xué)技術(shù)不斷發(fā)展和進(jìn)步，采用遺傳算法對(duì)盾構(gòu)機(jī)的施工參數(shù)制定了優(yōu)化的控制方案和工藝，對(duì)于盾構(gòu)機(jī)排土中的螺旋輸送機(jī)的轉(zhuǎn)速加以控制，引入了驅(qū)動(dòng)公路效率的技術(shù)以及自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng)，同時(shí)根據(jù)盾構(gòu)機(jī)的壓力分布情況，根據(jù)壓力控制的數(shù)學(xué)模型使盾構(gòu)機(jī)的壓力控制和液壓缸的自動(dòng)控制得以實(shí)現(xiàn)。

二、盾構(gòu)機(jī)自動(dòng)控制技術(shù)現(xiàn)狀分析

（一）盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)系統(tǒng)的自動(dòng)控制

盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)系統(tǒng)多采用智能的控制方法，20世紀(jì)90年代由倉(cāng)岡豐采用模糊控制理論來(lái)控制盾構(gòu)土壓平衡，但是卻無(wú)法保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性。LI等在此基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了在非線性掘進(jìn)控制系統(tǒng)中使用模糊免疫自調(diào)整PID控制器，提高了土壓的穩(wěn)定性。隨著智能化專家控制系統(tǒng)的不斷更新，盾構(gòu)機(jī)自動(dòng)控制系統(tǒng)中引入了自動(dòng)識(shí)別和驅(qū)動(dòng)公路效率的技術(shù)，對(duì)盾構(gòu)機(jī)的運(yùn)行和土體掘進(jìn)時(shí)的壓力分布情況的研究，一種盾構(gòu)機(jī)推進(jìn)系統(tǒng)的自動(dòng)控制方式產(chǎn)生。根據(jù)壓力控制的數(shù)學(xué)模型，和偏差修正等控制策略，使盾構(gòu)機(jī)的壓力控制和液壓缸的自動(dòng)控制得以實(shí)現(xiàn)。另外胡國(guó)良等對(duì)排空控制的研究，提出了將PID控制技術(shù)在排土控制中使用，實(shí)現(xiàn)了螺旋輸送機(jī)排土的自動(dòng)控制。

（二）位姿控制

盾構(gòu)機(jī)的位姿主要通過(guò)對(duì)推進(jìn)系統(tǒng)的液壓缸進(jìn)行控制來(lái)實(shí)現(xiàn)的。自20世紀(jì)80年代SAKAI等將卡爾曼濾波理論在盾構(gòu)機(jī)的位姿控制方面應(yīng)用并且建立了控制模型后，國(guó)內(nèi)外的專家和研究人員開始了對(duì)盾構(gòu)機(jī)位姿控制的研究。李惠平等根據(jù)盾構(gòu)機(jī)控制的特點(diǎn)對(duì)模糊控制器的設(shè)計(jì)提出了“先分后合”方法，更便于調(diào)節(jié)控制器的性能。之后我國(guó)的研究人員在此基礎(chǔ)上進(jìn)行完善，將LabVIEW在盾構(gòu)機(jī)位姿控制器的設(shè)計(jì)中加以應(yīng)用，又通過(guò)模糊控制器得出千斤頂糾偏控制量，逐漸實(shí)現(xiàn)了盾構(gòu)機(jī)位姿的自動(dòng)控制。為了使系統(tǒng)具有更好的通用性，能夠在不同的地質(zhì)條件下穩(wěn)定運(yùn)行，MITSUTAKA提出了盾構(gòu)機(jī)推進(jìn)過(guò)程中動(dòng)態(tài)載荷的理論模型，該模型對(duì)盾構(gòu)姿態(tài)影響的各個(gè)參數(shù)所具有的敏感性進(jìn)行分析，為提高位姿自動(dòng)控制的精確度發(fā)揮了重要作用。

（三）管片的自動(dòng)拼裝

手工管片拼裝存在很多弊端，實(shí)現(xiàn)管片的自動(dòng)拼裝十分必要。20世紀(jì)80年代，日本最先使用了管片自動(dòng)拼裝的設(shè)備，各國(guó)開始了管片自動(dòng)拼裝的研究。國(guó)際隧道協(xié)會(huì)針對(duì)隧道管片的拼裝制定了設(shè)計(jì)準(zhǔn)則。趙志杰等對(duì)通用管片進(jìn)行研究，配合盾構(gòu)設(shè)計(jì)軸向的特點(diǎn)，通過(guò)多環(huán)組合的方法對(duì)管片的拼裝點(diǎn)位進(jìn)行選取，并對(duì)切向糾偏路線進(jìn)行制定，開發(fā)出虛擬的管片拼裝系統(tǒng)。在日歐等國(guó)，已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了管片的全自動(dòng)拼裝，利用機(jī)器人動(dòng)態(tài)模型，實(shí)現(xiàn)了管片支護(hù)和拼裝的全自動(dòng)控制。

三、盾構(gòu)機(jī)自動(dòng)控制技術(shù)存在的問(wèn)題和發(fā)展趨勢(shì)

（一）建立以密封艙壓力動(dòng)態(tài)平衡為目標(biāo)的控制模板

密封艙壓力失衡會(huì)導(dǎo)致地面出現(xiàn)沉降不均的現(xiàn)象，而密封艙壓力控制技術(shù)則是盾構(gòu)機(jī)自動(dòng)控制系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)，目前，對(duì)于盾構(gòu)機(jī)密封艙壓力控制的研究?jī)H僅還是停留在認(rèn)知初期和試驗(yàn)層面，還沒(méi)有形成理論成熟、系統(tǒng)精確的控制模型，導(dǎo)致研究的結(jié)果不具備真實(shí)性和實(shí)用性，從而造成我國(guó)盾構(gòu)機(jī)密封艙壓力平衡技術(shù)落后的局面。因此，在未來(lái)的研究方向中，我們應(yīng)該從分析各個(gè)子系統(tǒng)中控制機(jī)理的關(guān)系著手，從而建立促進(jìn)密封艙壓力平衡的控制模型，再結(jié)合先進(jìn)的自動(dòng)控制技術(shù)，最后實(shí)現(xiàn)密封艙壓力平衡的自動(dòng)化控制層面，精確地控制地面的沉降數(shù)據(jù)。

（二）掘進(jìn)系統(tǒng)的協(xié)調(diào)控制策略

在傳統(tǒng)的盾構(gòu)機(jī)土壓控制系統(tǒng)中，通常都是先預(yù)設(shè)土倉(cāng)的壓力值，然后再分析施工過(guò)程中密封艙壓力的波動(dòng)情況和地表下沉狀況來(lái)各個(gè)子系統(tǒng)的工作參數(shù)，例如推進(jìn)系統(tǒng)、刀盤系統(tǒng)和排渣系統(tǒng)等。各個(gè)子系統(tǒng)的工作機(jī)理都是相互獨(dú)立分開的，同時(shí)也互不干擾互不影響，并且大多數(shù)都是需要通過(guò)手動(dòng)調(diào)節(jié)，而這種手動(dòng)調(diào)節(jié)正是較為滯后的土壓糾正方式。密封艙平衡系統(tǒng)需要推進(jìn)系統(tǒng)、排渣系統(tǒng)和刀盤系統(tǒng)相互聯(lián)合作用來(lái)實(shí)現(xiàn)工作效益，因此，為了提高這一關(guān)鍵技術(shù)的運(yùn)用，需要在掘進(jìn)系統(tǒng)中引入多個(gè)子系統(tǒng)調(diào)節(jié)控制機(jī)理，通過(guò)最優(yōu)良的控制機(jī)理來(lái)協(xié)調(diào)各個(gè)系統(tǒng)的活動(dòng)。

（三）運(yùn)動(dòng)軌跡的動(dòng)態(tài)規(guī)劃與位姿控制

目前，盾構(gòu)機(jī)位姿系統(tǒng)的控制理論和控制方式都是以人的邏輯思維和行為模式為基礎(chǔ)，通過(guò)將操作者的操作過(guò)程和控制經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行參數(shù)化和程序化后，就可以利用模糊控制策略來(lái)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化、智能化操控。這一切都是建立在具備施工記錄和施工經(jīng)驗(yàn)的前提下，若不具備這一有利條件，一旦遇到較為復(fù)雜的地形環(huán)境和施工工序，盾構(gòu)機(jī)的位姿控制就難以得到有效保障，這也是至今盾構(gòu)機(jī)無(wú)法全面實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化控制的主要原因。若要實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化位姿控制，則要先分析相關(guān)影響因素，再建立專業(yè)的控制模型，在非完整欠驅(qū)動(dòng)的前提下完成局部可控，最后再求取最優(yōu)良的位姿控制規(guī)律。

四、結(jié)束語(yǔ)

隨著科學(xué)技術(shù)與現(xiàn)代計(jì)算機(jī)技術(shù)的高速發(fā)展，未來(lái)盾構(gòu)機(jī)必然會(huì)實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)化的施工，全自動(dòng)化盾構(gòu)機(jī)能夠安全、高效的完成施工，可以節(jié)約人力物力，還可以縮短工期，但是在各類因素的影響下，盾構(gòu)機(jī)自動(dòng)技術(shù)的發(fā)展還存在一系列的難題，有待進(jìn)行深入的研究。

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（作者單位：中鐵三局集團(tuán)廣東建設(shè)工程有限公司）