煤礦瓦斯抽采巷小直徑TBM轉(zhuǎn)彎位姿控制研究與應(yīng)用

陳良發(fā)，譚家貴，汪義龍，蔡昌偉，王冰山，金魯華，周全超，楊 陽(yáng)

(1.華能煤業(yè)有限公司，北京 100070；2.華能云南滇東能源有限責(zé)任公司礦業(yè)分公司白龍山煤礦一井，云南 曲靖 655508；3.華能煤炭技術(shù)研究有限公司，北京 100070)

近年來(lái)我國(guó)的TBM發(fā)展迅速，作為目前隧道掘進(jìn)最先進(jìn)的設(shè)備，小直徑TBM在煤礦巖巷的施工作業(yè)中大大提高了掘進(jìn)速度與安全性[1-3]。為了保持TBM掘進(jìn)路線與擬定路線一致，需要對(duì)TBM在隧道巖巷掘進(jìn)過(guò)程中刀盤(pán)的位姿進(jìn)行控制，控制器性能的優(yōu)劣對(duì)TBM刀盤(pán)位姿與隧道的位置、走向有著重要的影響[4，5]。因此，對(duì)煤礦瓦斯抽采巷小直徑TBM的轉(zhuǎn)彎位姿控制器開(kāi)展研究。

目前國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)TBM的姿態(tài)控制及軌跡跟蹤技術(shù)開(kāi)展了以下研究：張強(qiáng)等基于空間齊次變換矩陣對(duì)盾構(gòu)機(jī)進(jìn)行位姿正解，并根據(jù)各液壓缸桿長(zhǎng)建立位姿反解數(shù)學(xué)模型，并在MATLAB中驗(yàn)證了模型的準(zhǔn)確性[6]；Yue M等通過(guò)設(shè)計(jì)滑模魯棒控制器解決了盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)過(guò)程中變負(fù)載情況下的盾體姿態(tài)糾偏問(wèn)題[7]；邵誠(chéng)俊通過(guò)搭建TBM的多系統(tǒng)耦合動(dòng)力學(xué)模型探究裝備的糾偏軌跡規(guī)劃與軌跡糾偏控制[8]；任穎瑩等多名學(xué)者研究了模糊PID控制與估計(jì)自動(dòng)跟蹤控制相結(jié)合的控制算法[9-12]；黃威等將盾構(gòu)姿態(tài)引入盾構(gòu)水平受力平衡分析中，建立基于二維盾體結(jié)構(gòu)提出一種力學(xué)與水平姿態(tài)理論分析模型[13]；吳惠明等基于支持向量機(jī)提出一種預(yù)測(cè)盾構(gòu)機(jī)姿態(tài)及優(yōu)化施工參數(shù)的方法，該方法擬合優(yōu)度高、準(zhǔn)確性好[14]；Wang L等針對(duì)盾構(gòu)機(jī)推進(jìn)系統(tǒng)液壓缸建立運(yùn)動(dòng)模型，設(shè)計(jì)了基于主從控制方法的復(fù)雜地層盾構(gòu)機(jī)位姿控制方法[15]；Zhou C等采用混合深度學(xué)習(xí)模型提出了一個(gè)預(yù)測(cè)性的框架用以解決盾構(gòu)掘進(jìn)過(guò)程中的位姿控制問(wèn)題，并使用隧道工程采集到的盾構(gòu)姿態(tài)與位置數(shù)據(jù)驗(yàn)證該框架模型具有較高的預(yù)測(cè)精度[16]；Wang X等搭建了一個(gè)土壤-機(jī)械耦合模型以預(yù)測(cè)隧道掘進(jìn)過(guò)程中盾構(gòu)機(jī)所受載荷，并進(jìn)行逆運(yùn)動(dòng)學(xué)求解以描述因盾構(gòu)機(jī)姿態(tài)調(diào)整引起的雅克比速度與土壤位移[17]；Bui等基于切割有限元方法有效地模擬TBM在隧道中的推進(jìn)過(guò)程，能夠提前對(duì)隧道的挖掘情況進(jìn)行預(yù)測(cè)以實(shí)現(xiàn)對(duì)TBM位姿的預(yù)測(cè)與控制[18]；Gabriel等提出一種基于深度學(xué)習(xí)的三步驟智能決策系統(tǒng)，能夠針對(duì)TBM掘進(jìn)過(guò)程中傳感器的測(cè)量值實(shí)時(shí)為操作員提供預(yù)測(cè)值，以實(shí)現(xiàn)對(duì)TBM位姿的提前預(yù)測(cè)與控制[19]。目前TBM施工中，TBM刀盤(pán)、機(jī)身的姿態(tài)與軌跡調(diào)節(jié)主要是通過(guò)全站儀、刀盤(pán)位移傳感器等儀器測(cè)量并由主司機(jī)控制調(diào)整盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)參數(shù)以對(duì)軌跡偏差進(jìn)行調(diào)節(jié)，在該調(diào)節(jié)過(guò)程中反饋經(jīng)常滯后且調(diào)節(jié)效果與操作人員的工作經(jīng)驗(yàn)相關(guān)，不正確的人工操作常導(dǎo)致隧道位置與走向偏差較大、隧道超挖與欠挖、TBM卡機(jī)等現(xiàn)象的發(fā)生。因此，開(kāi)展TBM智能掘進(jìn)技術(shù)是未來(lái)TBM發(fā)展的必然趨勢(shì)。本文提出的基于主從分區(qū)速度控制方法的推進(jìn)系統(tǒng)液壓缸PID控制器在未來(lái)少人、無(wú)人化智能掘進(jìn)施工能夠發(fā)揮更大的作用。

目前國(guó)內(nèi)外研究針對(duì)煤礦巖巷掘進(jìn)環(huán)境下的小直徑TBM的位姿控制研究還相對(duì)較少，筆者對(duì)小直徑TBM的位姿控制方法進(jìn)行了研究。

1 工程背景

滇東礦業(yè)分公司白龍山煤礦一井位于云南省曲靖市富源縣老廠礦區(qū)，地處滇、黔、桂三省鄰接地帶的云南省富源縣東南部，是云南省根據(jù)“西電東送”能源戰(zhàn)略部署而新建的第一對(duì)大型現(xiàn)代化礦井。白龍山煤礦一井為煤與瓦斯“雙突”礦井，目前處于基本建設(shè)時(shí)期。傳統(tǒng)的鉆爆法施工工藝在“雙突”條件下瓦斯治理的復(fù)雜工藝下，工期和進(jìn)度難以保證，特別是瓦斯抽采巷道的施工與現(xiàn)場(chǎng)的結(jié)合，全斷面隧道掘進(jìn)機(jī)(TBM)進(jìn)行煤礦巷道建設(shè)施工的方法無(wú)論是在工期、造價(jià)亦或是工程技術(shù)等方面均具有顯著優(yōu)勢(shì)，該礦井為實(shí)現(xiàn)智能化煤礦建設(shè)，計(jì)劃采取TBM結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際進(jìn)行技術(shù)研究和應(yīng)用。

白龍山煤礦一井具備TBM施工條件的瓦斯抽采巷主要為101采區(qū)和102采區(qū)的抽采巷，101采區(qū)總長(zhǎng)度合計(jì)2810 m，102采區(qū)總長(zhǎng)度合計(jì)為9638 m，邊界巷轉(zhuǎn)彎半徑均大于100 m，均可滿(mǎn)足TBM轉(zhuǎn)彎施工要求。為保障施工安全性，防止煤與瓦斯突出事故發(fā)生，瓦斯抽采巷底板與煤層頂板的法距應(yīng)始終保持在20 m左右層位，TBM施工過(guò)程中采用超前鉆機(jī)對(duì)前方不少于120 m的距離進(jìn)行超前探測(cè)，獲知掘進(jìn)巷道前方下部煤層厚度變化情況，后續(xù)TBM掘進(jìn)時(shí)需根據(jù)煤層厚度變化及時(shí)調(diào)整位姿，因此需要一種實(shí)時(shí)、穩(wěn)定的控制方法來(lái)輔助主司機(jī)調(diào)整TBM位姿，從而提高施工安全性。

2 TBM推進(jìn)系統(tǒng)聯(lián)合仿真模型

2.1 TBM動(dòng)力學(xué)模型

由于TBM刀盤(pán)位姿與掘進(jìn)路徑改變均是通過(guò)控制刀盤(pán)推進(jìn)油缸伸出的位移實(shí)現(xiàn)的，因此在進(jìn)行TBM推進(jìn)系統(tǒng)的三維模型建立時(shí)，重點(diǎn)對(duì)推進(jìn)油缸進(jìn)行建模，而對(duì)刀盤(pán)、主驅(qū)動(dòng)，機(jī)體等部位進(jìn)行簡(jiǎn)化建模。某小直徑TBM的推進(jìn)系統(tǒng)由8個(gè)液壓缸組成，液壓缸兩個(gè)一組，共上、左、下、右四組推進(jìn)液壓缸。將簡(jiǎn)化后的TBM三維模型導(dǎo)入ADAMS動(dòng)力學(xué)仿真軟件。

首先為T(mén)BM模型添加約束副，重點(diǎn)是對(duì)推進(jìn)液壓缸部分的約束進(jìn)行細(xì)化，而簡(jiǎn)化刀盤(pán)、盾體，撐緊盾等結(jié)構(gòu)的約束。TBM掘進(jìn)過(guò)程中，驅(qū)動(dòng)力由推進(jìn)系統(tǒng)的推進(jìn)液壓缸提供，表現(xiàn)為液壓缸缸筒與液壓缸桿之間的相互作用力，負(fù)載力則由巖體施加，同時(shí)為各個(gè)機(jī)械結(jié)構(gòu)之間的約束副添加摩擦力(前盾與推進(jìn)液壓缸桿之間的球鉸副、推進(jìn)液壓缸筒與撐緊盾之間的球鉸副、液壓缸桿與液壓缸筒之間的圓柱副均要設(shè)置機(jī)械摩擦力)。巖體對(duì)TBM施加力作用在前盾上，掘進(jìn)時(shí)刀盤(pán)阻力模擬為前盾上、下、左、右四個(gè)作用點(diǎn)上的單向作用力，再通過(guò)設(shè)置襯套力模擬TBM機(jī)體周向受力，通過(guò)在AMAMS中測(cè)量四個(gè)力作用點(diǎn)的速度并將掘進(jìn)負(fù)載力設(shè)置為與速度相關(guān)的函數(shù)[20]。完成約束添加與力添加之后的模型如圖1所示。

圖1 TBM動(dòng)力學(xué)模型

2.2 TBM推進(jìn)系統(tǒng)液壓仿真模型

TBM推進(jìn)系統(tǒng)單分區(qū)液壓原理如圖2所示，該單分區(qū)液壓系統(tǒng)主要包含恒壓變量泵、安全閥、三位六通換向閥、比例調(diào)速閥、比例溢流閥與推進(jìn)液壓缸。在建立TBM推進(jìn)液壓系統(tǒng)時(shí)，只考慮掘進(jìn)過(guò)程中液壓缸伸出的工況，不再對(duì)液壓缸桿收回過(guò)程進(jìn)行仿真，因此，可以簡(jiǎn)化省略換向閥，系統(tǒng)中采用恒壓變量泵，在仿真模型中也可使用恒壓源來(lái)替代，并對(duì)液壓系統(tǒng)中的比例調(diào)速閥與比例溢流閥搭建HCD(Hydraulic Component Design)模型。做出以上簡(jiǎn)化可以減少仿真運(yùn)算的時(shí)間，提高仿真效率。

1—電機(jī)；2—恒壓變量泵；3—安全閥；4—三位六通換向閥；5—比例調(diào)速閥；6—比例溢流閥；7—推進(jìn)液壓缸

在AMESim中對(duì)比例調(diào)速閥與比例溢流閥進(jìn)行HCD模型搭建，比例調(diào)速閥定差減壓閥和比例節(jié)流閥兩部分組成。定差減壓閥控制端分別與比例節(jié)流閥進(jìn)、出油口相連。當(dāng)比例調(diào)速閥進(jìn)出口壓差增大時(shí)，減壓閥閥芯左移，減壓閥流道變窄，壓損增大；相反，比例調(diào)速閥進(jìn)出口壓差減小時(shí)，減壓閥閥芯左移，流道壓損降低，從而使節(jié)流閥壓差近似保持定值。因此定差減壓閥的輸出流量可通過(guò)調(diào)節(jié)比例節(jié)流閥控制電流成比例的進(jìn)行調(diào)節(jié)，不受壓力變化的影響。比例調(diào)速閥HCD模型如圖3所示；比例溢流閥通過(guò)比例電磁鐵控制閥芯左端彈簧的推力，當(dāng)油液壓力小于彈簧的推力時(shí)，比例溢流閥閥芯關(guān)閉，系統(tǒng)中油液全部流入執(zhí)行器。當(dāng)系統(tǒng)油液壓力高于電磁鐵推力時(shí)，閥芯左移，比例溢流閥流道打開(kāi)，部分油液溢流，由于閥芯左端彈簧被壓縮，系統(tǒng)油液壓力隨閥芯位移的增加而增大。

1—活塞①；2—一維平移質(zhì)量；3—帶環(huán)形孔的閥芯；4—活塞②；5—帶彈簧的活塞③；6—液壓容積與壓力動(dòng)力學(xué)模型；7—力輸入轉(zhuǎn)化模塊；8—恒流源；9—溢流閥

對(duì)于推進(jìn)液壓缸及負(fù)載模型，將掘進(jìn)過(guò)程所受負(fù)載力簡(jiǎn)化為恒力和具有運(yùn)動(dòng)速度的粘彈性模型，設(shè)置負(fù)載力與速度之間為一次函數(shù)模型，從而將液壓缸推進(jìn)速度與負(fù)載力創(chuàng)建聯(lián)系。

為了實(shí)現(xiàn)TBM動(dòng)力學(xué)模型與單分區(qū)液壓模型之間的數(shù)據(jù)交換，建立AMESim與ADAMS聯(lián)合仿真數(shù)據(jù)接口。從ADAMS動(dòng)力學(xué)模型中輸出8個(gè)推進(jìn)油缸的位移、TBM掘進(jìn)位移、刀盤(pán)的傾覆角與橫擺角；從AMESim液壓模型中輸出八個(gè)推進(jìn)油缸的液壓力，為ADAMS動(dòng)力學(xué)模型提供驅(qū)動(dòng)力，通過(guò)ADAMS/Controls模塊將模型導(dǎo)出生成.inf文件，并添加到AMESim液壓模型當(dāng)中，TBM機(jī)-液聯(lián)合仿真模型搭建完畢，如圖4所示。

1—聯(lián)合仿真數(shù)據(jù)交換模塊；2—分區(qū)推進(jìn)系統(tǒng)超級(jí)元件；3—比例調(diào)速閥；4—比例溢流閥；5—推進(jìn)液壓缸及負(fù)載

3 瓦斯抽采巷設(shè)計(jì)軸線參數(shù)化表征

由于煤層分布位置并不是始終不變的，為了抽出煤層中含有的瓦斯，TBM在掘進(jìn)煤礦瓦斯抽采巷的過(guò)程中需要進(jìn)行位姿調(diào)控以保證瓦斯抽采巷軸線位置距煤層基本不變。本研究假設(shè)瓦斯抽采巷設(shè)計(jì)軸線僅在豎直方向上(X方向)產(chǎn)生變化，而水平方向上位移暫不考慮。TBM在豎直方向上的設(shè)計(jì)軸線可以劃分為三種曲線的組合，分別為直線、圓曲線與緩和曲線，其中緩和曲線作為設(shè)計(jì)軸線中直線與圓曲線之間的過(guò)渡線，以保證刀盤(pán)傾覆角不發(fā)生突變，確保TBM掘進(jìn)過(guò)程的穩(wěn)定性。TBM在轉(zhuǎn)向時(shí)刀盤(pán)與盾體之間會(huì)產(chǎn)生傾角，其中豎直方向上的傾角為傾覆角，水平方向上的傾角為橫擺角。下面對(duì)直線、圓曲線、緩和曲線、傾覆角與橫擺角進(jìn)行參數(shù)化表征。

3.1 直線型瓦斯抽采巷設(shè)計(jì)軸線

首先建立固定坐標(biāo)系與運(yùn)動(dòng)坐標(biāo)系，以撐緊盾盾尾圓心為固定坐標(biāo)系原點(diǎn)(x，y，z)，以刀盤(pán)中心點(diǎn)為運(yùn)動(dòng)坐標(biāo)系原點(diǎn)(x0，y0，z0)，s表示刀盤(pán)中心點(diǎn)運(yùn)動(dòng)軌跡的長(zhǎng)度，TBM實(shí)際位姿的傾覆角與橫擺角表示為α、β；期望的傾覆角與橫擺角則表示為α0、β0。

直線型瓦斯抽采巷設(shè)計(jì)軸線如圖5所示，假設(shè)TBM整機(jī)長(zhǎng)度為L(zhǎng)，則運(yùn)動(dòng)坐標(biāo)系原點(diǎn)位于固定坐標(biāo)系的(0，0，L)處。

圖5 直線型瓦斯抽采巷設(shè)計(jì)軸線示意

隨著TBM掘進(jìn)，隨著掘進(jìn)距離s的增加，動(dòng)坐標(biāo)原點(diǎn)O0相對(duì)于固定坐標(biāo)系的坐標(biāo)可以表示為：

TBM的期望傾覆角與橫擺角可表示為：

3.2 圓曲線型瓦斯抽采巷設(shè)計(jì)軸線

圓曲線型瓦斯抽采巷設(shè)計(jì)軸線示意如圖6所示，當(dāng)TBM按照豎直曲線掘進(jìn)時(shí)，運(yùn)動(dòng)坐標(biāo)系原點(diǎn)O0可以由固定坐標(biāo)系表示為：

圖6 圓曲線型瓦斯抽采巷設(shè)計(jì)軸線示意圖

沿圓曲線隧道設(shè)計(jì)軸線掘進(jìn)時(shí)，TBM的期望傾覆角與橫擺角表示為：

式中，R為期望圓曲線的半徑。

3.3 緩和曲線型瓦斯抽采巷設(shè)計(jì)軸線

緩和曲線的作用是充當(dāng)直線掘進(jìn)段與圓曲線掘進(jìn)段之間的過(guò)渡曲線段，緩和曲線擁有當(dāng)TBM位移增加，其曲率半徑逐漸增大至圓曲線半徑的特性，因此緩和曲線的參數(shù)表征與圓曲線半徑以及自身設(shè)計(jì)長(zhǎng)度有關(guān)。緩和曲線型瓦斯抽采巷設(shè)計(jì)軸線示意如圖7所示，當(dāng)TBM按照豎直曲線掘進(jìn)時(shí)，參考回旋緩和曲線參數(shù)設(shè)計(jì)方法，運(yùn)動(dòng)坐標(biāo)系原點(diǎn)O0可以由固定坐標(biāo)系表示為：

圖7 緩和曲線型瓦斯抽采巷設(shè)計(jì)軸線示意

沿圓曲線隧道設(shè)計(jì)軸線掘進(jìn)時(shí)，TBM的期望傾覆角與橫擺角表示為：

式中，s0為緩和曲線的設(shè)計(jì)長(zhǎng)度。

4 PID控制器設(shè)計(jì)與仿真分析

4.1 PID控制器設(shè)計(jì)

傳統(tǒng)的TBM控制系統(tǒng)是開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)，對(duì)于偏差信號(hào)沒(méi)有反饋?lái)憫?yīng)，無(wú)法對(duì)偏差進(jìn)行糾偏處理，系統(tǒng)控制誤差大，而PID控制通過(guò)比例、積分、微分三個(gè)環(huán)節(jié)對(duì)偏差信號(hào)進(jìn)行處理，其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、魯棒性好。本研究采用PID控制將TBM的控制系統(tǒng)變?yōu)殚]環(huán)控制，以實(shí)現(xiàn)對(duì)偏差及時(shí)糾正，保證TBM位姿的正確與穩(wěn)定。

本研究采用推進(jìn)系統(tǒng)液壓缸主從控制方案，其原理是選定一組液壓缸作為主推進(jìn)分區(qū)，將TBM期望掘進(jìn)速度作為期望信號(hào)輸入，并返回該組液壓缸實(shí)際速度信號(hào)，兩信號(hào)的偏差作為控制量進(jìn)行PID控制調(diào)節(jié)，PID輸出不同大小的電流信號(hào)控制調(diào)速閥閥口開(kāi)度以確保該組缸推進(jìn)速度穩(wěn)定，選取上分區(qū)液壓缸作為主分區(qū)進(jìn)行速度調(diào)節(jié)。在確定主分區(qū)后，對(duì)剩余三個(gè)分區(qū)液壓缸分別進(jìn)行PID調(diào)節(jié)，由于前文已經(jīng)推導(dǎo)了TBM掘進(jìn)距離s與期望傾覆角α0、期望橫擺角β0之間的數(shù)值關(guān)系，因此通過(guò)在ADAMS動(dòng)力學(xué)模型中測(cè)量TBM掘進(jìn)距離便能夠計(jì)算出TBM在該掘進(jìn)距離時(shí)的期望傾覆角與橫擺角。對(duì)于下分區(qū)液壓缸，在AMESim中設(shè)置輸入信號(hào)為期望傾覆角，反饋信號(hào)為在ADAMS動(dòng)力學(xué)模型中實(shí)時(shí)測(cè)得的TBM傾覆角，并對(duì)偏差進(jìn)行PID控制，輸出電流信號(hào)控制調(diào)速閥閥口開(kāi)度以對(duì)傾覆角進(jìn)行調(diào)節(jié)；而對(duì)于左分區(qū)和右分區(qū)，輸入信號(hào)為計(jì)算得到的期望橫擺角，反饋信號(hào)為實(shí)時(shí)測(cè)得的橫擺角，并對(duì)偏差進(jìn)行PID控制。最終搭建完成的控制模型如圖8所示。

1—聯(lián)合仿真數(shù)據(jù)交換模塊；2—分區(qū)推進(jìn)系統(tǒng)超級(jí)元件；3—PID主從控制模塊；4—比例調(diào)速閥；5—比例溢流閥；6—推進(jìn)液壓缸及負(fù)載；7—主缸速度PID模塊

4.2 控制效果仿真分析

分別對(duì)三種設(shè)計(jì)軸線進(jìn)行仿真分析，以ADAMS輸出的掘進(jìn)距離s為自變量，分別設(shè)置f(s2)=0、f(s2)=s/R、f(s3)=s2/2Rs1來(lái)計(jì)算直線、圓曲線和過(guò)渡曲線下的期望傾覆角，并作為PID控制的輸入信號(hào)，由于本研究?jī)H考慮TBM在豎直方向上的轉(zhuǎn)彎，因此期望橫擺角均設(shè)置為0。三種設(shè)計(jì)軸線下均設(shè)置上分區(qū)液壓缸期望速度為1 mm/s；對(duì)上、左、下、右四組推進(jìn)液壓缸均設(shè)置相同的負(fù)載力-速度關(guān)系，大小為3.6×106N/(mm·s-1)；考慮到巖體強(qiáng)度不均勻，設(shè)置隨機(jī)載荷10000 N；設(shè)置圓曲線半徑為500 m，設(shè)置緩和曲線軸線長(zhǎng)度為50 m。下面對(duì)三種設(shè)計(jì)軸線進(jìn)行仿真分析。

4.2.1 直線型設(shè)計(jì)軸線

直線型設(shè)計(jì)軸線仿真得到的傾覆角與橫擺角變化曲線如圖9所示，由圖9(a)可知直線型設(shè)計(jì)軸線仿真情況下的傾覆角與橫擺角均在3.2 s左右穩(wěn)定在0 rad上下波動(dòng)，傾覆角波動(dòng)幅值為8.4×10-6rad，橫擺角波動(dòng)幅值為8.8×10-6rad；而0～3.2 s之間角度擺動(dòng)較大，其原因主要是因?yàn)樯戏謪^(qū)液壓缸期望速度設(shè)置為1 mm/s，由于液壓系統(tǒng)自身延遲，其余分區(qū)的液壓缸提速較慢，導(dǎo)致偏角擺動(dòng)較大，而由于隨機(jī)載荷的影響，穩(wěn)定狀態(tài)下傾覆角與橫擺角上下波動(dòng)。

圖9 直線型設(shè)計(jì)軸線傾覆角與橫擺角

4.2.2 圓曲線型設(shè)計(jì)軸線

圓曲線型設(shè)計(jì)軸線仿真得到的傾覆角與橫擺角變化曲線如圖10所示，其中橫擺角仿真結(jié)果與直線型設(shè)計(jì)軸線相基本相同，根據(jù)式(4)可知，傾覆角α大小與TBM掘進(jìn)距離s成線性關(guān)系，且直線斜率為1/R，圖10(a)中傾覆角的實(shí)際值在穩(wěn)定狀態(tài)下逐漸上升，且在期望值上下波動(dòng)，傾覆角波動(dòng)幅值為1.0×10-5rad，控制效果良好。

圖10 圓曲線型設(shè)計(jì)軸線傾覆角與橫擺角

4.2.3 緩和曲線型設(shè)計(jì)軸線

為緩和曲線型設(shè)計(jì)軸線仿真得到的傾覆角與橫擺角變化曲線如圖11所示，由于緩和曲線是直線與圓曲線之間的過(guò)渡曲線，因此在緩和曲線初始階段與直線基本相同。由圖可知，緩和曲線下TBM傾覆角與橫擺角變化規(guī)律與直線設(shè)計(jì)軸線下的變化規(guī)律基本相同。

圖11 緩和曲線型設(shè)計(jì)軸線傾覆角和橫擺角

5 實(shí)驗(yàn)仿真對(duì)比分析

為驗(yàn)證該位姿控制器的可行性，選取某煤礦巷道小直徑TBM轉(zhuǎn)彎段施工掘進(jìn)數(shù)據(jù)與仿真模型得到的結(jié)果進(jìn)行對(duì)比。在小直徑TBM按照擬定路線掘進(jìn)施工過(guò)程中，刀盤(pán)上下左右四個(gè)方位布置的角位移傳感器與位移傳感器能夠?qū)崟r(shí)檢測(cè)TBM刀盤(pán)的傾覆角與橫擺角等位姿狀態(tài)，同時(shí)，刀盤(pán)推進(jìn)液壓缸上布置有位移與壓力傳感器，用于實(shí)時(shí)反饋各推進(jìn)缸的伸出位移與壓力變化。使用PLC控制器將傳感器采集到的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為真實(shí)的物理量，并在主控室上位機(jī)上顯示。同時(shí)，這些數(shù)據(jù)被儲(chǔ)存在上位機(jī)中，供主司機(jī)使用以根據(jù)信息控制和調(diào)整設(shè)備掘進(jìn)參數(shù)。

將煤礦巷道預(yù)先擬定的期望傾覆角變化數(shù)據(jù)導(dǎo)入本文搭建的小直徑TBM位姿控制器中，在ADAMS動(dòng)力學(xué)模型中注入該巷道掘進(jìn)前期收集記錄的負(fù)載壓力、速度、位移數(shù)據(jù)作為工況參數(shù)，通過(guò)聯(lián)合仿真輸出TBM掘進(jìn)過(guò)程中傾覆角仿真變化數(shù)據(jù)，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行插值擬合處理生成控制器仿真傾覆角變化曲線，并與TBM掘進(jìn)該煤礦運(yùn)輸巷時(shí)采樣得到的實(shí)際TBM傾覆角數(shù)據(jù)曲線進(jìn)行對(duì)比分析，仿真與實(shí)際傾覆角隨時(shí)間變化曲線如圖12所示。

圖12 仿真與實(shí)際傾覆角變化曲線

由圖12可知，經(jīng)過(guò)控制器調(diào)控后的TBM傾覆角與擬定的傾覆角變化更貼合，且控制過(guò)程傾覆角變化無(wú)較大的波動(dòng)與突變，控制效果相較于人為操控更平穩(wěn)、更具有實(shí)時(shí)性，能夠較好地為主司機(jī)提供掘進(jìn)軌跡預(yù)測(cè)參數(shù)，以實(shí)現(xiàn)TBM位姿輔助控制的作用效果。

6 結(jié) 論

1)依托煤礦瓦斯抽采巷需求，建立了小直徑TBM動(dòng)力學(xué)仿真模型與推進(jìn)液壓系統(tǒng)仿真模型，并建立數(shù)據(jù)交換接口，實(shí)現(xiàn)了TBM機(jī)-液聯(lián)合仿真模型的建立。

2)將TBM掘進(jìn)路線拆解為三種類(lèi)型，分別對(duì)直線、圓曲線和緩和曲線時(shí)TBM的x、y、z位置坐標(biāo)與傾覆角α、橫擺角β進(jìn)行參數(shù)化表征，以用于TBM的位姿控制。

3)搭建了基于主從分區(qū)速度控制方法的PID控制器，利用TBM機(jī)-液聯(lián)合仿真模型分別對(duì)主分區(qū)缸組(上分區(qū))進(jìn)行速度控制，以?xún)A覆角和橫擺角為控制目標(biāo)對(duì)其余三組缸分別進(jìn)行PID控制調(diào)節(jié)。仿真結(jié)果表明TBM位姿角在3.2 s左右穩(wěn)定，且在期望值附近上下波動(dòng)，傾覆角與橫擺角穩(wěn)定情況下波動(dòng)幅值均在1.0×10-5rad以下，該P(yáng)ID控制器對(duì)小直徑TBM位姿控制效果良好。

4)本研究針對(duì)煤礦瓦斯抽采巷進(jìn)行小直徑TBM轉(zhuǎn)彎位姿控制研究，瓦斯抽采巷多側(cè)重于豎直方向傾覆角位姿控制，該控制方法同樣可以推廣至小直徑TBM在俯仰與橫擺等多種形式轉(zhuǎn)彎位姿控制工況下應(yīng)用。