盾构机液压及控制技术要点
1 典型的电液控制系统
盾构掘进机传递功率大(一般超过1000kW)、运动复杂，要求控制精度高、安装空间小，并且工作环境恶劣。
近年迅速发展的电液控制(系统)技术，综合利用电子技术在信号检测、放大、处理和传输方面的优势和液压在功率转换放大和执行上的优势，已经成了盾构动力传递和控制的首选。典型的电液控制系统如图1-4所示。
盾构掘进过程与位姿控制、地面沉降控制、测控导向和衬砌等是盾构机液压系统的技术要点。
2 密封舱压力动态平衡的控制
地面沉降的主要原因是密封舱压力失衡。人们正深入研究分析掘进系统中各子系统的控制机理及其关联耦合关系，建立掘进系统的以密封舱压力动态平衡为目标的控制模型，在此基础上对液压系统采用先进的控制策略，自动控制密封舱压力，使地面沉降达到控制精度要求。
3 掘进系统的协调控制
为实现密封舱压力的高精、高效控制，掘进系统必须采用多子系统的协调控制策略，以最优的方式控制各了系统的运动，使控制变量进行全过程的实时调整和优化。分析盾构机各子系统之间的耦合关系及控制参数与密封舱压力变化之间的映射关系，研究在冗余输入和多维过约束条件下，实现以密封舱压力平衡为目标的非线性强耦合掘进控制系统的协调控制，是盾构机液压控制所面临的重大技术难题。
4 运动轨迹的动态规划与位姿控制
盾构机的位姿可用其偏离设计轴线的位置和夹角来描述，通过控制推进系统的液压缸来实现位姿控制。对于盾构机位姿控制的研究，日本走在了世界前列，发表了较多相关研究成果。SAKAI等于1987年建立了位姿的自回归预测控制模型。IMAI等设计了一种位姿控制系统，通过检测系统测量的位姿数据，控制系统自动选择液压缸的开一关模式，以此来控制盾构机的位置和角度。SAKAI等提出了在复杂地质环境下，盾构机行为以及方向的控制方法。针对盾构机控制的特点，国内学者李惠平等提出了一种“先分后合”的模糊控制器的设计方法，这一方法可以大大减少控制规则的数量，从而极大地减少了确定这些规则的工作量，而且使控制器的性能易于调节。国内学者周奇才等提出了盾构位姿的智能化控制方法，引入模糊控制理论，根据自动测量系统测得的实时偏差量，通过模糊控制器得出千斤顶纠偏控制量，最后，综合推估推力和纠偏推力，实现盾构推进姿态的自动控制。
深入分析盾构机位姿的影响因素，建立盾构机的位姿控制模型，在此基础上研究盾构机在非完整欠驱动约束条件下位姿的全局可控和小时间局部可控性，以及最优姿态控制律的求取等，都是实现位姿自动控制所要解决的至关重要的问题；同时，研究盾构掘进过程运动目标轨迹的实时多目标优化算法，实现掘进过程运动轨迹的动态规划，也是实现盾构机位姿以及轨迹跟踪自动控制的重要基础。
5 管片的自动拼装
早期的管片拼装由熟练技工进行手工作业，但手工作业存在着许多的弊端，严重影响施工质量。因此，世界各国都希望在管片拼装作业中引入自动化技术。
1988年，日本最早使用管片自动化拼装设备。随着自动拼装机器人的引入，管片自动化拼装技术得到了迅速发展。为了实现高精度的管片自动拼装，有人提出了采用激光裂隙照明小断面的方法和数字伺服控制技术。针对盾构掘进系统的管片拼装控制，有人提出了一个任务导向力控制系统，并且设计了任务导向的坐标系统，最后给出了具有液压执行机构的并联机器人的混合动力控制算法，试验证明该系统是有效。国际隧道协会制定了各种隧道管片拼装的设计准则，为了实现管片的粗定位和姿态在三个运动方向上微调，国内学者钱晓刚等开发了一种6自由度混联机构的管片拼装机，整体机构串联中间包含一个2自由度五杆机构，分析了正运动学和逆运动学方程，并通过数值仿真验证了其正确性。国内学者赵志杰等基于通用管片与盾构隧道设计轴线的儿何特征，利用多环组合的方法选取通用管片的拼装点位、制定切向纠偏路线，并基于Unigraphics开发了管片的虚拟拼装系统，实现了通用管片三维动态虚拟拼装及拼装偏差报告的输出。
目前，欧洲和日本等国已成功实施了管片的全自动拼装，包括管片的输送、拼装机钳住管片、管片就位、管片接头螺栓的自动穿孔和拧紧等工序的自动化。如BRAKSMA等建立了机器人操纵器的动态模型，利用反馈线性化技术设计了一个关于位置和力的混杂控制器，使机器人操纵器的关联结构具有7自由度，用于管片的支护与拼装工作，实现了高精度、全自动化控制。
6 控制系统的集成与优化
为了实现盾构机推进系统、刀盘系统、排渣系统、管片拼装系统、监控系统等各了系统信息的实时检测、通信和控制，同时考虑到盾构掘进机多驱动源、多组成单元、多执行元件、功率变化大的特点，因此在建立液压控制系统时必须以高性能、低能耗和低成本为目标。
在压力、流量等参数通过机械／液压反馈形成“小闭环”的基础上，土压、推进速度、刀盘转速、出土量等盾构工作参数可以通过电反馈的形式形成“大闭环”，采用适当的控制策略使盾构施工的地面沉降控制、推进速度和方向控制、刀盘切削功率控制等实现智能化。
进一步研究多源液压驱动系统参数、盾构机控制性能和系统效率的相关关系，以及系统控制参数、过程变量与能耗的映射规律等，设计以掘进性能、节能为约束条件，适应不同地质情况的集掘进装备实时检测、信息融合和协调控制于一体的集成优化控制系统，是盾构机液压及控制技术发展的必然趋势。
7 注重节能
盾构掘进机刀盘驱动或推进具有功率大，功率变化范围宽的特点。负载是随断面的土质状况变化的，切削硬岩和切削软土所需的切削力矩及转速的变化很大。如果采用阀控马达的系统形式，系统功率必然按所需的最大功率设计，在遇到欠负载工况时，系统效率低下，大量的功率将通过热的形式耗散，使系统发热严重。采用负载敏感和全局功率自适应的泵控马达／缸系统是解决这一问题的有效途径。
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