利用虚拟轨迹对地下掘进机掘进方向进行自动控制的方法.pdf

本发明公开了一种利用虚拟轨迹对地下掘进机掘进方向进行自动控制的方法，其建立的控制目标是由纠偏控制器根据当前掘进机位置和状态与设计轴线间的误差以及工况条件而给出的虚拟轨迹，该纠偏控制器由虚拟轨迹和掘进机轴线误差导出方向误差和方向误差变化量值，并以此作为输入，经模糊控制处理得到并输出纠偏信号。该方法可使掘进机方向的控制效果达到地下隧道纠偏线型具有渐近性、纠偏过程具有缓慢性的要求，从而保证隧道工程施工质量，减小施工轴线偏差。本发明适用于对具有切口压力平衡功能的地下掘进机在各种工况下的掘进方向进行自动控制。

1、  一种利用虚拟轨迹对地下掘进机掘进方向进行自动控制的方法，首先由姿态检测系统测出当前掘进机及其纠偏执行机构的位置和状态参数，然后纠偏控制器根据所输入的上述位置和状态参数以及设定的控制目标运算并输出纠偏信号，最后执行机构接收和执行该纠偏信号而实现掘进机掘进方向向设计轴线的逼近，其特征在于：所述控制目标是由纠偏控制器根据当前掘进机位置和状态与设计轴线间的误差以及工况条件而给出的虚拟轨迹，所述纠偏控制器由虚拟轨迹和掘进机轴线误差导出方向误差和方向误差变化量值，并以此作为输入，经模糊控制处理得到并输出纠偏信号。

2、  根据权利要求1所述的利用虚拟轨迹对地下掘进机掘进方向进行自动控制的方法，其特征在于：所述虚拟轨迹由纠偏控制器经由下列步骤而得到：
(1)接收姿态检测系统测量后输入的当前掘进机的位置和状态参数，并且根据该参数计算出掘进机轴线相对于设计轴线的误差e；
(2)根据掘进机设备状况确定纠偏灵敏度系数k₁，
根据管片或管节状况确定拼装变化梯度系数k₂，
根据土质环境确定土质系数k₃，
设定工程质量标准的轴线允差值a，
并且由下列计算式得出工况条件常数k：
k＝k₁k₂k₃；
(3)由下列计算式得出虚拟轨迹值S：
S＝a^(1+k)|e|^-k    (|e|＜a)。

3、  根据权利要求1或2所述的利用虚拟轨迹对地下掘进机掘进方向进行自动控制的方法，其特征在于：所述方向误差和方向误差变化的量值在纠偏控制器中经由下列步骤而生成：
(1)根据姿态检测系统测量的掘进机的位置和状态参数算出当前控制周期的误差e_i、前一控制周期的误差e_i-1、前二控制周期的误差e_i-2和虚拟轨迹上作为当前控制周期的控制目标的设定值t_i+1；
(2)由下列计算式得出方向误差E和方向误差变化EC：
E＝(t_i+1-e_i)-(e_i-e_i-1)，
EC＝(e_i-e_i-1)-(e_i-1-e_i-2)。

4、  根据权利要求1所述的利用虚拟轨迹对地下掘进机掘进方向进行自动控制的方法，其特征在于：所述姿态检测系统包括有设于隧道内的激光经纬仪、设于掘进机上的激光位置检测仪、倾斜仪和设于纠偏千斤顶上的位移传感器；所述执行机构包括有过程逻辑控制器和设置有电磁阀的纠偏千斤顶。

5、  根据权利要求4所述的利用虚拟轨迹对地下掘进机掘进方向进行自动控制的方法，其特征在于：所述过程逻辑控制器用于将倾斜仪、纠偏千斤顶的位移传感器所检测的信号传送给纠偏控制器以及将纠偏控制器给出的纠偏信号经数模转换处理后传送给控制纠偏千斤顶油缸的电磁阀。

6、  根据权利要求1所述的利用虚拟轨迹对地下掘进机掘进方向进行自动控制的方法，其特征在于：所述纠偏控制器中存储有设计轴线的数据。

利用虚拟轨迹对地下掘进机掘进方向进行自动控制的方法
技术领域：
本发明涉及隧道施工掘进机的控制，特别是涉及一种对地下掘进机掘进方向进行自动控制的方法。
背景技术：
地下掘进机(包括盾构和顶管机)是集机械、电气、土木、测量、控制等技术为一体的非开挖地下施工设备，主要用于城市的地下铁道、地下公路、上水道、下水道、电力电缆等隧道的施工。
在掘进机地下作业的过程中，掘进机的运动轨迹将基本形成地下隧道的施工轴线，实际的隧道施工轴线往往是一条随机波动的曲线。在实际工程中需要采用各种控制方法使隧道的施工轴线尽量接近或达到设计轴线，因为施工轴线误差过大将影响隧道工程质量，如果是地下交通隧道，施工轴线误差过大还将导致修改隧道线型，否则就会影响地下道路建成后的交通安全。
掘进方向控制的目标是减少掘进机施工轴线对设计轴线的偏差至最小，其控制过程是根据测量和计算出的当前掘进机施工轴线误差给出本控制周期的纠偏量，在施工过程的各控制周期中连续实时地进行纠偏控制，从而使施工轴线逼近设计轴线。在工程施工中，纠偏率不仅仅与施工轴线误差有关，实际上其还受到各种工况条件的限制：由于隧道衬切(管片或管节)是预制件，纠偏率过大将形成隧道衬切间的夹角，从而影响隧道衬切之间密封条的止水效果，严重时会在隧道衬切间发生漏水事故；此外由于一般的掘进机呈圆柱形且有一定的长度，纠偏率过大会导致掘进方向的突变，从而增加地下建筑空隙，严重时会引起土体稳定和地表沉降；另外，土质环境状况、掘进机设备本身的灵敏度等因素也对纠偏率有一定影响。因此，掘进方向控制应该遵循“缓慢渐近”的原则，即纠偏线型应具有渐近性、纠偏过程应具有缓慢性，换言之，掘进机的掘进方向控制应使掘进机轴线在若干控制周期中逐步实现对设计轴线的逼近，或者说，在单个控制周期中纠偏率不可过大。
目前，在实际工程中主要采用人工方法控制掘进机方向来控制隧道的施工轴线。尽管在实际操作中可以通过提高测量技术来改善掘进机姿态测量的实时性和准确性，通过采取“勤测勤纠”的施工措施来提高对掘进机方向控制的及时性，但是由于操作者的实际经验、生理状态、精神状况等诸因素的影响，人工控制方法往往会产生纠偏质量控制的离散性问题，因而降低施工轴线对设计轴线的逼近效果和工程施工质量。
自上世纪八十年代开始，基于自动控制理论的发展，人们开始以模糊控制理论指导地下掘进机方向自动控制的研究。日本在研究和应用掘进机方向自动控制技术方面起步较早。日本藤田株式会社研制的具有自动控制功能的盾构于1994年申请了公开号为CN1108349的《盾构设备》中国发明专利，其方向自动控制是以模糊控制原理为基础的。日本Isaki公司1991年在美国申请了专利号为719941的《一种按既定轨迹控制行走机构运动的方法与系统》发明专利，其基本原理是用模糊控制策略控制顶管掘进机的施工轴线方向，使之按既定的设计轨迹前进。国内在掘进机方向自动控制研究方面，同济大学李惠平在2000年3月发表了《盾构推进过程中姿态的模糊自动控制系统研究》的博士生论文，但无验证其控制效果的工程实例。
目前应用模糊控制策略控制地下掘进机掘进方向的一般方法是：首先由包括倾斜仪、经纬仪、激光位置检测仪、纠偏千斤顶位移传感器组成的姿态检测系统测出当前掘进机及其纠偏执行机构的位置和状态参数；然后纠偏控制器以设计轴线为设定的控制目标与所输入的位置状态参数进行比较，计算出当前掘进机施工轴线偏离设计轴线的误差e_i及其与上一控制周期误差e_i-1相比的误差变化de_i；再将当前误差e_i和误差变化de_i作为模糊控制的输入，纠偏控制器运算并输出纠偏信号；最后由包括过程逻辑控制器(PLC)和纠偏千斤顶的执行机构执行该纠偏信号而实现掘进机掘进方向向设计轴线的逼近。
由上可知，现有技术将设计轴线直接设定为当前控制目标。然而当掘进机施工轴线对设计轴线的偏差较大时，由于受各种工况条件的影响(如土质、设备等)而造成的实际控制结果的不确定性，掘进机容易产生前进方向的突变，而这种突变就会降低隧道衬切之间的连接质量甚至引发漏水事故，同时影响地下建筑空隙及其注浆量，甚至引起土体稳定和地表沉降，总之不能满足“缓慢渐近”的要求，从而降低工程质量。
另外，现有技术中将当前误差e_i和误差变化de_i作为模糊控制的输入，其中误差变化de_i可以反映掘进机的前进方向，但是这些输入量均不能反映掘进机前进方向的变化。事实上掘进机前进方向的变化反映了掘进机纠偏的力学特征，试验研究表明：掘进机方向纠偏控制不仅与向量误差和向量误差变化有关，而且与向量加速度有关，而掘进机纠偏作用是通过调整掘进机前进方向的变化来实现地。而更为重要的是，掘进机方向控制不仅与轴线误差和轴线误差变化有关，而且与掘进机设备性能、土质环境状态、砌衬拼装工艺条件等各种工况因素有关，但是由模糊控制二维表组成的模糊策略无法综合反映这些工程工艺条件，也很难将人工控制的经验整合进来。
因此，现有的掘进机掘进方向的模糊纠偏控制不能适应各种不同的工况条件，无法达到纠偏线型渐近性和纠偏过程缓慢性的要求，难以保证施工轴线对设计轴线的逼近效果和工程施工质量。
发明内容：
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种利用虚拟轨迹对地下掘进机掘进方向进行自动控制的方法，其以由当前掘进机轴线误差和工况条件而构成的虚拟轨迹为控制目标，以方向误差和方向误差变化量值作为模糊控制输入，经处理得到并输出纠偏信号。该方法可使掘进机方向的控制效果达到地下隧道纠偏线型具有渐近性、纠偏过程具有缓慢性的要求，从而保证隧道工程施工质量，减小施工轴线偏差。
为了达到上述目的，本发明采取了如下技术方案：
一种利用虚拟轨迹对地下掘进机掘进方向进行自动控制的方法，首先由姿态检测系统测出当前掘进机及其纠偏执行机构的位置和状态参数，然后纠偏控制器根据所输入的上述位置和状态参数以及设定的控制目标运算并输出纠偏信号，最后执行机构接收和执行该纠偏信号而实现掘进机掘进方向向设计轴线的逼近，其特征在于：所述控制目标是由纠偏控制器根据当前掘进机位置和状态与设计轴线间的误差以及工况条件而给出的虚拟轨迹，所述纠偏控制器由虚拟轨迹和掘进机轴线误差导出方向误差和方向误差变化量值，并以此作为输入，经模糊控制处理得到并输出纠偏信号。
本发明所述的利用虚拟轨迹对地下掘进机掘进方向进行自动控制的方法中的虚拟轨迹由纠偏控制器经由下列步骤而得到：
(1)接收姿态检测系统测量后输入的当前掘进机的位置和状态参数，并且根据该参数计算出掘进机轴线相对于设计轴线的误差e；
(2)根据掘进机设备状况确定纠偏灵敏度系数k₁，
根据管片或管节状况确定拼装变化梯度系数k₂，
根据土质环境确定土质系数k₃，
设定工程质量标准的轴线允差值a，
并且由下列计算式得出工况条件常数k：
k＝k₁k₂k₃；
(3)由下列计算式得出虚拟轨迹值S：
S＝a^(1+k)|e|^-k    (|e|＜a)。
本发明所述方向误差和方向误差变化的量值在纠偏控制器中经由下列步骤而生成：
(1)根据姿态检测系统测量的掘进机的位置和状态参数算出当前控制周期的误差e_i、前一控制周期的误差e_i-1、前二控制周期的误差e_i-2和虚拟轨迹上作为当前控制周期的控制目标的设定值t_i+1；
(2)由下列计算式得出方向误差E和方向误差变化EC：
E＝(t_i+1-e_i)-(e_i-e_i-1)，
EC＝(e_i-e_i-1)-(e_i-1-e_i-2)。
本发明所述姿态检测系统包括有设于隧道内的激光经纬仪、设于掘进机上的激光位置检测仪、倾斜仪和设于纠偏千斤顶上的位移传感器；所述执行机构包括有过程逻辑控制器和设置有电磁阀的纠偏千斤顶，该过程逻辑控制器用于将倾斜仪、纠偏千斤顶的位移传感器所检测的信号传送给纠偏控制器以及将纠偏控制器给出的纠偏信号经数模转换处理后传送给控制纠偏千斤顶油缸的电磁阀；所述纠偏控制器中存储有设计轴线的数据。
与现有技术相比较，本发明所建立的虚拟轨迹不仅考虑了当前的掘进机轴线误差，而且还综合考虑了设备状况、施工作业、土质环境、质量标准等工况条件，因此解决了现有技术中一般模糊控制无法克服的难题，使本发明所述方法能适应各种施工条件，其纠偏控制能更符合工程实际；并且本发明以虚拟轨迹替代设计轴线作为当前控制目标，因而对于任一误差，不论误差有多大，在虚拟轨迹上决定的下一控制周期的目标值与该误差的距离很近，换句话说，在一个控制周期内系统要改变的控制量较小，因此避免了纠偏量过大及其导致的掘进方向突变问题，也就避免了由其引起的一系列工程质量问题；另外本发明的模糊控制以方向误差和方向误差变化量值替代位置误差作为输入量，其更确切地反映了掘进机前进方向的变化和表征了掘进方向纠偏的力学特征，使模糊控制的输出能通过若干控制周期跟踪虚拟轨迹上的目标值，实现施工轴线在时间上以缓慢的方式、在轨迹上以渐近的形态逐步达到设计轴线。因此，本发明所述的利用虚拟轨迹对地下掘进机掘进方向进行自动控制的方法实质上是将一般模糊控制策略难以综合反映的对工况条件的适应问题前置在控制目标设定步骤中解决，建立虚拟轨迹作为当前的控制目标，从而满足地下隧道纠偏线型渐近性、控制过程缓慢性的要求，保证了隧道工程施工质量，减小了施工轴线误差。
附图说明：
图1是本发明的控制装置系统示意图。
图2是本发明的控制原理图。
图3是本发明的虚拟轨迹示意图。
具体实施方式：
下面结合具体实施例和附图对本发明作进一步详细说明。
首先请参阅图1本发明的控制装置系统示意图。在应用本发明所述的利用虚拟轨迹对地下掘进机掘进方向进行自动控制的方法的过程中，所涉及的控制装置系统(即硬件配置)如图1所示，其由姿态检测系统、纠偏控制器3和执行机构三大部分组成。该姿态检测系统用于测量当前掘进机及其纠偏执行机构的位置和状态参数，其包括有激光经纬仪1(或者全站仪)、激光位置检测仪2、倾斜仪4和位移传感器5。所述激光经纬仪1设置在隧道内，其内的激光源可发出激光检测光束；所述激光位置检测仪2和倾斜仪4设置在掘进机上，该激光位置检测仪2可接收激光经纬仪1发出的检测光束并据之测出当前掘进机的位置参数，该倾斜仪4可检测当前掘进机的倾斜角和旋转角等姿态参数；所述位移传感器5有若干个且分别设置在掘进机的各纠偏千斤顶上，其可测出各纠偏千斤顶的位置和状态参数。
所述执行机构用于接收和执行纠偏信号，并驱动和改变掘进机的动作，以实现掘进方向对设计轴线的逼近，其包括有过程逻辑控制器6和纠偏千斤顶7。该纠偏千斤顶7用于改变掘进机的掘进方向，其附设有起控制作用的电磁阀；该过程逻辑控制器6用于接收倾斜仪4和位移传感器5所检测的信号并传送给纠偏控制器3，以及将纠偏控制器3给出的纠偏信号经数模转换处理后传送给控制纠偏千斤顶7的油缸的电磁阀。
所述纠偏控制器3中存储有隧道设计轴线的数据，其用于接收来自激光经纬仪1、激光位置检测仪2和过程逻辑控制器6的关于系统位置和状态参数的信号，并根据该信号以及设定的控制目标进行运算得到纠偏信号，然后向过程逻辑控制器6输出该纠偏信号并进而驱动纠偏千斤顶7以实现掘进机方向的纠偏。
本发明所述的利用虚拟轨迹对地下掘进机掘进方向进行自动控制的方法用于在掘进机进行地下隧道掘进时，对其掘进方向进行实时控制。在掘进作业过程中该方法是通过依次实施下列步骤来实现的，其原理可参考图2：
1、由激光经纬仪1和激光位置检测仪2检测出掘进机当前位置的参数并输入纠偏控制器3，由倾斜仪4检测出掘进机当前姿态(倾斜角、旋转角)的参数并通过过程逻辑控制器6输入纠偏控制器3，由位移传感器5分别测出各纠偏千斤顶7的状态并通过过程逻辑控制器6输入纠偏控制器3。
2、将设计轴线的数据存储入纠偏控制器3，在纠偏控制器3内经过下列步骤构建虚拟轨迹S，并将该虚拟轨迹S设定为当前控制目标：
(1)以人工方式根据掘进机设备状况确定其纠偏灵敏度系数k₁，根据隧道管片或管节状况确定其允许的拼装变化梯度系数k₂，根据土质环境对纠偏的影响确定土质系数k₃，再根据质量验收标准设定工程质量标准的轴线允许偏差值a，并且将上述确定的常数输入纠偏控制器3；
(2)纠偏控制器3接收姿态检测系统测量后输入的当前掘进机的位置和状态参数，并且根据掘进作业开始以来已实现的掘进距离求出当前设计轴线上的空间位置，再将上述的当前掘进机的实际位置参数与设计轴线参数进行比较，从而计算出掘进机轴线当前实际位置偏离设计轴线的误差值e；
(3)在纠偏控制器3内，由下列计算式得出工况条件常数k并进而得出虚拟轨迹值S：
k＝k₁k₂k₃，
S＝a^(1+k)|e|^-k    (|e|＜a)。
该虚拟轨迹的示意图见图3。
3、在纠偏控制器3中经由下列步骤生成方向误差E和方向误差变化EC的数值：
(1)根据姿态检测系统测量的掘进机的位置和状态参数算出当前控制周期的误差e_i、前一控制周期的误差e_i-1、前二控制周期的误差e_i-2；
(2)依下述方法导出虚拟轨迹上作为当前控制周期的控制目标的设定值t_i+1：
将当前实际位置偏离设计轴线的误差值e_i代入虚拟轨迹表达式(S＝a^(1+k)|e_i|^-k)，求出掘进机前进的相对距离S_i；将控制步长dl代入虚拟轨迹表达式，使S_i+dl＝a^(1+k)|dx|^-k，求出dx；当e_i＞0时，使dx＞0；当e_i＜0时，使dx＜0；则当前控制周期的控制目标的设定值为t_i+1＝dx；
(3)由下列计算式得出方向误差E和方向误差变化EC：
E＝(t_i+1-e_i)-(e_i-e_i-1)，
EC＝(e_i-e_i-1)-(e_i-1-e_i-2)。
在上述算式中，各变量在工程上的含义如下：
(t_i+1-e_i)：当前控制周期掘进机期望的前进方向，
(e_i-e_i-1)：当前控制周期掘进机已存在的前进方向，
(e_i-1-e_i-2)：上一控制周期已存在的前进方向，
E：表示当前控制周期需要改变的掘进机方向，即方向误差，若E＜0，则表示需要朝负方向纠偏，反之反然。
EC：表示当前控制周期已存在的掘进机方向误差的变化，反映方向变化趋势。
4、以方向误差E和方向误差变化EC的数值作为输入，在纠偏控制器3中经模糊控制处理得到纠偏信号u，即纠偏向量增量u，并将该纠偏信号u输入过程逻辑控制器6。
5、过程逻辑控制器6将纠偏控制器3给出的纠偏信号u经数模转换处理得到当前纠偏向量X后传送给控制纠偏千斤顶7油缸的电磁阀。
6、纠偏千斤顶7执行纠偏控制，调整纠偏千斤顶7的油压或使用个数，从而驱动掘进机实现掘进方向向设计轴线的逼近。
以下以一实施例具体说明本发明的应用。
实施例：
1、由检测系统所检测到的掘进机位置和姿态的参数以及设计轴线计算出当前控制周期的误差e_i＝23，前一个控制周期的误差e_i-1＝25，前二个控制周期的误差：e_i-2＝28.5。
2、设定工况条件常数k＝1，工程质量标准的轴线允差值a＝50，控制步长dl＝20，可求得当前控制周期的控制目标的设定值t_i+1＝19.4。
3、计算得出：方向误差E＝-1.6，方向误差变化：EC＝1.5；并将E和EC进行模糊量化处理，小数四舍五入，得出e＝-2和ec＝2。
4、将e和ec作为输入进行模糊控制处理，通过查询模糊隶属表：

最后输出纠偏信号，即纠偏向量增量u＝-2。
5、过程逻辑控制器6将纠偏信号进行量化处理得U＝-10，如原纠偏向量Xi输出值为-300，则当前纠偏向量X＝Xi+U＝-300-10＝-310，该值经数模转换处理后传送给控制纠偏千斤顶7油缸的电磁阀。
6、纠偏千斤顶7执行纠偏控制，调整纠偏千斤顶7的油压和使用个数，从而驱动掘进机实现施工轴线对设计轴线的逼近。
综上所述，本发明建立的控制目标是由纠偏控制器根据当前掘进机位置和状态与设计轴线间的误差以及工况条件而给出的虚拟轨迹，该纠偏控制器由虚拟轨迹和掘进机轴线误差导出方向误差和方向误差变化量值，并以此作为输入，经模糊控制处理得到并输出纠偏信号，最后执行机构接收和执行该纠偏信号，从而实现掘进机掘进方向向设计轴线的逼近。所述利用虚拟轨迹对地下掘进机掘进方向进行自动控制的方法可使掘进机方向的控制效果达到地下隧道纠偏线型具有渐近性、纠偏过程具有缓慢性的要求，从而保证隧道工程施工质量，减小施工轴线偏差。本发明可适用于对具有切口压力平衡功能的地下掘进机在各种工况下的掘进方向进行自动控制。