盾构纠偏油压输出的自适应控制方法及系统.pdf

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1、(19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请 (10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请号 201910460390.3 (22)申请日 2019.05.30 (71)申请人 上海隧道工程有限公司 地址 200232 上海市徐汇区宛平南路1099 号5楼 (72)发明人 杨宏燕孙连李磊包蓁 (74)专利代理机构 上海唯源专利代理有限公司 31229 代理人 曾耀先 (51)Int.Cl. E21D 9/093(2006.01) E21D 9/00(2006.01) (54)发明名称 盾构纠偏油压输出的自适应控制方法及系 统 (57)摘要 本发明涉及一种盾构纠偏油压输出的。

2、自适 应控制方法及系统， 该方法包括如下步骤： 对盾 构机上的千斤顶进行分区； 依据千斤顶的分区建 立纠偏力矩与各分区千斤顶的纠偏油压的转换 模型； 获取各分区千斤顶的实际油压； 通过所述 转换模型获得对应当前环的纠偏力矩的各分区 千斤顶的纠偏油压， 作为纠偏设定油压； 根据所 获取的各分区千斤顶的实际油压对所述纠偏设 定油压进行自适应处理以得到各分区千斤顶的 纠偏输出油压并输出。 本发明实现了准确地实现 盾构平面力矩与高程力矩解耦和准确地符合切 口高程压力梯度的实际负荷特点， 实现了实际负 载与设定油压自动适应配合的效果， 降低了人工 操作造成的油压设定失误导致的纠偏风险。 权利要求书3页 。

3、说明书16页 附图6页 CN 110067568 A 2019.07.30 CN 110067568 A 1.一种盾构纠偏油压输出的自适应控制方法， 其特征在于， 包括如下步骤： S11： 对盾构机上的千斤顶进行分区以形成顶部分区、 底部分区、 左上腰部分区、 左下腰 部分区、 右上腰部分区和右下腰部分区千斤顶； S12： 依据千斤顶的分区建立纠偏力矩与各分区千斤顶的纠偏油压的转换模型； S13： 获取各分区千斤顶的实际油压； S14： 通过所述转换模型获得对应当前环的纠偏力矩的各分区千斤顶的纠偏油压， 作为 纠偏设定油压； 以及 S15： 根据所获取的各分区千斤顶的实际油压对所述纠偏设定油压。

4、进行自适应处理以 得到各分区千斤顶的纠偏输出油压并输出。 2.如权利要求1所述的盾构纠偏油压输出的自适应控制方法， 其特征在于， 步骤15： 根 据所获取的各分区千斤顶的实际油压对所述纠偏设定油压进行自适应处理以得到各分区 千斤顶的纠偏输出油压并输出， 包括： S151： 计算各分区千斤顶的纠偏设定油压和实际油压的差值， 并得到最大差值； S152： 判断得到的最大差值对应的分区是否为顶部分区或底部分区， 若是， 则将顶部分区和底部分区千斤顶的纠偏设定油压减去最大差值作为纠偏输出油 压并输出， 将左上腰部分区、 左下腰部分区、 右上腰部分区和右下腰部分区千斤顶的纠偏设 定油压加上最大差值的一半。

5、作为纠偏输出油压并输出； 若否， 则将最大差值对应的分区千斤顶的实际油压作为定值反馈给步骤S14中的转换 模型， 以重新计算各分区千斤顶的纠偏设定油压， 并执行步骤S151至步骤S152。 3.如权利要求1所述的盾构纠偏油压输出的自适应控制方法， 其特征在于， 建立纠偏力 矩与各分区千斤顶的纠偏油压的转换模型的步骤， 包括： 建立各分区千斤顶的纠偏油压与纠偏合力的方程式作为方程式一， 所述方程式一为： 方程式一中， F合为纠偏合力， PA为顶部分区的纠偏设定油压， PD为底部分区的纠偏设定 油压， PBF为右上腰部分区和左上腰部分区的纠偏设定油压的均压， PBF(PB+PF)/2， PB为右 。

6、上腰部分区的纠偏设定油压， PF为左上腰部分区的纠偏设定油压， PCE为右下腰部分区和左 下腰部分区的纠偏设定油压的均压， PCE(PC+PE)/2， PC为右下腰部分区的纠偏设定油压， PE 为左下腰部分布的纠偏设定油压， n1为除底部分区外其余分区内的千斤顶的数量， n2为底部 分区的千斤顶的数量， S为千斤顶的活塞面积； 建立高程力矩与各分区千斤顶的纠偏油压的方程式作为方程式二， 所述方程式二为： 方程式二中， Mz为高程力矩， R为盾构中心到千斤顶中心的距离， 1为右上腰部分区的中 心线与水平线的夹角， 2为右下腰部分区的中心线与水平线的夹角； 建立平面力矩与各分区千斤顶的纠偏油压的方。

7、程式作为方程式三， 所述方程式三为： Myn1SRcos 1(PB-PF)+cos 2(PC-PE) 方程式三 方程式三中， My为平面力矩； 权利要求书 1/3 页 2 CN 110067568 A 2 依据各分区千斤顶油压成等比关系建立方程式四， 所述方程式四为： 4.如权利要求3所述的盾构纠偏油压输出的自适应控制方法， 其特征在于， 通过所述转 换模型获得对应当前环的纠偏力矩的各分区的纠偏油压， 作为纠偏设定油压的步骤， 包括： 依据所述当前环的纠偏力矩计算得出平面力矩和高程力矩； 对方程式一至方程式四进行迭代求解以得到各分区的纠偏设定油压。 5.如权利要求1所述的盾构纠偏油压输出的自适。

8、应控制方法， 其特征在于， 还包括： 利用各分区的纠偏输出油压控制各分区的千斤顶的油压。 6.一种盾构纠偏油压输出的自适应控制系统， 其特征在于， 包括： 模型建立单元， 用于对盾构机上的千斤顶进行分区以形成顶部分区、 底部分区、 左上腰 部分区、 左下腰部分区、 右上腰部分区和右下腰部分区千斤顶； 还用于依据千斤顶的分区建 立纠偏力矩与各分区千斤顶的纠偏油压的转换模型； 油压采集单元， 用于获取各分区千斤顶的实际油压； 以及 与所述模型建立单元和所述油压采集单元连接的纠偏油压设定单元， 用于通过所述转 换模型获取对应当前环的纠偏力矩的各分区千斤顶的纠偏油压作为纠偏设定油压； 还用于 根据所述。

9、各分区千斤顶的实际油压对所述纠偏设定油压进行自适应处理以得到各分区千 斤顶的纠偏输出油压并输出。 7.如权利要求6所述的盾构纠偏油压输出的自适应控制系统， 其特征在于， 所述纠偏油 压设定单元包括与所述模型建立单元连接的纠偏油压计算模块、 与所述纠偏油压计算模块 和所述油压采集单元连接的差值计算模块、 与所述差值计算模块连接的判断模块以及与所 述判断模块连接自适应调节模块； 所述纠偏油压计算模块用于通过所述转换模型获取对应当前环的纠偏力矩的各分区 千斤顶的纠偏油压作为纠偏设定油压； 所述差值计算模块用于得出计算各分区千斤顶的纠偏设定油压和实际油压的差值； 所述判断模块用于从所述差值计算模块计算。

10、出的差值中找出最大差值， 并判断最大差 值对应的分区是否为顶部分区或底部分区； 所述自适应调节模块在所述判断模块的判断结果为是时， 将顶部分区和底部分区千斤 顶的纠偏设定油压减去最大差值作为纠偏输出油压并输出， 将左上腰部分区、 左下腰部分 区、 右上腰部分区和右下腰部分区千斤顶的纠偏设定油压加上最大差值的一半作为纠偏输 出油压并输出； 在判断模块的判断结构为否时， 将最大差值对应的分区千斤顶的实际油压 作为定值反馈给纠偏油压计算模块以使其重新计算各分区千斤顶的纠偏设定油压。 8.如权利要求6所述的盾构纠偏油压输出的自适应控制系统， 其特征在于， 所述模型建 立单元包括第一计算模型、 第二计算。

11、模型、 第三计算模型以及第四计算模型； 所述第一计算模型用于建立各分区千斤顶的纠偏油压与纠偏合力的方程式作为方程 式一， 所述方程式一为： 权利要求书 2/3 页 3 CN 110067568 A 3 方程式一中， F合为纠偏合力， PA为顶部分区的纠偏设定油压， PD为底部分区的纠偏设定 油压， PBF为右上腰部分区和左上腰部分区的纠偏设定油压的均压， PBF(PB+PF)/2， PB为右 上腰部分区的纠偏设定油压， PF为左上腰部分区的纠偏设定油压， PCE为右下腰部分区和左 下腰部分区的纠偏设定油压的均压， PCE(PC+PE)/2， PC为右下腰部分区的纠偏设定油压， PE 为左下腰部。

12、分布的纠偏设定油压， n1为除底部分区外其余分区内的千斤顶的数量， n2为底部 分区的千斤顶的数量， S为千斤顶的活塞面积； 所述第二计算模型用于建立高程力矩与各分区千斤顶的纠偏油压的方程式作为方程 式二， 所述方程式二为： 方程式二中， Mz为高程力矩， R为盾构中心到千斤顶中心的距离， 1为右上腰部分区的中 心线与水平线的夹角， 2为右下腰部分区的中心线与水平线的夹角； 所述第三计算模型用于建立平面力矩与各分区千斤顶的纠偏油压的方程式作为方程 式三， 所述方程式三为： Myn1SRcos 1(PB-PF)+cos 2(PC-PE) 方程式三 方程式三中， My为平面力矩； 所述第四计算模型。

13、用于依据各分区千斤顶油压成等比关系建立方程式四， 所述方程式 四为： 9.如权利要求8所述的盾构纠偏油压输出的自适应控制系统， 其特征在于， 所述纠偏油 压设定单元用于依据当前环的纠偏力矩计算得出平面力矩和高程力矩， 并对所述第一计算 模型至所述第四计算模型进行迭代求解以得到各分区的纠偏设定油压。 10.如权利要求6所述的盾构纠偏油压输出的自适应控制系统， 其特征在于， 还包括与 所述纠偏油压设定单元连接的控制单元， 用于利用各分区的纠偏输出油压控制各分区的千 斤顶的油压。 权利要求书 3/3 页 4 CN 110067568 A 4 盾构纠偏油压输出的自适应控制方法及系统 技术领域 0001。

14、 本发明涉及盾构施工工程领域， 特指一种盾构纠偏油压输出的自适应控制方法及 系统。 背景技术 0002 隧道施工纠偏的目标是使隧道施工轴线尽可能接近隧道设计轴线(DTA)。 实际隧 道施工轴线一般在质量控制范围内呈 “蛇” 形接近DTA。 现有技术是人工操作盾构纠偏， 人工 纠偏控制分区油压策略的原则是 “勤纠缓纠” ， 实际上是一种以实际分区油压反复试凑的方 法。 人工纠偏中操作者的经验水平决定了 “蛇” 形振幅和频率。 在盾构纠偏控制输出环节人 工纠偏存在如下技术难点： 0003 一、 无法准确实现盾构平面力矩与高程力矩的解耦。 盾构机上的千斤顶， 因兼顾隧 道轴线埋深的压力梯度， 通常设。

15、置为下半部的千斤顶数量大于上半部的千斤顶数量， 在调 整顶部和底部的千斤顶时， 能够实现调节千斤顶的高程力矩而不影响平面力矩， 但在调整 两侧部的千斤顶时， 其在调节平面力矩时很难避免影响高程力矩， 所以人工调节千斤顶的 油压时， 很难准确的实现调节平面力矩而避免对高程力矩的影响。 0004 二、 无法准确符合切口高程压力梯度的实际负荷特点。 掘进油压设定值应符合盾 构切口的高程土体压力梯度特点， 但人工纠偏操作较难准确判断盾构切口高程实际土体压 力梯度。 0005 三、 无法准确实现实际负载与设定油压配合的问题， 油压设定值是分区溢流阀的 限值， 当实际阻力负荷超过设定值时溢流阀卸荷， 油压。

16、上不去； 当实际阻力小于设定值时， 当前油压反映的是实际阻力负荷。 因此推进油压设定值未必是实际力矩。 当某区设定油压 长时间大于该区负载时， 设定纠偏力矩与实际纠偏力矩的差异过大实质上是一种操作性扰 动因素。 0006 人工纠偏很难准确判断上述技术难点， 往往在调整当前姿态的过程的同时可能隐 含了产生新的扰动因素， 并会随工况逐步显现。 这种状况周而复始， 很难保持盾构纠偏的稳 定性。 0007 隧道施工轴线的所谓 “蛇” 形振幅和频率的效果取决于操作人员的实际工作经验 和能力， 因此， 人工纠偏的质量控制效果具有一定的离散性。 发明内容 0008 本发明的目的在于克服现有技术的缺陷， 提供。

17、一种盾构纠偏油压输出的自适应控 制方法及系统， 解决现有的人工纠偏存在的无法准确实现盾构平面力矩与高程力矩的解 耦、 无法准确符合切口高程压力梯度的实际负荷特点及无法准确实现实际负载与设定油压 配合的问题所带来的盾构纠偏稳定性差和盾构纠偏质量控制效果具有一定离散型的问题。 0009 实现上述目的的技术方案是： 0010 本发明提供了一种盾构纠偏油压输出的自适应控制方法， 包括如下步骤： 说明书 1/16 页 5 CN 110067568 A 5 0011 S11： 对盾构机上的千斤顶进行分区以形成顶部分区、 底部分区、 左上腰部分区、 左 下腰部分区、 右上腰部分区和右下腰部分区千斤顶； 00。

18、12 S12： 依据千斤顶的分区建立纠偏力矩与各分区千斤顶的纠偏油压的转换模型； 0013 S13： 获取各分区千斤顶的实际油压； 0014 S14： 通过所述转换模型获得对应当前环的纠偏力矩的各分区千斤顶的纠偏油压， 作为纠偏设定油压； 以及 0015 S15： 根据所获取的各分区千斤顶的实际油压对所述纠偏设定油压进行自适应处 理以得到各分区千斤顶的纠偏输出油压并输出。 0016 本发明的自适应控制方法通过千斤顶的分区建立了纠偏力矩与各分区千斤顶的 纠偏油压的转换模型， 所建立的转换模型可准确地实现盾构平面力矩与高程力矩解耦和准 确地符合切口高程压力梯度的实际负荷特点， 克服了人工经验无法达。

19、到的准确性。 在纠偏 设定油压输出前， 利用实际油压对纠偏设定油压进行自适应处理， 实现了实际负载与设定 油压自动适应配合的效果， 降低了人工操作造成的油压设定失误导致的纠偏风险。 0017 本发明盾构纠偏油压输出的自适应控制方法的进一步改进在于， 步骤15： 根据所 获取的各分区千斤顶的实际油压对所述纠偏设定油压进行自适应处理以得到各分区千斤 顶的纠偏输出油压并输出， 包括： 0018 S151： 计算各分区千斤顶的纠偏设定油压和实际油压的差值， 并得到最大差值； 0019 S152： 判断得到的最大差值对应的分区是否为顶部分区或底部分区， 0020 若是， 则将顶部分区和底部分区千斤顶的纠。

20、偏设定油压减去最大差值作为纠偏输 出油压并输出， 将左上腰部分区、 左下腰部分区、 右上腰部分区和右下腰部分区千斤顶的纠 偏设定油压加上最大差值的一半作为纠偏输出油压并输出； 0021 若否， 则将最大差值对应的分区千斤顶的实际油压作为定值反馈给步骤S14中的 转换模型， 以重新计算各分区千斤顶的纠偏设定油压， 并执行步骤S151至步骤S152。 0022 本发明盾构纠偏油压输出的自适应控制方法的进一步改进在于， 建立纠偏力矩与 各分区千斤顶的纠偏油压的转换模型的步骤， 包括： 0023 建立各分区千斤顶的纠偏油压与纠偏合力的方程式作为方程式一， 所述方程式一 为： 0024 0025 方程式。

21、一中， F合为纠偏合力， PA为顶部分区的纠偏设定油压， PD为底部分区的纠偏 设定油压， PBF为右上腰部分区和左上腰部分区的纠偏设定油压的均压， PBF(PB+PF)/2， PB 为右上腰部分区的纠偏设定油压， PF为左上腰部分区的纠偏设定油压， PCE为右下腰部分区 和左下腰部分区的纠偏设定油压的均压， PCE(PC+PE)/2， PC为右下腰部分区的纠偏设定油 压， PE为左下腰部分布的纠偏设定油压， n1为除底部分区外其余分区内的千斤顶的数量， n2 为底部分区的千斤顶的数量， S为千斤顶的活塞面积； 0026 建立高程力矩与各分区千斤顶的纠偏油压的方程式作为方程式二， 所述方程式二。

22、 为： 说明书 2/16 页 6 CN 110067568 A 6 0027 0028 方程式二中， Mz为高程力矩， R为盾构中心到千斤顶中心的距离， 1为右上腰部分区 的中心线与水平线的夹角， 2为右下腰部分区的中心线与水平线的夹角； 0029 建立平面力矩与各分区千斤顶的纠偏油压的方程式作为方程式三， 所述方程式三 为： 0030 Myn1SRcos 1(PB-PF)+cos 2(PC-PE) 方程式三 0031 方程式三中， My为平面力矩； 0032 依据各分区千斤顶油压成等比关系建立方程式四， 所述方程式四为： 0033 0034 本发明盾构纠偏油压输出的自适应控制方法的进一步改进。

23、在于， 通过所述转换模 型获得对应当前环的纠偏力矩的各分区的纠偏油压， 作为纠偏设定油压的步骤， 包括： 0035 依据所述当前环的纠偏力矩计算得出平面力矩和高程力矩； 0036 对方程式一至方程式四进行迭代求解以得到各分区的纠偏设定油压。 0037 本发明盾构纠偏油压输出的自适应控制方法的进一步改进在于， 还包括： 0038 利用各分区的纠偏输出油压控制各分区的千斤顶的油压。 0039 本发明还提供了一种盾构纠偏油压输出的自适应控制系统， 包括： 0040 模型建立单元， 用于对盾构机上的千斤顶进行分区以形成顶部分区、 底部分区、 左 上腰部分区、 左下腰部分区、 右上腰部分区和右下腰部分区。

24、千斤顶； 还用于依据千斤顶的分 区建立纠偏力矩与各分区千斤顶的纠偏油压的转换模型； 0041 油压采集单元， 用于获取各分区千斤顶的实际油压； 以及 0042 与所述模型建立单元和所述油压采集单元连接的纠偏油压设定单元， 用于通过所 述转换模型获取对应当前环的纠偏力矩的各分区千斤顶的纠偏油压作为纠偏设定油压； 还 用于根据所述各分区千斤顶的实际油压对所述纠偏设定油压进行自适应处理以得到各分 区千斤顶的纠偏输出油压并输出。 0043 本发明盾构纠偏油压输出的自适应控制系统的进一步改进在于， 所述纠偏油压设 定单元包括与所述模型建立单元连接的纠偏油压计算模块、 与所述纠偏油压计算模块和所 述油压采。

25、集单元连接的差值计算模块、 与所述差值计算模块连接的判断模块以及与所述判 断模块连接自适应调节模块； 0044 所述纠偏油压计算模块用于通过所述转换模型获取对应当前环的纠偏力矩的各 分区千斤顶的纠偏油压作为纠偏设定油压； 0045 所述差值计算模块用于得出计算各分区千斤顶的纠偏设定油压和实际油压的差 值； 0046 所述判断模块用于从所述差值计算模块计算出的差值中找出最大差值， 并判断最 大差值对应的分区是否为顶部分区或底部分区； 说明书 3/16 页 7 CN 110067568 A 7 0047 所述自适应调节模块在所述判断模块的判断结果为是时， 将顶部分区和底部分区 千斤顶的纠偏设定油压。

26、减去最大差值作为纠偏输出油压并输出， 将左上腰部分区、 左下腰 部分区、 右上腰部分区和右下腰部分区千斤顶的纠偏设定油压加上最大差值的一半作为纠 偏输出油压并输出； 在判断模块的判断结构为否时， 将最大差值对应的分区千斤顶的实际 油压作为定值反馈给纠偏油压计算模块以使其重新计算各分区千斤顶的纠偏设定油压。 0048 本发明盾构纠偏油压输出的自适应控制系统的进一步改进在于， 所述模型建立单 元包括第一计算模型、 第二计算模型、 第三计算模型以及第四计算模型； 0049 所述第一计算模型用于建立各分区千斤顶的纠偏油压与纠偏合力的方程式作为 方程式一， 所述方程式一为： 0050 0051 方程式一。

27、中， F合为纠偏合力， PA为顶部分区的纠偏设定油压， PD为底部分区的纠偏 设定油压， PBF为右上腰部分区和左上腰部分区的纠偏设定油压的均压， PBF(PB+PF)/2， PB 为右上腰部分区的纠偏设定油压， PF为左上腰部分区的纠偏设定油压， PCE为右下腰部分区 和左下腰部分区的纠偏设定油压的均压， PCE(PC+PE)/2， PC为右下腰部分区的纠偏设定油 压， PE为左下腰部分布的纠偏设定油压， n1为除底部分区外其余分区内的千斤顶的数量， n2 为底部分区的千斤顶的数量， S为千斤顶的活塞面积； 0052 所述第二计算模型用于建立高程力矩与各分区千斤顶的纠偏油压的方程式作为 方程。

28、式二， 所述方程式二为： 0053 0054 方程式二中， Mz为高程力矩， R为盾构中心到千斤顶中心的距离， 1为右上腰部分区 的中心线与水平线的夹角， 2为右下腰部分区的中心线与水平线的夹角； 0055 所述第三计算模型用于建立平面力矩与各分区千斤顶的纠偏油压的方程式作为 方程式三， 所述方程式三为： 0056 Myn1SRcos 1(PB-PF)+cos 2(PC-PE) 方程式三 0057 方程式三中， My为平面力矩； 0058 所述第四计算模型用于依据各分区千斤顶油压成等比关系建立方程式四， 所述方 程式四为： 0059 0060 本发明盾构纠偏油压输出的自适应控制系统的进一步改进。

29、在于， 所述纠偏油压设 定单元用于依据当前环的纠偏力矩计算得出平面力矩和高程力矩， 并对所述第一计算模型 至所述第四计算模型进行迭代求解以得到各分区的纠偏设定油压。 0061 本发明盾构纠偏油压输出的自适应控制系统的进一步改进在于， 还包括与所述纠 说明书 4/16 页 8 CN 110067568 A 8 偏油压设定单元连接的控制单元， 用于利用各分区的纠偏输出油压控制各分区的千斤顶的 油压。 附图说明 0062 图1为本发明盾构纠偏油压输出的自适应控制方法中的流程图。 0063 图2为本发明盾构纠偏油压输出的自适应控制方法及系统中的千斤顶分区的示意 图。 0064 图3为本发明盾构纠偏油压。

30、输出的自适应控制方法及系统中各分区千斤顶的油压 与埋深的比例关系图。 0065 图4为本发明盾构纠偏油压输出的自适应控制方法及系统中各分区千斤顶的分布 简图。 0066 图5为本发明千斤顶纠偏力矩与千斤顶行程差角的关系表达式的回归图。 0067 图6为本发明千斤顶实际行程差角值与千斤顶实际力矩值的非线性关系图。 0068 图7为本发明计算千斤顶行程差角的示意图。 0069 图8为本发明计算纠偏距离时YOX坐标系的结构示意图。 0070 图9为本发明计算纠偏距离时XOZ坐标系的结构示意图。 具体实施方式 0071 下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明。 0072 参阅图1， 本发明提供了。

31、一种盾构纠偏油压输出的自适应控制方法及系统， 用于解 决隧道施工轴线的 “蛇” 行振幅和频率的效果取决于操作人员的实际工作经验和能力， 使得 纠偏质量控制效果具有一定的离散性。 本发明的自适应控制方法及系统可实现平面力矩和 高程力矩的自动解耦， 实现符合切口高程土体负荷梯度特点的分区推力自动分配， 实现实 际负载与设定油压自动适应配合效果， 降低人工操作造成的油压设定失误导致的纠偏风 险。 本发明解决了控制油压特点和切口土质流动性差异特点的控制难题， 是实现人工智能 盾构纠偏的技术基础之一。 下面结合附图对本发明盾构纠偏油压输出的自适应控制方法及 系统进行说明。 0073 本发明的盾构纠偏油压。

32、输出的自适应控制系统包括模型建立单元、 油压采集单元 以及纠偏油压设定单元， 纠偏油压设定单元与模型建立单元和油压采集单元连接； 0074 其中的模型建立单元用于对盾构机上的千斤顶进行分区以形成顶部分区、 底部分 区、 左上腰部分区、 左下腰部分区、 右上腰部分区和右下腰部分区千斤顶； 还用于依据千斤 顶的分区建立纠偏力矩与各分区千斤顶的纠偏油压的转换模型； 如图2所示， 对盾构机截面 按顺时针方向划分出六个区域， 分别为区域A至区域F， 相应地， 区域A为顶部分区， 区域D为 底部分区， 区域B为右上腰部分区， 区域C为右下腰部分区， 区域F为左上腰部分区， 区域E为 左下腰部分区， 划分的。

33、六个区域呈对称分布。 在划分各区时， 令区域D内的千斤顶数量多于 其余区域内的千斤顶的数量， 以抵抗底部区域较大的土体压力， 能够确保盾构机保持平稳 的掘进。 以19组千斤顶为例， 区域D内的千斤顶数量为4组， 其余区域内的千斤顶数量均为3 组。 0075 油压采集单元， 用于获取各分区千斤顶的实际油压； 在盾构机推进的过程中， 盾构 说明书 5/16 页 9 CN 110067568 A 9 机的PLC会实时记录盾构机上千斤顶的油压， 油压采集单元可与盾构机的PLC连接， 从盾构 机的PLC处获取各分区千斤顶的实际油压； 或者在各分区千斤顶处安装压力传感器， 利用压 力传感器实时检测各千斤顶。

34、的油压， 并发送给油压采集单元。 0076 纠偏油压设定单元， 用于通过转换模型获取对应当前环的纠偏力矩的各分区千斤 顶的纠偏油压作为纠偏设定油压； 还用于根据各分区千斤顶的实际油压对纠偏设定油压进 行自适应处理以得到各分区千斤顶的纠偏输出油压并输出。 纠偏油压设定单元在计算各分 区千斤顶的纠偏油压时， 读取转换模型并根据已知的纠偏力矩计算处对应的各分区千斤顶 的纠偏油压作为纠偏设定油压， 而后纠偏油压设定单元对应得到纠偏设定油压根据实际油 压进行自适应处理， 因实际油压反应了实际负载， 故而利用实际油压进行自适应处理， 可实 现实际负载与设定油压自动适应配合的效果。 0077 作为本发明的一。

35、较佳实施方式， 纠偏油压设定单元包括与模型建立单元连接的纠 偏油压计算模块、 与纠偏油压计算模块和油压采集单元连接的差值计算模块、 与差值计算 模块连接的判断模块以及与判断模块连接自适应调节模块； 0078 纠偏油压计算模块用于通过转换模型获取对应当前环的纠偏力矩的各分区千斤 顶的纠偏油压作为纠偏设定油压； 0079 差值计算模块用于得出计算各分区千斤顶的纠偏设定油压和实际油压的差值； 0080 判断模块用于从差值计算模块计算出的差值中找出最大差值， 并判断最大差值对 应的分区是否为顶部分区或底部分区； 0081 自适应调节模块在判断模块的判断结果为是时， 将顶部分区和底部分区千斤顶的 纠偏设。

36、定油压减去最大差值作为纠偏输出油压并输出， 将左上腰部分区、 左下腰部分区、 右 上腰部分区和右下腰部分区千斤顶的纠偏设定油压加上最大差值的一半作为纠偏输出油 压并输出； 在判断模块的判断结构为否时， 将最大差值对应的分区千斤顶的实际油压作为 定值反馈给纠偏油压计算模块以使其重新计算各分区千斤顶的纠偏设定油压。 在纠偏油压 计算模块计算出行的纠偏设定油压后， 差值计算模块、 判断模块和自适应调节模块对新的 纠偏设定油压进行重新计算， 直至得到各分区千斤顶纠偏输出油压并输出为止。 0082 纠偏油压计算模块、 差值计算模块、 判断模块以及自适应调节模块形成了一个计 算循环， 在得出的最大差值对应。

37、的分区为左上腰部分区、 左下腰部分区、 右上腰部分区或右 下腰部分区内时， 反馈该最大差值对应分区的实际油压给纠偏油压计算模块， 令其重新计 算纠偏设定油压， 实现了利用实际油压对纠偏设定油压不断地进行自适应处理， 直至最大 差值对应的分区为顶部分区或底部分区为止。 如此才输出各分区的纠偏输出油压， 最大差 值落在顶部分区或底部分区时， 能够不影响平面力矩， 在输出各分区的纠偏输出油压时， 将 顶部分区和底部分区的油压降低(即利用顶部分区和底部分区的纠偏设定油压减去最大差 值)， 将腰部千斤顶的油压增加(即利用左上腰部分区、 左下腰部分区、 右上腰部分区或右下 腰部分区的纠偏设定油压加上最大差。

38、值的一半)， 这样做达到了在总推力不便的情况下， 顶 部和底部分区的千斤顶的油压降低， 两侧的千斤顶的油压均匀增加， 使得千斤顶的顶推力 不收敛， 具有均匀发散的特点， 并提高了推进过程的稳定性。 0083 进一步地， 模型建立单元包括第一计算模型、 第二计算模型、 第三计算模型以及第 四计算模型； 0084 其中第一计算模型用于建立各分区千斤顶的纠偏油压与纠偏合力的方程式作为 说明书 6/16 页 10 CN 110067568 A 10 方程式一， 方程式一为： 0085 0086 方程式一中， F合为纠偏合力， PA为顶部分区的纠偏设定油压， PD为底部分区的纠偏 设定油压， PBF为右。

39、上腰部分区和左上腰部分区的纠偏设定油压的均压， PBF(PB+PF)/2， PB 为右上腰部分区的纠偏设定油压， PF为左上腰部分区的纠偏设定油压， PCE为右下腰部分区 和左下腰部分区的纠偏设定油压的均压， PCE(PC+PE)/2， PC为右下腰部分区的纠偏设定油 压， PE为左下腰部分布的纠偏设定油压， n1为除底部分区外其余分区内的千斤顶的数量， n2 为底部分区的千斤顶的数量， S为千斤顶的活塞面积； 以19组千斤顶为例， 其中的n1为3， n2为 4。 方程式一依据合力矩计算公式推导而来， 合力矩计算公式为FnipiS， 其中的F表示合 力矩， ni表示第i组千斤顶的数量， pi表。

40、示第i组千斤顶的油压， S表示第i组千斤顶的活塞面 积。 0087 第二计算模型用于建立高程力矩与各分区千斤顶的纠偏油压的方程式作为方程 式二， 方程式二为： 0088 0089 方程式二中， Mz为高程力矩， R为盾构中心到千斤顶中心的距离， 1为右上腰部分区 的中心线与水平线的夹角， 2为右下腰部分区的中心线与水平线的夹角； 夹角 1和 2请参见 图4所示； 0090 第三计算模型用于建立平面力矩与各分区千斤顶的纠偏油压的方程式作为方程 式三， 方程式三为： 0091 Myn1SRcos 1(PB-PF)+cos 2(PC-PE) 方程式三 0092 方程式三中， My为平面力矩； 009。

41、3 方程式二和方程式三依据千斤顶的平面力矩计算公式和高程力矩计算公式推导 而来， 平面力矩计算公式为M平nipiS cos i， 高程力矩计算公式为M高nipiS sin i， 其 中的 i为第i组千斤顶对应的圆心角(顺时针方向为正)。 0094 第四计算模型用于依据各分区千斤顶油压成等比关系建立方程式四， 方程式四 为： 0095 0096 如图3所示， 考虑土质压力梯度， 顶部、 上腰部、 下腰部以及底部的千斤顶的油压成 梯形分布， 图3中的h表示深度， P表示油压， 其中的PA为顶部分区千斤顶的油压， PBF为左、 右 上腰部分区千斤顶的油压均值， PCE为左、 右下腰部分区千斤顶的油压。

42、均值， PD为底部分区千 斤顶的油压， 油压分布呈现了从顶部至底部逐渐递增的变化， 由此根据油压的分布可得出 方程式四。 利用方程式四进行油压分布计算时， 能够满足油压的梯形分布， 符合土质压力梯 度， 使得计算得到的各分区千斤顶的油压设定值能够符合切口高程土体符合梯度特点。 说明书 7/16 页 11 CN 110067568 A 11 0097 再进一步地， 纠偏油压设定单元用于依据当前环的纠偏力矩计算得出平面力矩和 高程力矩， 并对第一计算模型至第四计算模型进行迭代求解以得到各分区的纠偏设定油 压。 具体地， 纠偏油压设定单元内的纠偏油压计算模块根据平面力矩计算公式、 高程力矩计 算公式。

43、和合力矩计算公式， 换算出平面力矩和高程力矩与合力矩的关系， 因千斤顶布设的 圆心角已知， 千斤顶通常是沿盾构机的截面均匀布设， 故而根据千斤顶的数量， 可算出各千 斤顶的布设的圆心角， 从而能够根据已知的当前环的纠偏力矩解算出平面力矩和高程力 矩。 纠偏油压计算模块读取第一计算模型至第四计算模型中的四个方程式， 其中的方程式 四有两个方程， 即5个方程6个未知数， 纠偏油压计算模块利用迭代求解， 为其中的一个未知 数设定一个数值， 从而求解出其他的值。 较佳地， 设定一个未知数的数值时， 依据对应的实 际油压来选取。 在自适应调节模块反馈一个实际油压作为定值时， 纠偏计算模块将该定值 作为对。

44、应分区千斤顶的纠偏设定油压， 并计算出其他分区千斤顶的纠偏设定油压。 0098 作为本发明的另一较佳实施方式， 本发明的自适应控制系统还包括与纠偏油压设 定单元连接的控制单元， 用于利用各分区的纠偏输出油压控制各分区的千斤顶的油压。 0099 本发明的自适应控制系统中的当前环的纠偏力矩可由人工输入， 还可由其他系统 或模块发送。 0100 在一较佳实施方式中， 通过一纠偏力矩预测子系统为自适应控制系统提供纠偏力 矩， 该纠偏力矩预测子系统包括实时采集单元、 自学习单元以及预测单元， 实时采集单元与 自学习单元连接， 自学习单元与预测单元连接； 其中实时采集单元用于在盾构掘进施工的 过程中， 实。

45、时获取千斤顶实际力矩值和千斤顶实际行程差角值； 自学习单元读取实时采集 单元获取的千斤顶实际力矩值和千斤顶实际行程差角值， 利用实时获取的千斤顶实际力矩 值和千斤顶实际行程差角值求解出对应的千斤顶纠偏力矩与千斤顶行程差角的关系表达 式； 预测单元用于接收输入的当前环的千斤顶行程差角预测值， 将该千斤顶行程差角预测 值代入到千斤顶纠偏力矩与千斤顶行程差角的关系表达式中， 得出对应的千斤顶纠偏力矩 值作为当前环的千斤顶纠偏力矩预测值。 该当前环的千斤顶纠偏力矩预测值发送给自适应 控制系统作为当前环的纠偏力矩。 0101 进一步地， 实时采集单元包括行程差角计算模块； 行程差角计算模块通过如下步 骤。

46、计算千斤顶实际行程差角： 0102 第一步： 计算各千斤顶行程传感器位置空间坐标(xi,yi,zi)： 0103 xili 0104 yiRsin i 0105 ziRcos i 0106 其中： li是千斤顶行程传感器的长度， i是千斤顶所在圆对应的圆周角， i是千斤顶 序列号， R是千斤顶所在圆的半径； 0107 第二步： 解下列三元一次方程： 0108 0109 其中， 说明书 8/16 页 12 CN 110067568 A 12 0110 0111 a12a21xiyi,a13a31xizi,a32a23ziyi, 0112 c1xi,c2yi,c3zi, 0113 解得 0114 。

47、0115 0116 0117 第三步： 计算千斤顶投影和坐标轴的夹角： 0118 0119 其中： y是平面方向的行程差角， z是高程方向的行程差角。 0120 千斤顶顶撑在盾构机和管片之间， 千斤顶的顶推可推动盾构机向前移动， 在隧道 施工的设计轴线为曲线或者前后两环盾构姿态发生偏转的情况下， 左右两侧的千斤顶的行 程就会不同， 从而使得前后两环管片环的千斤顶产生了行程差角。 0121 较佳地， 第一采集模块和第二采集模块与盾构机的PLC连接， 从盾构机的PLC直接 读取所需的施工数据。 或者在各千斤顶处安装距离传感器， 测量各千斤顶的移动距离， 从而 可得出行程差； 第二采集模块所需的呈圆。

48、周布置的千斤顶之间过盾构轴线的直径根据盾构 机的尺寸及型号可确定， 可预先将该呈圆周布置的千斤顶之间过盾构轴线的直径输入到第 二采集模块内。 0122 进一步地， 实时采集模块还包括推力采集模块和与推力采集模块连接的力矩计算 模块； 推力采集模块用于获取各千斤顶的推力值； 力矩计算模块用于依据各千斤顶的推力 值计算出各千斤顶的力矩值并求和得到千斤顶实际力矩值。 较佳地， 推力采集模块与盾构 机的PLC连接， 从盾构机的PLC直接读取到各千斤顶的推理值； 或者在各千斤顶处安装压力 传感器， 用于实时检测各千斤顶的顶推力。 力矩计算模块在计算各千斤顶的力矩值时， 需知 晓各千斤顶的力臂大小， 而各。

49、千斤顶的力臂由千斤顶的设置位置可知， 该力臂可预先输入 到力矩计算模块内。 0123 该纠偏力矩预测子系统还包括与实时采集单元和自学习单元连接的数据表， 该数 据表用于成对的存储千斤顶实际力矩值和千斤顶实际行程差角值， 实时采集单元和自学习 单元依据先进先出规则对数据表中的数据进行存储和读取。 其中的实时采集单元依据设定 的采样环数采集最近的实际施工数据， 即千斤顶实际力矩值和千斤顶实际行程差角值， 较 佳地， 采样环数设定为3环， 即采集距当前施工管片环最近的已经施工好的三环管片的施工 数据， 这样依据实时采样的周期可得到采集数据的总数据量， 数据表的存储量依据该总数 据量建立。 0124 。

50、自学习单元包括与数据表连接的第一计算模块和与第一计算模块连接的第二计 算模块， 该第一计算模块从数据表中读取千斤顶实际力矩值和千斤顶实际行程差角值， 并 说明书 9/16 页 13 CN 110067568 A 13 代入到式二中求解出a0和a1的值， 式二为： 0125 0126 式二中， yi为千斤顶实际力矩值， n为采样环数， xi的取值为千斤顶实际行程差角 值； 第一计算模块将计算出的a0和a1的值发送给第二计算模块； 0127 第二计算模块接收第一计算模块求解出的a0和a1的值， 并代入式一中得到千斤顶 纠偏力矩与千斤顶行程差角的关系表达式， 式一为： 0128 yja0+a1xi 。