本發(fā)明涉及盾構(gòu)機(jī)，具體為一種盾構(gòu)機(jī)刀盤驅(qū)動系統(tǒng)的控制方法。

背景技術(shù)：

1、盾構(gòu)機(jī)刀盤驅(qū)動系統(tǒng)的主要功能是提供刀盤旋轉(zhuǎn)和推進(jìn)的動力，刀盤驅(qū)動系統(tǒng)通過合理的功率分配和動態(tài)控制，平衡切削過程中的轉(zhuǎn)矩變化，確保刀盤在開挖過程中不會發(fā)生失穩(wěn)，通過控制刀盤的轉(zhuǎn)速和扭矩應(yīng)對不同的土壤和巖石特性，保證盾構(gòu)機(jī)適應(yīng)性和有效性，精確的控制可以實時監(jiān)測刀盤的工作狀態(tài)，及時發(fā)現(xiàn)異常情況，如過載、溫度升高等，降低事故風(fēng)險，確保設(shè)備及作業(yè)人員的安全。

2、盡管目前刀盤驅(qū)動控制系統(tǒng)具備基本的監(jiān)測功能，但故障診斷依賴于手動檢查與事后分析，無法實現(xiàn)實時監(jiān)控和自主故障預(yù)警，延誤了應(yīng)急處理的時機(jī)，降低了盾構(gòu)機(jī)的工作效率。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、(一)解決的技術(shù)問題

2、針對現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明提供了一種盾構(gòu)機(jī)刀盤驅(qū)動系統(tǒng)的控制方法，具備通過傳感器收集刀盤驅(qū)動系統(tǒng)的數(shù)據(jù)，包括刀盤轉(zhuǎn)速、盾構(gòu)機(jī)推進(jìn)力、電機(jī)的電流和功率、刀具磨損狀態(tài)、土壤濕度、土壤密度、電機(jī)的溫度和振動數(shù)據(jù)，對上述采集數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波，對濾波后數(shù)據(jù)進(jìn)行時間序列分析，計算趨勢與均值，根據(jù)上述處理與計算的數(shù)據(jù)實時調(diào)整刀盤的工作狀態(tài)，計算刀盤推進(jìn)力與刀盤轉(zhuǎn)速，并通過公式預(yù)測刀盤溫度變化，計算控制誤差，對誤差進(jìn)行pid控制調(diào)整輸出，對誤差進(jìn)行控制后，對刀盤轉(zhuǎn)速、扭矩與溫度參數(shù)進(jìn)行閾值監(jiān)測，判斷刀盤驅(qū)動系統(tǒng)的異常情況，出現(xiàn)異常時通過主控系統(tǒng)對刀盤驅(qū)動系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)整優(yōu)化，通過該方法的應(yīng)用彌補(bǔ)了手動檢查刀盤驅(qū)動系統(tǒng)異常的缺陷，對刀盤驅(qū)動系統(tǒng)進(jìn)行實時監(jiān)控與自主預(yù)警異常，及時進(jìn)行系統(tǒng)的故障異常控制修復(fù)，提高了盾構(gòu)機(jī)的工作效率等優(yōu)點，解決了上述問題。

3、(二)技術(shù)方案

4、為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供如下技術(shù)方案：一種盾構(gòu)機(jī)刀盤驅(qū)動系統(tǒng)的控制方法，包括以下步驟：

5、s1、通過傳感器收集刀盤驅(qū)動系統(tǒng)的刀盤轉(zhuǎn)速數(shù)據(jù)、盾構(gòu)機(jī)推進(jìn)力數(shù)據(jù)、電機(jī)的電流和功率數(shù)據(jù)、刀具磨損狀態(tài)數(shù)據(jù)、土壤濕度數(shù)據(jù)、土壤密度數(shù)據(jù)、電機(jī)的溫度和振動數(shù)據(jù)；

6、s2、對s1中采集的所有數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波，對濾波后數(shù)據(jù)進(jìn)行時間序列分析并計算處理后的數(shù)據(jù)趨勢與均值；

7、s3、根據(jù)上述處理與計算的數(shù)據(jù)實時調(diào)整刀盤的工作狀態(tài)，計算刀盤推進(jìn)力與刀盤轉(zhuǎn)速，并預(yù)測刀盤溫度變化；

8、s4、根據(jù)系統(tǒng)期望達(dá)到的目標(biāo)與實際測量的過程變量計算控制誤差，對誤差進(jìn)行pid控制調(diào)整輸出；

9、s5、對誤差進(jìn)行控制后，對刀盤轉(zhuǎn)速、扭矩與溫度參數(shù)進(jìn)行閾值監(jiān)測，判斷刀盤驅(qū)動系統(tǒng)的異常情況，出現(xiàn)異常時通過主控系統(tǒng)對刀盤驅(qū)動系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)整優(yōu)化。

10、優(yōu)選的，所述s2對采集數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波的公式如下所示：

11、

12、公式中，smat,a表示時刻t的移動平均，n表示濾波窗口大小，xt-i表示原始數(shù)據(jù)，i表示數(shù)據(jù)計數(shù)下標(biāo)，下標(biāo)a指代采集的刀盤驅(qū)動系統(tǒng)的刀盤轉(zhuǎn)速數(shù)據(jù)、盾構(gòu)機(jī)推進(jìn)力數(shù)據(jù)、電機(jī)的電流和功率數(shù)據(jù)、刀具磨損狀態(tài)數(shù)據(jù)、土壤濕度數(shù)據(jù)、土壤密度數(shù)據(jù)、電機(jī)的溫度和振動數(shù)據(jù)，表示對采集的數(shù)據(jù)從第一個數(shù)據(jù)到第n-1個數(shù)據(jù)進(jìn)行求和，并除以濾波窗口的選定大小n，得到濾波后的數(shù)據(jù)。

13、優(yōu)選的，所述s2對濾波后數(shù)據(jù)進(jìn)行時間序列分析，計算數(shù)據(jù)均值的公式如下所示：

14、

15、公式中，jx表示數(shù)據(jù)均值，m表示數(shù)據(jù)點的總數(shù)，kci表示第i個數(shù)據(jù)點，i表示數(shù)據(jù)計數(shù)下標(biāo)，表示對濾波后的數(shù)據(jù)從第一個數(shù)據(jù)到第m個數(shù)據(jù)進(jìn)行求和，并除以數(shù)據(jù)點的總數(shù)m得到所求數(shù)據(jù)的均值，d表示采集的刀盤驅(qū)動系統(tǒng)的刀盤轉(zhuǎn)速數(shù)據(jù)、盾構(gòu)機(jī)推進(jìn)力數(shù)據(jù)、電機(jī)的電流和功率數(shù)據(jù)、刀具磨損狀態(tài)數(shù)據(jù)、土壤濕度數(shù)據(jù)、土壤密度數(shù)據(jù)、電機(jī)的溫度和振動數(shù)據(jù)。

16、優(yōu)選的，所述s2對濾波后的數(shù)據(jù)進(jìn)行趨勢分析，公式如下所示：

17、ya＝m*x+b

18、公式中，ya表示數(shù)據(jù)因變量，m表示斜率，x表示數(shù)據(jù)自變量，b表示截距，反映了趨勢的方向和強(qiáng)度。

19、優(yōu)選的，所述s3根據(jù)上述處理與計算的數(shù)據(jù)實時調(diào)整刀盤的工作狀態(tài)，計算刀盤推進(jìn)力，計算公式如下所示：

20、f＝psxl*jxxl

21、公式中，f表示刀盤推進(jìn)力，psxl表示輸入功率，jxxl表示機(jī)械效率。

22、優(yōu)選的，所述s3根據(jù)上述處理與計算的數(shù)據(jù)實時調(diào)整刀盤的工作狀態(tài)，計算刀盤轉(zhuǎn)速，計算公式如下所示：

23、

24、公式中，dpzs表示刀盤轉(zhuǎn)速，fc表示頻率，pjds表示無量綱極對數(shù)，60表示每分鐘60秒，60*fc表示將產(chǎn)生的轉(zhuǎn)速以轉(zhuǎn)每分鐘為單位。

25、優(yōu)選的，所述s3預(yù)測刀盤溫度變化的公式如下所示：

26、

27、公式中，t(t)表示在時刻t的溫度值，t0表示初始溫度，系統(tǒng)在未受載的基準(zhǔn)溫度，δt表示溫度變化量，t表示溫度變化的持續(xù)時間，tmax表示達(dá)到最大溫度所需的總時間，時間值通過時間戳直接監(jiān)測獲??；

28、δt計算公式如下：

29、

30、公式中，t2表示后一個時刻的溫度值，t1表示前一個時刻的溫度值。

31、優(yōu)選的，所述s4計算控制誤差的公式如下所示：

32、e(t)＝r(t)-y(t)

33、公式中，e(t)表示控制誤差，r(t)表示系統(tǒng)期望達(dá)到的目標(biāo)，y(t)表示實際測量的過程變量。

34、優(yōu)選的，所述s4對誤差進(jìn)行pid控制的公式如下所示：

35、

36、公式中，u(t)表示控制器的輸出，用于調(diào)整系統(tǒng)達(dá)到設(shè)定的目標(biāo)值，e(t)表示控制誤差，ki表示積分增益，∫e(t)dt表示誤差的積分，用于獲得過去一段時間內(nèi)誤差的累計值，大于零的積分會隨著時間逐漸增加，強(qiáng)化控制作用，kd表示微分增益，決定了控制系統(tǒng)對誤差變化速率的響應(yīng)程度，它預(yù)測未來的誤差變化，如果誤差快速增大，微分項會產(chǎn)生一個反向控制輸出，從而減少系統(tǒng)過沖，表示誤差的導(dǎo)數(shù)，即誤差隨時間的變化速率，這個項用于減緩系統(tǒng)動態(tài)反應(yīng)，防止過度調(diào)整。

37、優(yōu)選的，所述s5對刀盤轉(zhuǎn)速、扭矩與溫度參數(shù)進(jìn)行閾值監(jiān)測，判斷刀盤驅(qū)動系統(tǒng)的異常情況，判斷方式如下所示：

38、當(dāng)?shù)侗P轉(zhuǎn)速超過刀盤轉(zhuǎn)速閾值，刀盤扭矩超過刀盤扭矩閾值，刀盤溫度超過刀盤溫度閾值時，此時刀盤驅(qū)動系統(tǒng)主動預(yù)警異常，主控系統(tǒng)發(fā)出優(yōu)化控制指令至刀盤驅(qū)動系統(tǒng)進(jìn)行系統(tǒng)控制優(yōu)化。

39、與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明提供了一種盾構(gòu)機(jī)刀盤驅(qū)動系統(tǒng)的控制方法，具備以下有益效果：

40、本發(fā)明通過傳感器收集刀盤驅(qū)動系統(tǒng)的數(shù)據(jù)，包括刀盤轉(zhuǎn)速、盾構(gòu)機(jī)推進(jìn)力、電機(jī)的電流和功率、刀具磨損狀態(tài)、土壤濕度、土壤密度、電機(jī)的溫度和振動數(shù)據(jù)，對上述采集數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波，對濾波后數(shù)據(jù)進(jìn)行時間序列分析，計算趨勢與均值，根據(jù)上述處理與計算的數(shù)據(jù)實時調(diào)整刀盤的工作狀態(tài)，計算刀盤推進(jìn)力與刀盤轉(zhuǎn)速，并通過公式預(yù)測刀盤溫度變化，計算控制誤差，對誤差進(jìn)行pid控制調(diào)整輸出，對誤差進(jìn)行控制后，對刀盤轉(zhuǎn)速、扭矩與溫度參數(shù)進(jìn)行閾值監(jiān)測，判斷刀盤驅(qū)動系統(tǒng)的異常情況，出現(xiàn)異常時通過主控系統(tǒng)對刀盤驅(qū)動系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)整優(yōu)化，通過該方法的應(yīng)用彌補(bǔ)了手動檢查刀盤驅(qū)動系統(tǒng)異常的缺陷，對刀盤驅(qū)動系統(tǒng)進(jìn)行實時監(jiān)控與自主預(yù)警異常，及時進(jìn)行系統(tǒng)的故障異常控制修復(fù)，提高了盾構(gòu)機(jī)的工作效率。