复杂地质条件下的刀盘驱动系统鲁棒控制与高性能故障诊断研究

The cutterhead driving system (CDS) is one of the core systems of shield tunnel boring machine (TBM). This proposal studies on the motor-driven mode’s cutterhead driving system, and the research focuses on solving the robust control problem and fault diagnosis and detection (FDD) problem of cutterhead driving system under complicated geological conditions. The proposal specific researches on cutterhead speed track (CST) control methods, cutterhead multi-motor torque synchronous (CMTS) methods, and FDD methods based on multiple sensors data feedback and fusion (MSDFF) in the condition of large inertia, strong coupling, and multiple disturbance. First, cutterhead driving system’s kinematics control model (KCM) and multi-axis vibration model (MVM) are established by mechanism analysis and multiple sensors data intelligent fusion through decomposing physical equipments of shield TBM, and it settles the research foundations. Secondly, based on multiple sensors data feedback and fusion mechanisms, it achieves closed-loop mechanism’s cutterhead speed track control and multi-motor torque synchronous via applying multi-loop error fusion and compensation method (MEFCM), then it finally achieve two-layer coordination control (TCC). It achieves high performance’s FDD for cutterhead driving system based on multiple sensors data intelligent fusion by selecting fault characteristic indexes (FCI) via multi-axis vibration model. Finally, the proposed theories and methods could be validated by establishing the cutterhead driving system’s experimental platform.

刀盘驱动系统是盾构掘进机的核心系统之一。本课题针对电机驱动方式的刀盘驱动系统，研究复杂地质条件下的刀盘驱动系统鲁棒控制与故障诊断问题，即研究大惯量、强耦合、多干扰情况下，基于多传感器信息反馈与融合的刀盘转速控制方法、刀盘多电机出力同步方法、刀盘驱动系统故障诊断方法。首先对刀盘驱动系统的物理环节进行划分，基于机理分析与多传感器数据智能融合，建立刀盘驱动系统的运动学模型与多轴振动模型，奠定研究基础。其次，基于多传感器信息反馈与融合机制，采用多回路误差融合与补偿方法，实现闭环机制下的刀盘转速跟踪控制与刀盘多电机出力同步，最终实现刀盘驱动系统的双层协调控制；通过多轴振动模型选定故障特征指标，基于多传感器数据智能融合，实现刀盘驱动系统高性能故障诊断，课题最终通过搭建实验平台验证提出的理论与方法。

盾构掘进机刀盘驱动系统、刀盘液压推进系统、刀盘姿态测量与定位导向系统是盾构掘进机的三大核心系统。我国在盾构掘进机的刀盘驱动技术、刀盘液压推进技术、姿态测量与导向技术等核心技术上的研究与开发相对落后，这些核心技术制约着我国盾构机的独立自主制造水平，成为盾构掘进机技术发展的主要瓶颈。 . 本项目主要对盾构掘进机刀盘驱动系统及其关键技术方面展开了深入研究，主要研究了刀盘驱动系统面临的核心问题：刀盘驱动系统控制问题和刀盘驱动系统状态监测问题。刀盘驱动系统控制问题主要包括：刀盘转速跟踪控制问题、刀盘多电机出力同步问题，刀盘驱动系统状态监测问题的核心问题是刀盘驱动系统振动监测及机械故障诊断问题。针对刀盘驱动系统面临的核心问题，本项目研究并建立了刀盘驱动系统动力学模型和刀盘驱动系统多轴振动模型，提出了刀盘驱动系统总体控制策略，刀盘多电机出力同步策略，刀盘驱动系统机械故障诊断方法。. 针对刀盘多电机出力同步问题，提出了基于PI/PID控制器的单回路误差逐次设计法和多回路误差综合设计法来设计刀盘多电机出力同步控制器，推导出了多回路控制器综合设计法的阶次定理。对于刀盘驱动系统鲁棒控制问题，提出了连续和离散线性系统的区间多项式和区间矩阵鲁棒稳定性判别准则。最终，通过应用MATLAB-Guide用户界面，开发了刀盘驱动系统控制器设计与仿真平台。针对刀盘驱动系统振动监测与故障诊断问题，提出了一种基于刀盘驱动系统多轴振动模型的机械故障诊断方法与故障距离综合判别函数。. 此外本项目还提出了刀盘驱动系统原理样机结构及其控制系统架构，提出了刀盘转速测量方法与模拟刀盘挖掘负载变化方法。通过搭建的刀盘驱动系统原理样机及其控制系统，对提出的刀盘驱动系统总体控制策略和刀盘驱动系统状态监测与故障诊断方法进行实验研究与实验验证，得到了有实际意义的实验结果。这些实验结果表明了本文提出的理论和方法具有较好的可行性与实用性。