1  典型的電液控制系統(tǒng)

盾構掘進機傳遞功率大(一般超過1000kW)、運動復雜，要求控制精度高、安裝空間小，并且工作環(huán)境惡劣。

近年迅速發(fā)展的電液控制(系統(tǒng))技術，綜合利用電子技術在信號檢測、放大、處理和傳輸方面的優(yōu)勢和液壓在功率轉換放大和執(zhí)行上的優(yōu)勢，已經成了盾構動力傳遞和控制的。典型的電液控制系統(tǒng)如圖1-4所示。

    盾構掘進過程與位姿控制、地面沉降控制、測控導向和襯砌等是盾構機液壓系統(tǒng)的技術要點。

  2  密封艙壓力動態(tài)平衡的控制

    地面沉降的主要原因是密封艙壓力失衡。人們正深入研究分析掘進系統(tǒng)中各子系統(tǒng)的控制機理及其關聯(lián)耦合關系，建立掘進系統(tǒng)的以密封艙壓力動態(tài)平衡為目標的控制模型，在此基礎上對液壓系統(tǒng)采用*的控制策略，自動控制密封艙壓力，使地面沉降達到控制精度要求。

    3  掘進系統(tǒng)的協(xié)調控制

    為實現(xiàn)密封艙壓力的高精、高效控制，掘進系統(tǒng)必須采用多子系統(tǒng)的協(xié)調控制策略，方式控制各了系統(tǒng)的運動，使控制變量進行全過程的實時調整和優(yōu)化。分析盾構機各子系統(tǒng)之間的耦合關系及控制參數(shù)與密封艙壓力變化之間的映射關系，研究在冗余輸入和多維過約束條件下，實現(xiàn)以密封艙壓力平衡為目標的非線性強耦合掘進控制系統(tǒng)的協(xié)調控制，是盾構機液壓控制所面臨的重大技術難題。

    4  運動軌跡的動態(tài)規(guī)劃與位姿控制

盾構機的位姿可用其偏離設計軸線的位置和夾角來描述，通過控制推進系統(tǒng)的液壓缸來實現(xiàn)位姿控制。對于盾構機位姿控制的研究，日本走在了世界前列，發(fā)表了較多相關研究成果。SAKAI等于1987年建立了位姿的自回歸預測控制模型。IMAI等設計了一種位姿控制系統(tǒng)，通過檢測系統(tǒng)測量的位姿數(shù)據，控制系統(tǒng)自動選擇液壓缸的開一關模式，以此來控制盾構機的位置和角度。SAKAI等提出了在復雜地質環(huán)境下，盾構機行為以及方向的控制方法。針對盾構機控制的特點，國內學者李惠平等提出了一種“先分后合”的模糊控制器的設計方法，這一方法可以大大減少控制規(guī)則的數(shù)量，從而極大地減少了確定這些規(guī)則的工作量，而且使控制器的性能易于調節(jié)。國內學者周奇才等提出了盾構位姿的智能化控制方法，引入模糊控制理論，根據自動測量系統(tǒng)測得的實時偏差量，通過模糊控制器得出千斤頂糾偏控制量，后，綜合推估推力和糾偏推力，實現(xiàn)盾構推進姿態(tài)的自動控制。

深入分析盾構機位姿的影響因素，建立盾構機的位姿控制模型，在此基礎上研究盾構機在非完整欠驅動約束條件下位姿的全局可控和小時間局部可控性，姿態(tài)控制律的求取等，都是實現(xiàn)位姿自動控制所要解決的至關重要的問題；同時，研究盾構掘進過程運動目標軌跡的實時多目標優(yōu)化算法，實現(xiàn)掘進過程運動軌跡的動態(tài)規(guī)劃，也是實現(xiàn)盾構機位姿以及軌跡跟蹤自動控制的重要基礎。

    5  管片的自動拼裝

早期的管片拼裝由熟練技工進行手工作業(yè)，但手工作業(yè)存在著許多的弊端，嚴重影響施工質量。因此，世界各國都希望在管片拼裝作業(yè)中引入自動化技術。

1988年，日本早使用管片自動化拼裝設備。隨著自動拼裝機器人的引入，管片自動化拼裝技術得到了迅速發(fā)展。為了實現(xiàn)高精度的管片自動拼裝，有人提出了采用激光裂隙照明小斷面的方法和數(shù)字伺服控制技術。針對盾構掘進系統(tǒng)的管片拼裝控制，有人提出了一個任務導向力控制系統(tǒng)，并且設計了任務導向的坐標系統(tǒng)，后給出了具有液壓執(zhí)行機構的并聯(lián)機器人的混合動力控制算法，試驗證明該系統(tǒng)是有效。隧道協(xié)會制定了各種隧道管片拼裝的設計準則，為了實現(xiàn)管片的粗定位和姿態(tài)在三個運動方向上微調，國內學者錢曉剛等開發(fā)了一種6自由度混聯(lián)機構的管片拼裝機，整體機構串聯(lián)中間包含一個2自由度五桿機構，分析了正運動學和逆運動學方程，并通過數(shù)值仿真驗證了其正確性。國內學者趙志杰等基于通用管片與盾構隧道設計軸線的兒何特征，利用多環(huán)組合的方法選取通用管片的拼裝點位、制定切向糾偏路線，并基于Unigraphics開發(fā)了管片的虛擬拼裝系統(tǒng)，實現(xiàn)了通用管片三維動態(tài)虛擬拼裝及拼裝偏差報告的輸出。

目前，歐洲和日本等國已成功實施了管片的全自動拼裝，包括管片的輸送、拼裝機鉗住管片、管片就位、管片接頭螺栓的自動穿孔和擰緊等工序的自動化。如BRAKSMA等建立了機器人操縱器的動態(tài)模型，利用反饋線性化技術設計了一個關于位置和力的混雜控制器，使機器人操縱器的關聯(lián)結構具有7自由度，用于管片的支護與拼裝工作，實現(xiàn)了高精度、全自動化控制。

    6  控制系統(tǒng)的集成與優(yōu)化

為了實現(xiàn)盾構機推進系統(tǒng)、刀盤系統(tǒng)、排渣系統(tǒng)、管片拼裝系統(tǒng)、監(jiān)控系統(tǒng)等各了系統(tǒng)信息的實時檢測、通信和控制，同時考慮到盾構掘進機多驅動源、多組成單元、多執(zhí)行元件、功率變化大的特點，因此在建立液壓控制系統(tǒng)時必須以高性能、低能耗和低成本為目標。

在壓力、流量等參數(shù)通過機械／液壓反饋形成“小閉環(huán)”的基礎上，土壓、推進速度、刀盤轉速、出土量等盾構工作參數(shù)可以通過電反饋的形式形成“大閉環(huán)”，采用適當?shù)目刂撇呗允苟軜嬍┕さ牡孛娉两悼刂啤⑼七M速度和方向控制、刀盤切削功率控制等實現(xiàn)智能化。

進一步研究多源液壓驅動系統(tǒng)參數(shù)、盾構機控制性能和系統(tǒng)效率的相關關系，以及系統(tǒng)控制參數(shù)、過程變量與能耗的映射規(guī)律等，設計以掘進性能、節(jié)能為約束條件，適應不同地質情況的集掘進裝備實時檢測、信息融合和協(xié)調控制于一體的集成優(yōu)化控制系統(tǒng)，是盾構機液壓及控制技術發(fā)展的必然趨勢。

7  注重節(jié)能

盾構掘進機刀盤驅動或推進具有功率大，功率變化范圍寬的特點。負載是隨斷面的土質狀況變化的，切削硬巖和切削軟土所需的切削力矩及轉速的變化很大。如果采用閥控馬達的系統(tǒng)形式，系統(tǒng)功率必然按所需的大功率設計，在遇到欠負載工況時，系統(tǒng)效率低下，大量的功率將通過熱的形式耗散，使系統(tǒng)發(fā)熱嚴重。采用負載敏感和全局功率自適應的泵控馬達／缸系統(tǒng)是解決這一問題的有效途徑。