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泥水盾构是目前穿越江河隧道工程的首选施工装备,其集开挖、支护、排渣等于一体,大大提高了隧道施工效率。随着交通需求的不断上升,隧道建设正逐步向大埋深、大直径发展。大直径泥水盾构作为跨越江河、海峡的首选装备,将迎来快速发展期。但是大直径泥水盾构施工中地质条件复杂,施工精度要求高,对盾构设计提出了更高的要求。本文根据大直径泥水盾构施工的特点和需求,针对推进系统和泥水平衡系统,通过原理设计、数学建模、理论推导、仿真分析和实验验证相结合的方法开展研究,具体研究如下:第一章,阐述了泥水平衡盾构的相关研究背景及意义,综述了泥水平衡盾构的特点、工作原理及国内外发展概况。从推进系统电液原理及控制、电液控制技术、泥水平衡技术三个方面总结了国内外研究现状,分析了现有研究工作的不足与局限,在此基础上提出了本课题的主要研究内容。第二章,针对大直径泥水盾构的施工特点,提出了比例变量泵、比例伺服阀并联控制推进系统,兼顾了动态性能、控制精度和系统发热、能源消耗。建立了并联控制推进系统压力动态的非线性数学模型,设计了一种基于干扰观测器的并联控制推进系统压力控制器(DOPVPC),将推进系统压力动态中的模型不确定性和干扰进行整合,并通过干扰观测器进行估计、补偿。根据比例变量泵和比例伺服阀的优势特点,并兼顾实际使用过程的可靠性分配两个控制输入量。DOPVPC压力控制器设计基于反步设计法,系统稳定性通过Lyapunov理论证明。仿真和实验结果均表明,本章提出的DOPVPC控制策略可以发挥比例变量泵和比例伺服阀各自的优势,减小系统能耗和发热,提高系统的压力控制响应和精度,对系统中存在的模型不确定性和干扰具有较好的抑制作用。第三章,建立了并联控制推进系统速度动态的非线性数学模型,并在此基础上设计了一种基于径向基神经网络的扩展干扰观测器(RFBFNNEDO)的并联控制推进系统速度控制器(DDOPVVC),以应对大直径泥水盾构施工的复杂多变工况。速度控制器利用RBFNNEDO根据地质勘测和以往施工数据离线重建施工中的负载力,并对系统存在的参数不确定性及干扰进行在线估计、补偿,提高推进系统的速度控制精度。速度控制器设计基于反步设计法,其中压力控制环采用与第二章相同的干扰观测器,并采用与第二章基本相同的控制量分配策略。系统稳定性通过Lyapunov理论证明。仿真和实验结果均表明,本章提出的DDOPVVC控制策略可以发挥比例变量泵和比例伺服阀各自的优势,在减小系统能耗和发热的同时,提高系统的速度控制响应和精度,有效抑制系统中存在的模型不确定性和干扰。第四章,在第三章提出的并联控制推进系统速度控制器(DDOPVVC)的基础上,设计了基于模糊阻抗控制的推进系统压力速度复合控制策略(FIPVCC),以满足在复杂多变地层中隧道的精确施工和安全。FIPVCC控制策略由第三章的DDOPVVC控制器和模糊阻抗控制器组成,DDOPVVC实现速度精确控制,而模糊阻抗控制负责协调推进压力和推进速度。通过模糊规则调整阻抗控制参数,使控制器在复杂多变地层中获得较好的性能。并对FIPVCC控制策略的稳定性进行了分析。仿真和实验结果均表明,本章提出的FIPVCC控制策略可以协调推进压力和推进速度,在未遭遇突变地层时精确跟踪速度指令,在遭遇地层突变后调整推进速度,使推进压力维持在离期望值较近的范围内,保证安全,并且能够在地层恢复后切换回原速度指令。第五章,分析了泥水平衡系统的基本原理,通过建立气压舱动力学模型,将气压舱中泥水与气体组成的系统简化为质量-弹簧-阻尼系统,分析了其特性。通过仿真分析了气压舱在不同泥水初始液位和切口压力下对开挖面水压波动的响应,对泥水初始液位的选择做了分析。建立了泥水平衡系统数学模型,并在此基础上设计了基于双干扰观测器的多输入多输出控制器(DDOC),对系统中存在的干扰进行估计、补偿。仿真结果说明DDOC控制策略有助于泥水平衡系统中泥水液位和切口压力的精确快速控制,有利于维持开挖面的稳定和提高推进系统的性能。第六章,总结了全文的主要研究工作,归纳了研究结论与创新点,并对课题后续研究工作提出了建议与展望。