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盾构掘进机是集机械、电气、液压、测量、通讯、控制等学科于一体的专用于地下隧道工程的大型工程机械装备。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。刀盘驱动系统驱动刀盘旋转并切割岩土，实现隧道掘进功能。我国在盾构掘进机的刀盘驱动、刀盘液压推进、姿态测量与导向等关键技术的研究与开发相对落后，这些关键技术制约着我国盾构掘进机的自主制造水平，成为我国盾构技术发展的主要瓶颈。
本文主要对盾构掘进机刀盘驱动系统及其关键技术开展了深入研究，主要研究了刀盘驱动系统需要解决的核心问题: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:刀盘转速跟踪问题、刀盘多电机出力同步问题。刀盘驱动系统状态监测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，本文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。本论文的主要内容和研究工作如下:
第1章，首先对盾构掘进机发展历程和现状进行回顾与展望，总结出了盾构掘进机未来发展方向。重点对刀盘驱动系统、刀盘驱动控制系统的国内外研究现状进行了详细综述和深入分析，归纳出了刀盘驱动系统需要解决的核心问题，引出了本文的研究内容和研究难点，指出了论文研究背景及意义，最后阐述了本论文的主要工作。
第2章，主要是对刀盘驱动系统建模，这是研究与解决刀盘驱动系统核心问题的理论基础。本章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，其中刀盘驱动系统动力学模型包括:刀盘驱动系统非线性动力学模型和线性动力学模型。刀盘驱动系统多轴振动模型包括:非线性多轴一维振动与二维振动模型、线性多轴一维振动与二维振动模型。
第3章，主要对刀盘驱动系统的刀盘转速增益与多轴振动增益分析，并对刀盘驱动系统模型进行仿真。本章主要对刀盘驱动系统线性动力学模型和线性多轴振动模型作静态增益分析，并对部分物理参数:减速比、传动比、装机功率、减振与隔振参数进行最优化设计。建立了刀盘驱动系统仿真平台，通过仿真给出了物理参数对刀盘驱动系统性能影响，得到了一些有实际意义的重要结论。
第4章，作为本文研究刀盘驱动系统核心问题的主要部分，在前面章节支撑下，针对刀盘驱动系统控制问题、刀盘驱动系统状态监测与故障诊断问题提出了相应的解决方法和途径。对于刀盘驱动系统控制问题，提出了刀盘驱动系统总体控制策略。针对刀盘多电机出力同步问题，给出了刀盘多电机出力同步方式，提出了刀盘多电机出力同步策略及鲁棒策略。同时提出了同步误差补偿方法，推导出了刀盘多电机出力同步误差带。
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，给出了多回路误差综合设计法的阶次定理，提出了连续与离散线性系统的区间多项式和区间矩阵稳定性判别准则。提出了刀盘多电机出力同步控制器及其鲁棒控制器设计方法。针对刀盘转速跟踪问题，提出了刀盘转速跟踪控制器及其鲁棒控制器设计方法。开发了基于MATLAB-Guide用户界面的刀盘驱动系统控制器设计与仿真平台。针对刀盘驱动系统状态监测与故障诊断问题，提出了基于刀盘驱动系统多轴振动模型的机械故障诊断方法和故障诊断综合判别函数。
第5章，作为本文刀盘驱动系统原理样机及其控制系统物理实现与实验结果分析部分。本章描述了刀盘驱动系统原理样机及其控制系统的实现过程和实验结果。通过前面章节的分析和研究，提出了刀盘驱动系统原理样机及其控制系统结构，提出了刀盘负载扭矩的模拟方法。搭建了刀盘驱动系统原理样机及其控制系统，对本文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，得到了有意义的实验结果。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。