【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及竖井施工，具体为一种全断面竖井掘进机纠偏系统及纠偏控制算法。
技术介绍
1、竖井可用于矿石、物料、人员的运输以及通风、排水等，是矿产资源开发和地下空间建设的咽喉工程。全断面竖井掘进机是结合隧道掘进机技术、物料垂直提升技术的先进装备，可以进行高效破岩、上排渣、姿态控制自动钻进、井帮同步支护，实现在没有下部工作条件的岩石地层中精准钻凿井筒，已成为竖井建设的首选。
2、大直径井筒施工对井筒的偏斜程度有很高的要求，由于受到周围应力、温度、渗流等多场耦合作用的影响，全断面竖井掘进机在施工中常常偏离基准轴线。如果得不到及时、准确的纠偏，轻则影响施工进度，重则引起人员伤亡事故，纠偏控制能力已成为衡量全断面竖井掘进机性能的重要指标。
3、目前纠偏控制技术的竖井掘进机仍处于初期验证阶段，施工过程中掘进偏斜后的姿态调整仍为“人工远程操控”的开环模式，自动化程度有待提高，存在人工操作效率低、纠偏不及时、控制精度受人工操作经验影响等问题，因此，亟需开展全断面竖井掘进机的纠偏控制技术研究。
技术实现思路
1、本专利技术提供了一种全断面竖井掘进机纠偏系统及纠偏控制算法，具备提升施工过程掘进机的姿态调整自动化水平，确保竖井建设工程更安全、更高效的优点，解决了上述
技术介绍
所提出的问题。
2、本专利技术提供如下技术方案：一种全断面竖井掘进机纠偏系统，包括纠偏系统和纠偏控制算法，所述纠偏系统由撑靴模块组成，
3、所述撑靴模块接收来自中央控制器的控制信号，且
4、优选的，所述纠偏控制算法集成于中央控制器，且所述纠偏控制算法包括全断面竖井掘进机纠偏轨迹、全断面竖井掘进机动力学模型、撑靴模块的控制输入模型；
5、所述全断面竖井掘进机纠偏轨迹负责提供全断面竖井掘进机的所有偏斜类型及各偏斜类型的纠偏施工轨迹；
6、所述全断面竖井掘进机动力学模型负责为纠偏控制算法提供被控对象的数学模型。
7、优选的，所述撑靴模块，包括有坐标轴、上框架、上层撑靴、中框架、中层撑靴、下框架、下层撑靴、支撑油缸、反力架、推进油缸、竖井设计轴线、掘进机机体轴线、刀盘、井壁、油缸缸体以及活塞杆。
8、优选的，所述上框架和下框架通过反力架相连接，所述上层撑靴的数量有四个，且四个均布的上层撑靴通过四个均布的支撑油缸安装在上框架周围，四个所述均布的中层撑靴通过四个均布的支撑油缸安装在中框架周围，四个所述均布的下层撑靴通过四个均布的支撑油缸安装在下框架周围。
9、优选的，所述中框架在上框架与下框架中间，且中框架可沿着反力架上下活动，所述上层撑靴、中层撑靴以及下层撑靴上中下三层撑靴均由所在层支撑油缸推动与井壁接触以保证固定。
10、优选的，所述支撑油缸和推进油缸皆与控制器为电性连接。
11、优选的，所述全断面竖井掘进机纠偏轨迹包括掘进机三维平面至二维平面转换、掘进机偏斜类型及各偏斜类型的纠偏施工轨迹。
12、优选的，所述掘进机三维平面至二维平面转换，且所述上框架平面中心点为圆心o，所述掘进机机体轴线向下为z轴正向，建立竖井掘进机附体坐标系o-xyz，所述掘进机偏斜类型和各偏斜类型的纠偏施工轨迹，且在xoz平面和yoz平面相同。
13、优选的，所述撑靴模块的控制输入模型包括全断面竖井掘进机动力学模型的状态空间方程、掘进机自适应积分鲁棒纠偏控制器及控制器稳定性分析。
14、一种全断面竖井掘进机纠偏系统的纠偏控制算法，
15、以xoz平面为例，xb表示上框架平面中心点至竖井设计轴线的距离，即上框架平面中心点的位移偏斜，
16、xp表示刀盘顶点至竖井设计轴线的距离，即刀盘顶点的位移偏斜；
17、β表示掘进机机体轴线和竖井设计轴线的夹角，即掘进机的角度偏斜。
18、定义位移偏斜在x轴正向一侧时为正，反之为负，定义角度偏斜β绕竖井设计轴线顺时针偏转时为正，反之为负。
19、定义xd>0表示位移偏斜阈值，ld>0表示位移偏斜的安全极限；
20、定义βd>0表示角度偏斜的安全极限。
21、参数xb和β由位姿测量模块一检测得到，参数xp由参数xb结合竖井掘进机结构尺寸换算得到，为了减小纠偏过程中竖井掘进机的结构受力，纠偏时需保证竖井掘进机的钻进趋势向着井筒中心方向，通过判断参数xp、β、xd、ld的相互大小关系，可规划出xoz平面上竖井掘进机不同姿态下的纠偏轨迹，共计分为八种情况：
22、当|xp|>ld或|β>βd，表示竖井掘进机偏斜量超出了安全运行极限，可认定设备或者环境异常，需停机检查。
23、当|β<βd且|xp|≤xd，表示竖井掘进机角度偏斜β和刀盘顶点位移偏斜xp均在允许范围内，竖井掘进机位姿状态运行正常，可继续保持当前钻进方向。
24、当β>0,|β<βd,xd<xp<ld或β<0,|β<βd,xd<-xp<ld，即图4中①和⑥，表示竖井掘进机角度偏斜β在允许范围内，刀盘顶点的位移偏斜xp超出允许范围，但当前竖井掘进机的钻进趋势是向着靠近竖井设计轴线方向的。首先，保持当前钻进方向，当满足xp＝0时，推进油缸停止，期间竖井掘进机可多次迈步。然后，控制支撑油缸的伸缩，以刀盘的顶点为转动中心，让竖井掘进机转动，将角度偏斜β调节至零，期间刀盘维持运转确保扩出纠偏所需空间，至xp＝0且β＝0后，完成纠偏；
25、当β＝0且xd<|xp|<ld，即图4中③和④，表示竖井掘进机刀盘顶点位移偏斜xp超出允许范围，掘进机角度偏斜β为0。首先，迈步使推进油缸缩回，然后控制支撑油缸的伸缩，以刀盘的顶点为转动中心，让竖井掘进机转动，将竖井掘进机的钻进趋势变化成向着井筒设计轴线方向，期间刀盘维持运转确保扩出纠偏所需空间，支撑油缸推动撑靴撑紧井壁，推进油缸伸出保持当前钻进方向，当满足xp＝0后，推进油缸停止，期间竖井掘进机可多次迈步。最后，推进油缸缩回，控制支撑油缸伸缩，以刀盘顶点为转动中心，让竖井掘进机转动，将β调节至零，期间刀盘维持运转确保扩出纠偏所需空间，至xp＝0且β＝0后，完成纠偏；
26、当β>0,|β<βd,xd<-xp<ld或β<0,|β<βd,xd<xp<ld，即图4中②和⑤，表示竖井掘进机角度偏斜β和刀盘顶点的位移偏斜xp超出允许范围，且当前竖井掘进机的钻进趋势是远离井筒设计轴线方向的。
27、首先，迈步使推进油缸缩回，然后控制支撑油缸伸缩，以刀盘顶点为转动中心，让竖井掘进机转动，将竖井掘进机的钻进趋势变化成与井筒设计轴线平行方向，刀盘维持运转确保扩出纠偏所需空间，角度偏斜调整完成后支撑油缸推动撑靴撑紧井壁，保持当本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种全断面竖井掘进机纠偏系统，其特征在于，包括
2.根据权利要求1所述的一种全断面竖井掘进机纠偏系统，其特征在于：所述撑靴模块，包括有上框架(1)、上层撑靴(2)、中框架(3)、中层撑靴(4)、下框架(5)、下层撑靴(6)、反力架(7)、支撑油缸(8)、推进油缸(9)、竖井设计轴线(10)、掘进机机体轴线(11)、刀盘(12)、井壁(13)、油缸油缸缸体(14)以及活塞杆(15)。
3.根据权利要求2所述的一种全断面竖井掘进机纠偏系统，其特征在于：所述上框架(1)和下框架(5)通过反力架(7)相连接，所述上层撑靴(2)的数量有四个，且四个均布的上层撑靴(2)通过四个均布的支撑油缸(8)安装在上框架(1)周围，四个所述均布的中层撑靴(4)通过四个均布的支撑油缸(8)安装在中框架(3)周围，四个所述均布的下层撑靴(6)通过四个均布的支撑油缸(8)安装在下框架(5)周围。
4.根据权利要求3所述的一种全断面竖井掘进机纠偏系统，其特征在于：所述中框架(3)在上框架(1)与下框架(5)中间，且中框架(3)可沿着反力架(7)上下活动，所述上层撑靴(2)
5.一种全断面竖井掘进机纠偏系统的纠偏控制算法，采用如权利要求1-4任一项所述的全断面竖井掘进机纠偏系统，包括以下步骤：
6.根据权利要求5所述的一种全断面竖井掘进机纠偏系统的纠偏控制算法，其特征在于：所述纠偏控制算法集成于中央控制器，且所述纠偏控制算法还包括全断面竖井掘进机动力学模型和撑靴模块控制输入模型；
7.根据权利要求6所述的一种全断面竖井掘进机纠偏系统的纠偏控制算法，其特征在于：具体包括以下步骤，建立图中所示的两个坐标系，其中坐标系{A}为惯性坐标系，该坐标系坐标原点在右侧两组撑靴连接线中点，ZA轴平行于已成型井壁(13)向下，XA轴垂直于ZA轴，方向按右手定则确定，坐标系{B}为附体坐标系，其坐标原点在掘进机主框架上框架(1)与掘进机机体轴线(12)交点，ZB轴与掘进机机体轴线(11)重合，方向向下，XB轴垂直于ZB轴，方向按右手定则确定，该坐标系与掘进机刚体固联；
8.根据权利要求6所述的一种全断面竖井掘进机纠偏系统的纠偏控制算法，其特征在于：具体包括以下步骤，d6为两撑靴与井壁接触点之间的距离，d7为掘进机上层支撑油缸到破岩力等效点的竖直距离，d8掘进机上层支撑油缸到破岩力等效点的水平距离，则各作用点坐标为：
9.根据权利要求6所述的一种全断面竖井掘进机纠偏系统的纠偏控制算法，其特征在于：所述撑靴模块的撑靴模块控制输入模型包括全断面竖井掘进机动力学模型的状态空间方程、掘进机自适应积分鲁棒纠偏控制器及控制器稳定性分析。
10.根据权利要求9所述的一种全断面竖井掘进机纠偏系统的纠偏控制算法，其特征在于：所述全断面竖井掘进机动力学模型的状态空间方程建立方法如下：
...【技术特征摘要】
1.一种全断面竖井掘进机纠偏系统，其特征在于，包括
2.根据权利要求1所述的一种全断面竖井掘进机纠偏系统，其特征在于：所述撑靴模块，包括有上框架(1)、上层撑靴(2)、中框架(3)、中层撑靴(4)、下框架(5)、下层撑靴(6)、反力架(7)、支撑油缸(8)、推进油缸(9)、竖井设计轴线(10)、掘进机机体轴线(11)、刀盘(12)、井壁(13)、油缸油缸缸体(14)以及活塞杆(15)。
3.根据权利要求2所述的一种全断面竖井掘进机纠偏系统，其特征在于：所述上框架(1)和下框架(5)通过反力架(7)相连接，所述上层撑靴(2)的数量有四个，且四个均布的上层撑靴(2)通过四个均布的支撑油缸(8)安装在上框架(1)周围，四个所述均布的中层撑靴(4)通过四个均布的支撑油缸(8)安装在中框架(3)周围，四个所述均布的下层撑靴(6)通过四个均布的支撑油缸(8)安装在下框架(5)周围。
4.根据权利要求3所述的一种全断面竖井掘进机纠偏系统，其特征在于：所述中框架(3)在上框架(1)与下框架(5)中间，且中框架(3)可沿着反力架(7)上下活动，所述上层撑靴(2)、中层撑靴(4)以及下层撑靴(6)上中下三层撑靴均由所在层支撑油缸(8)推动与井壁(13)接触以保证固定；
5.一种全断面竖井掘进机纠偏系统的纠偏控制算法，采用如权利要求1-4任一项所述的全断面竖井掘进机纠偏系统，包括以下步骤：
6.根据权利要求5所述的一种全断面竖...
【专利技术属性】
技术研发人员：董振乐，段义壮，白东杰，李阁强，张政，孙波，潘思远，王帅，韩振华，董飞翔，刘雨昌，陈家炜，陈云鹏，
申请(专利权)人：河南科技大学，
类型：发明
国别省市：
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