本發(fā)明屬于tbm巖巷掘進破巖領(lǐng)域，具體涉及一種基于多元數(shù)據(jù)的破巖參數(shù)智能調(diào)控系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
1、自上個世紀長期以來，巖巷掘進主要以鉆爆法施工為主，優(yōu)點是地質(zhì)適應(yīng)性好，對圍巖均質(zhì)性質(zhì)無要求，比較簡單、經(jīng)濟的一種方法，缺點是炮眼利用率低，超挖量大，巷道成形質(zhì)量差，作業(yè)環(huán)境惡劣，工序多且配套裝備機械化程度低，工序銜接時間長，施工效率低，安全性差，單循環(huán)進尺低，平均月進尺在40～120m，掘進效率低，限制了煤礦的安全生產(chǎn)和采掘接替工作。鉆爆法適用于巷道短，地質(zhì)條件較復(fù)雜的工程。以懸臂掘進機為代表的綜掘法，主要用于煤巷和半煤巖巷道，巖石單軸抗壓強度達到70mpa以上，破巖能耗高，截齒損耗嚴重，是截齒的經(jīng)濟截割硬度極限。綜掘法與鉆爆法相比，減少了部分工序和工序銜接時間，仍面臨以下幾個問題:掘進和支護不能同步，掘支交叉作業(yè)互相影響，巷道開挖面不能實現(xiàn)及時支護，塌方、冒頂、片幫等安全隱患大；硬巖掘進效率低，工法適用范圍有限；除塵和通風條件差，工作環(huán)境惡劣，職業(yè)健康危害大，其綜合月進尺平均在60～200m。
2、巖巷掘進發(fā)展至今，發(fā)展到全斷面掘進機(以下簡稱tbm)階段，相比傳統(tǒng)的掘進施工有效地解決了綜掘機破巖能力不足、硬巖掘進效率低，以及鉆爆法危險性高、勞動強度大等問題。tbm為集機械、電子、液壓、激光導(dǎo)向、傳感技術(shù)于一體的工廠化施工裝備，實現(xiàn)了高效破巖、連續(xù)出渣、快速支護、通風除塵、供排水多道工序同步作業(yè)，具有高效、安全、環(huán)保、優(yōu)質(zhì)、綜合效益高等優(yōu)點。同時tbm現(xiàn)場施工環(huán)境復(fù)雜多變，例如tbm對地層巖性較為敏感，面對地下軟硬復(fù)合巖層，tbm適應(yīng)性較差，從而限制tbm地下巖巷掘進范圍。同時，傳統(tǒng)的tbm掘進控制依賴于現(xiàn)場技術(shù)人員的施工經(jīng)驗，掘進參數(shù)不合理、姿態(tài)調(diào)控不及時、支護決策不當，易造成設(shè)備異常損壞、塌方、卡機等工程事故發(fā)生，開展tbm智能掘進關(guān)鍵技術(shù)研究是解決上述問題的有效途徑，也是tbm技術(shù)未來發(fā)展的必然趨勢。
3、綜上所述，針對tbm軟巖(軟硬復(fù)合巖層)適應(yīng)性較差、掘進參數(shù)不合理、姿態(tài)調(diào)控不及時。為提高礦山智能化水平，提升巖巷掘進效率，亟待研發(fā)一種適應(yīng)性強、高效安全的tbm智能參數(shù)破巖智能調(diào)控系統(tǒng)。
技術(shù)實現(xiàn)思路
1、針對現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明旨在提出一種基于多元數(shù)據(jù)的破巖參數(shù)智能調(diào)控系統(tǒng)，解決了現(xiàn)有技術(shù)中存在的問題。
2、本發(fā)明的目的可以通過以下技術(shù)方案實現(xiàn)：
3、一種基于多元數(shù)據(jù)的破巖參數(shù)智能調(diào)控系統(tǒng)，包括：
4、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)：主要表現(xiàn)在刀盤刀具上安裝位移傳感器、應(yīng)力傳感器、溫度傳感器、加速度傳感器實時監(jiān)測破巖刀具的進尺、受力、溫度以及振動信息。將這些多元數(shù)據(jù)集合在一起，采用小波分析對多元數(shù)據(jù)進行處理，將放大整合過的信號再進行無線傳輸，這些傳感器各司其職，位移傳感器實時監(jiān)測破巖刀具的進尺情況，其監(jiān)測原理基于位移與輸出電信號的線性關(guān)系，可表示為v＝kd×δl，其中v為傳感器輸出電壓，kd為位移傳感器的靈敏度系數(shù)，δl為刀具位移變化量，應(yīng)力傳感器則通過測量刀具所受應(yīng)力，依據(jù)胡克定律σ為應(yīng)力，e為材料彈性模量，δl為受力引起的長度變化，來獲取刀具受力信息，溫度傳感器利用熱電阻或熱電偶原理，如熱電阻的電阻值與溫度關(guān)系近似為，r0(1+α(t-t0))。
5、zigbee無線傳輸系統(tǒng)：采用zigbee星狀拓撲模型，將上述經(jīng)過放大整合的信號傳輸?shù)焦潭ü?jié)點，由固定節(jié)點接收到數(shù)據(jù)后將會發(fā)至網(wǎng)關(guān)，然后網(wǎng)關(guān)借助光纖將數(shù)據(jù)傳輸?shù)奖O(jiān)測計算機，子節(jié)點將信號傳輸?shù)焦潭ü?jié)點后，固定節(jié)點接收到數(shù)據(jù)，設(shè)子節(jié)點與固定節(jié)點間的信號強度s與傳輸距離d滿足關(guān)系固定節(jié)點接收到數(shù)據(jù)后，立即將其發(fā)至網(wǎng)關(guān)，然后網(wǎng)關(guān)借助光纖將數(shù)據(jù)傳輸?shù)奖O(jiān)測計算機，光纖傳輸具有高帶寬、低損耗的特點，其數(shù)據(jù)傳輸速率r，可表示為
6、盾構(gòu)推進液壓系統(tǒng)：盾構(gòu)推進系統(tǒng)的設(shè)計需要滿足以下功能要求，為盾構(gòu)前進提供足夠的動力；控制盾構(gòu)的前進速度與出碴速度相匹配實現(xiàn)土壓平衡狀態(tài)；能夠控制盾構(gòu)的姿態(tài)實現(xiàn)盾構(gòu)的糾偏及轉(zhuǎn)向要求；適應(yīng)管片的尺寸及操作要求，盾構(gòu)推進液壓系統(tǒng)一般由沿盾體周向分布的若干組液壓缸構(gòu)成以利于分組單獨控制降低控制復(fù)雜性.各組的控制方式是相同的都是通過比例溢流閥穩(wěn)定每組工作壓力通過比例調(diào)速閥控制工作流量，在每一分組內(nèi)所有并聯(lián)液壓缸在旁路溢流閥的穩(wěn)壓作用下都具有相同的工作壓力每組中由裝在某一特定推進液壓缸上的位置和壓力傳感器控制本組速度和壓力。
7、串聯(lián)雙閉環(huán)pid控制系統(tǒng)：對于盾構(gòu)推進這種非線性系統(tǒng)采用pid控制要想獲得良好的控制效果就必須通過調(diào)整好比例、積分和微分三種控制作用形成控制量中既相互配合又相互制約的關(guān)系這種關(guān)系不一定是簡單的“線性組合”從變化無窮的非線性組合中可以找出最佳的。利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的非線性映射和自學習能力找出pid控制的最佳組合采用bp神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)可以實現(xiàn)推進系統(tǒng)pid控制參數(shù)kp、ki、kd的在線自適應(yīng)調(diào)整而使對推進速度的控制達到期望效果。
8、同時提出盾構(gòu)機串聯(lián)雙閉環(huán)控制方法，顧名思義該控制方法包含兩套反饋閉環(huán)控制分別是滾刀轉(zhuǎn)速反饋閉環(huán)控制以及液壓推進反饋閉環(huán)控制，具體表現(xiàn)在：
9、滾刀轉(zhuǎn)速反饋閉環(huán)控制：通過數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采集的多元數(shù)據(jù)，通過pid閉環(huán)控制算法直接調(diào)節(jié)溫度、鉆壓、振動和磨損程度與滾刀轉(zhuǎn)速的比率保持穩(wěn)定,可以在一定程度上去消除設(shè)備本身固有誤差和不同應(yīng)力環(huán)境引起變化等可預(yù)見性誤差帶來的波動。
10、液壓推進反饋閉環(huán)控制：同樣接取數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采集的多元數(shù)據(jù)，通過pid閉環(huán)控制算法溫度、鉆壓、振動和磨損程度與液壓推進推力的比率值變化處于穩(wěn)定狀態(tài)，自適應(yīng)調(diào)節(jié)盾構(gòu)機推進速率，間接調(diào)節(jié)滾刀轉(zhuǎn)速。
11、進一步地，所述數(shù)據(jù)采集模塊在刀盤刀具上安裝位移傳感器、應(yīng)力傳感器、溫度傳感器、加速度傳感器實時監(jiān)測。
12、進一步地，位移傳感器采用激光位移傳感器，其靈敏度系數(shù)通過溫度補償算法實時修正，補償公式為kt＝k0·(1+α(t-t0))，其中k0為基準靈敏度，α為溫度系數(shù)，t為實時溫度，k0為基準溫度。
13、進一步地，光纖傳輸鏈路采用波分復(fù)用(wdm)技術(shù)，單芯光纖支持16路獨立數(shù)據(jù)通道，單通道速率達10gbps。
14、本發(fā)明的有益效果：
15、自適應(yīng)調(diào)節(jié)盾構(gòu)機推進速率，間接調(diào)節(jié)滾刀轉(zhuǎn)速，從而延長刀具使用壽命、提升工作效率，實現(xiàn)滾刀轉(zhuǎn)速和液壓推理相互補償使之達到平衡狀態(tài)，從而去消除不可預(yù)見性誤差引起的數(shù)據(jù)波動。
1.一種基于多元數(shù)據(jù)的破巖參數(shù)智能調(diào)控系統(tǒng)，其特征在于，主要由四大系統(tǒng)，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、zigbee無線傳輸系統(tǒng)、盾構(gòu)推進液壓系統(tǒng)以及串聯(lián)雙閉環(huán)pid控制系統(tǒng)組成。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于多元數(shù)據(jù)的破巖參數(shù)智能調(diào)控系統(tǒng)，其特征在于，所述數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)主要由刀盤刀具上的安裝位移傳感器、應(yīng)力傳感器、溫度傳感器、加速度傳感器實時監(jiān)測破巖刀具的進尺、受力、溫度以及振動信息，采用小波分析對多元數(shù)據(jù)進行處理，將放大整合過的信號再進行無線傳輸，這些傳感器各司其職，位移傳感器實時監(jiān)測破巖刀具的進尺情況，其監(jiān)測原理基于位移與輸出電信號的線性關(guān)系，可表示為v＝kd×δl，其中v為傳感器輸出電壓，kd為位移傳感器的靈敏度系數(shù)，δl為刀具位移變化量，應(yīng)力傳感器則通過測量刀具所受應(yīng)力，依據(jù)胡克定律σ為應(yīng)力，e為材料彈性模量，δl為受力引起的長度變化，來獲取刀具受力信息，溫度傳感器利用熱電阻或熱電偶原理，如熱電阻的電阻值與溫度關(guān)系近似為，r0(1+α(t-t0))。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于多元數(shù)據(jù)的破巖參數(shù)智能調(diào)控系統(tǒng)，其特征在于，所述zigbee無線傳輸系統(tǒng)，采用zigbee星狀拓撲模型，將上述經(jīng)過放大整合的信號傳輸?shù)焦潭ü?jié)點，由固定節(jié)點接收到數(shù)據(jù)后將會發(fā)至網(wǎng)關(guān)，然后網(wǎng)關(guān)借助光纖將數(shù)據(jù)傳輸?shù)奖O(jiān)測計算機，子節(jié)點將信號傳輸?shù)焦潭ü?jié)點后，固定節(jié)點接收到數(shù)據(jù)，設(shè)子節(jié)點與固定節(jié)點間的信號強度s與傳輸距離d滿足關(guān)系固定節(jié)點接收到數(shù)據(jù)后，立即將其發(fā)至網(wǎng)關(guān)，然后網(wǎng)關(guān)借助光纖將數(shù)據(jù)傳輸?shù)奖O(jiān)測計算機，光纖傳輸具有高帶寬、低損耗的特點，其數(shù)據(jù)傳輸速率r，可表示為
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于多元數(shù)據(jù)的破巖參數(shù)智能調(diào)控系統(tǒng)，其特征在于，所述盾構(gòu)推進液壓系統(tǒng)，沿盾體周向分布的若干組液壓缸構(gòu)成以利于分組單獨控制降低控制復(fù)雜性，各組的控制方式是通過比例溢流閥穩(wěn)定每組工作壓力通過比例調(diào)速閥控制工作流量，比例調(diào)速閥通過調(diào)節(jié)節(jié)流口面積a來控制流量q，根據(jù)伯努利方程通過改變節(jié)流口面積實現(xiàn)對工作流量的精準調(diào)節(jié)。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于多元數(shù)據(jù)的破巖參數(shù)智能調(diào)控系統(tǒng)，其特征在于，所述串聯(lián)雙閉環(huán)pid控制系統(tǒng)，主要是滾刀轉(zhuǎn)速反饋閉環(huán)控制和液壓推進反饋閉環(huán)控制，消除可預(yù)見及不可預(yù)見性誤差引起的數(shù)據(jù)波動，通過這兩個閉環(huán)控制，能夠有效消除可預(yù)見及不可預(yù)見性誤差引起的數(shù)據(jù)波動，對于可預(yù)見誤差，如刀具磨損導(dǎo)致的進尺變化，可通過pid控制器的積分環(huán)節(jié)逐漸消除偏差；對于不可預(yù)見性誤差，如巖石硬度突然變化引起的受力突變，微分環(huán)節(jié)能夠快速響應(yīng)，調(diào)整控制量，確保系統(tǒng)的穩(wěn)定性與準確性。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于多元數(shù)據(jù)的破巖參數(shù)智能調(diào)控系統(tǒng)，其特征在于，所述多傳感器同步觸發(fā)模塊，采用gps授時或晶振同步技術(shù)實現(xiàn)多類型傳感器數(shù)據(jù)的納秒級同步采集，邊緣計算單元，在本地完成數(shù)據(jù)特征提取，包括基于stft的振動信號頻域分析和基于lstm的刀具磨損預(yù)測模型。
7.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種基于多元數(shù)據(jù)的破巖參數(shù)智能調(diào)控系統(tǒng)，其特征在于，所述位移傳感器采用激光位移傳感器，其靈敏度系數(shù)通過溫度補償算法實時修正，補償公式為kt＝k0·(1+α(t-t0))，其中k0為基準靈敏度，α為溫度系數(shù)，t為實時溫度，k0為基準溫度。
8.根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種基于多元數(shù)據(jù)的破巖參數(shù)智能調(diào)控系統(tǒng)，其特征在于，所述光纖傳輸鏈路采用波分復(fù)用(wdm)技術(shù)，單芯光纖支持16路獨立數(shù)據(jù)通道，單通道速率達10gbps。