本發(fā)明屬于tbm巖巷掘進(jìn)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(gè)世紀(jì)長(zhǎng)期以來(lái)，巖巷掘進(jìn)主要以鉆爆法施工為主，優(yōu)點(diǎn)是地質(zhì)適應(yīng)性好，對(duì)圍巖均質(zhì)性質(zhì)無(wú)要求，比較簡(jiǎn)單、經(jīng)濟(jì)的一種方法，缺點(diǎn)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(jī)械化程度低，工序銜接時(shí)間長(zhǎng)，施工效率低，安全性差，單循環(huán)進(jìn)尺低，平均月進(jìn)尺在40～120m，掘進(jìn)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(jìn)機(jī)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(qiáng)度達(dá)到70mpa以上，破巖能耗高，截齒損耗嚴(yán)重，是截齒的經(jīng)濟(jì)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(shí)間，仍面臨以下幾個(gè)問(wèn)題:掘進(jìn)和支護(hù)不能同步，掘支交叉作業(yè)互相影響，巷道開(kāi)挖面不能實(shí)現(xiàn)及時(shí)支護(hù)，塌方、冒頂、片幫等安全隱患大；硬巖掘進(jìn)效率低，工法適用范圍有限；除塵和通風(fēng)條件差，工作環(huán)境惡劣，職業(yè)健康危害大，其綜合月進(jìn)尺平均在60～200m。
2、巖巷掘進(jìn)發(fā)展至今，發(fā)展到全斷面掘進(jìn)機(jī)(以下簡(jiǎn)稱tbm)階段，相比傳統(tǒng)的掘進(jìn)施工有效地解決了綜掘機(jī)破巖能力不足、硬巖掘進(jìn)效率低，以及鉆爆法危險(xiǎn)性高、勞動(dòng)強(qiáng)度大等問(wèn)題。tbm為集機(jī)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(shí)現(xiàn)了高效破巖、連續(xù)出渣、快速支護(hù)、通風(fēng)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(diǎn)。同時(shí)tbm現(xiàn)場(chǎng)施工環(huán)境復(fù)雜多變，例如tbm對(duì)地層巖性較為敏感，面對(duì)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(jìn)范圍。同時(shí)，傳統(tǒng)的tbm掘進(jìn)控制依賴于現(xiàn)場(chǎng)技術(shù)人員的施工經(jīng)驗(yàn)，掘進(jìn)參數(shù)不合理、姿態(tài)調(diào)控不及時(shí)、支護(hù)決策不當(dāng)，易造成設(shè)備異常損壞、塌方、卡機(jī)等工程事故發(fā)生，開(kāi)展tbm智能掘進(jìn)關(guān)鍵技術(shù)研究是解決上述問(wèn)題的有效途徑，也是tbm技術(shù)未來(lái)發(fā)展的必然趨勢(shì)。
3、綜上所述，針對(duì)tbm軟巖(軟硬復(fù)合巖層)適應(yīng)性較差、掘進(jìn)參數(shù)不合理、姿態(tài)調(diào)控不及時(shí)。為提高礦山智能化水平，提升巖巷掘進(jìn)效率，亟待研發(fā)一種適應(yīng)性強(qiáng)、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(shí)現(xiàn)思路
1、針對(duì)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(wèn)題。
2、本發(fā)明的目的可以通過(guò)以下技術(shù)方案實(shí)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(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)破巖刀具的進(jìn)尺、受力、溫度以及振動(dòng)信息。將這些多元數(shù)據(jù)集合在一起，采用小波分析對(duì)多元數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，將放大整合過(guò)的信號(hào)再進(jìn)行無(wú)線傳輸，這些傳感器各司其職，位移傳感器實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)破巖刀具的進(jìn)尺情況，其監(jiān)測(cè)原理基于位移與輸出電信號(hào)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(guò)測(cè)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(zhǎng)度變化，來(lái)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(wú)線傳輸系統(tǒng)：采用zigbee星狀拓?fù)淠Ｐ停瑢⑸鲜鼋?jīng)過(guò)放大整合的信號(hào)傳輸?shù)焦潭ü?jié)點(diǎn)，由固定節(jié)點(diǎn)接收到數(shù)據(jù)后將會(huì)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(cè)計(jì)算機(jī)，子節(jié)點(diǎn)將信號(hào)傳輸?shù)焦潭ü?jié)點(diǎn)后，固定節(jié)點(diǎn)接收到數(shù)據(jù)，設(shè)子節(jié)點(diǎn)與固定節(jié)點(diǎn)間的信號(hào)強(qiáng)度s與傳輸距離d滿足關(guān)系固定節(jié)點(diǎn)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(cè)計(jì)算機(jī)，光纖傳輸具有高帶寬、低損耗的特點(diǎn)，其數(shù)據(jù)傳輸速率r，可表示為
6、盾構(gòu)推進(jìn)液壓系統(tǒng)：盾構(gòu)推進(jìn)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)需要滿足以下功能要求，為盾構(gòu)前進(jìn)提供足夠的動(dòng)力；控制盾構(gòu)的前進(jìn)速度與出碴速度相匹配實(shí)現(xiàn)土壓平衡狀態(tài)；能夠控制盾構(gòu)的姿態(tài)實(shí)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(jìn)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(dú)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(guò)比例溢流閥穩(wěn)定每組工作壓力通過(guò)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(jìn)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(duì)于盾構(gòu)推進(jìn)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(guò)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(jiǎn)單的“線性組合”從變化無(wú)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(xué)習(xí)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(shí)現(xiàn)推進(jìn)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(duì)推進(jìn)速度的控制達(dá)到期望效果。
8、同時(shí)提出盾構(gòu)機(jī)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(jìn)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(guò)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采集的多元數(shù)據(jù)，通過(guò)pid閉環(huán)控制算法直接調(diào)節(jié)溫度、鉆壓、振動(dòng)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(jiàn)性誤差帶來(lái)的波動(dòng)。
10、液壓推進(jìn)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(guò)pid閉環(huán)控制算法溫度、鉆壓、振動(dòng)和磨損程度與液壓推進(jìn)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(jī)推進(jìn)速率，間接調(diào)節(jié)滾刀轉(zhuǎn)速。
11、進(jìn)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(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。
12、進(jìn)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(guò)溫度補(bǔ)償算法實(shí)時(shí)修正，補(bǔ)償公式為kt＝k0·(1+α(t-t0))，其中k0為基準(zhǔn)靈敏度，α為溫度系數(shù)，t為實(shí)時(shí)溫度，k0為基準(zhǔn)溫度。
13、進(jìn)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(dú)立數(shù)據(jù)通道，單通道速率達(dá)10gbps。
14、本發(fā)明的有益效果：
15、自適應(yīng)調(diào)節(jié)盾構(gòu)機(jī)推進(jìn)速率，間接調(diào)節(jié)滾刀轉(zhuǎn)速，從而延長(zhǎng)刀具使用壽命、提升工作效率，實(shí)現(xiàn)滾刀轉(zhuǎn)速和液壓推理相互補(bǔ)償使之達(dá)到平衡狀態(tài)，從而去消除不可預(yù)見(jiàn)性誤差引起的數(shù)據(jù)波動(dòng)。
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(wú)線傳輸系統(tǒng)、盾構(gòu)推進(jìn)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(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)破巖刀具的進(jìn)尺、受力、溫度以及振動(dòng)信息，采用小波分析對(duì)多元數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，將放大整合過(guò)的信號(hào)再進(jìn)行無(wú)線傳輸，這些傳感器各司其職，位移傳感器實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)破巖刀具的進(jìn)尺情況，其監(jiān)測(cè)原理基于位移與輸出電信號(hào)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(guò)測(cè)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(zhǎng)度變化，來(lái)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(wú)線傳輸系統(tǒng)，采用zigbee星狀拓?fù)淠Ｐ停瑢⑸鲜鼋?jīng)過(guò)放大整合的信號(hào)傳輸?shù)焦潭ü?jié)點(diǎn)，由固定節(jié)點(diǎn)接收到數(shù)據(jù)后將會(huì)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(cè)計(jì)算機(jī)，子節(jié)點(diǎn)將信號(hào)傳輸?shù)焦潭ü?jié)點(diǎn)后，固定節(jié)點(diǎn)接收到數(shù)據(jù)，設(shè)子節(jié)點(diǎn)與固定節(jié)點(diǎn)間的信號(hào)強(qiáng)度s與傳輸距離d滿足關(guān)系固定節(jié)點(diǎn)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(cè)計(jì)算機(jī)，光纖傳輸具有高帶寬、低損耗的特點(diǎn)，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(jìn)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(dú)控制降低控制復(fù)雜性，各組的控制方式是通過(guò)比例溢流閥穩(wěn)定每組工作壓力通過(guò)比例調(diào)速閥控制工作流量，比例調(diào)速閥通過(guò)調(diào)節(jié)節(jié)流口面積a來(lái)控制流量q，根據(jù)伯努利方程通過(guò)改變節(jié)流口面積實(shí)現(xiàn)對(duì)工作流量的精準(zhǔn)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(jìn)反饋閉環(huán)控制，消除可預(yù)見(jiàn)及不可預(yù)見(jiàn)性誤差引起的數(shù)據(jù)波動(dòng)，通過(guò)這兩個(gè)閉環(huán)控制，能夠有效消除可預(yù)見(jiàn)及不可預(yù)見(jiàn)性誤差引起的數(shù)據(jù)波動(dòng)，對(duì)于可預(yù)見(jiàn)誤差，如刀具磨損導(dǎo)致的進(jìn)尺變化，可通過(guò)pid控制器的積分環(huán)節(jié)逐漸消除偏差；對(duì)于不可預(yù)見(jiàn)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(zhǔn)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(shí)或晶振同步技術(shù)實(shí)現(xiàn)多類型傳感器數(shù)據(jù)的納秒級(jí)同步采集，邊緣計(jì)算單元，在本地完成數(shù)據(jù)特征提取，包括基于stft的振動(dòng)信號(hào)頻域分析和基于lstm的刀具磨損預(yù)測(cè)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(guò)溫度補(bǔ)償算法實(shí)時(shí)修正，補(bǔ)償公式為kt＝k0·(1+α(t-t0))，其中k0為基準(zhǔn)靈敏度，α為溫度系數(shù)，t為實(shí)時(shí)溫度，k0為基準(zhǔn)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(dú)立數(shù)據(jù)通道，單通道速率達(dá)10gbps。