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水底隧道逐步成为跨越航运繁忙河道和连接陆地交通的第一选择。在各种修建水底隧道的工法中,沉管法因其显著的优越性在目前运用的非常多。这种工法包含复杂的水中作业,如管段的浮运、沉放,保障这一过程的顺利完成关系到整个沉管隧道工程的进度和质量。管段在沉放过程时由于受到风浪的影响,姿态会不断发生变化,为了保证管段在对接时的偏差在允许范围内,即保证完美对接不漏水,传统的沉放方法是运用三维定位测量持续不断提供管段的位置和姿态数据,再通过人工控制调节管段上端的钢索和预先设置在沉管内部的水箱内的进出水量来调整管段姿态。这种方法耗时较长,且需要更多的人力物力和财力。因此,研究开发一种沉管在沉放过程中的自动平衡的方法具有很重要的意义。
目前,对于沉管水箱系统的研究集中于用来人工进行控制,专门针对各个水箱之间的协调关系而进行研究的工作少之又少。本文以武汉长江的地理位置为背景,在参考相关文献的基础上,设计了因地制宜的管段数量、形状和规格,水箱尺寸和数量。以此为基础,在协调各个水箱之间的耦合关系时引入协调控制的思想,建立了沉管水箱协调控制系统的整个框架。在解决沉管水箱系统在沉放过程中扰动多难以建立数学模型的问题时,提出了模糊逻辑控制实现方法。利用操作者的长期累积的经验值,结合各个水箱在沉管中位置不同所以对沉管姿态作用不同的特性,分别设计了三个不同的模糊控制器,并建立了其对应的沉管水箱控制系统的数学模型。在模糊控制器的设计中,根据不同控制精度的要求设计了不同隶属度函数和控制规则,让每个水箱系统各尽其职的完成工作。模糊控制器的设计主要由输入量的模糊化、模糊控制规则的生成、模糊判决等三部分组成,本文采用了MATLAB软件中的图形界面(GUI)来完成模糊控制器的设计。
通过对沉管水箱协调控制系统的仿真,发现系统能够达到较好的控制性能,能基本保证对接的精确度要求。这种方法是一种尝试,对沉管沉放方案的设计能提供些许的参考价值。