为实现微米级别位移控制,采用伺服驱动器、交流永磁同步电动机和位移放大液压缸代替传统伺服阀和泵源,利用位移放大液压缸与执行液压缸的有效面积比,对执行液压缸进行精确定位。针对其液压系统进行数学建模,讨论液压油弹性模量、油液黏度、蓄能器压力与体积等变量对系统动态性能的影响。建立微位移控制系统AMEsim仿真模型,仿真结果表明：液压油弹性模量越大,系统响应越快;油液黏度越大,系统响应越慢;蓄能器压力与体积对系统响应影响微小,仿真结果与数学模型预测相符。设计试验台并在试验台进行液压系统开环扫频特性试验,使用Matlab辨识工具箱对系统试验数据进行模型辨识,辨识结果表明：二阶系统与试验数据的吻合度较高,与数学模型预测相符。基于辨识模型设计的PD控制器在微位移控制综合平台上得到了应用,位置控制偏差范围为-2～1.7...

盾构掘进过程中地质多变,推进速度要求实现非线性控制,因此对控制方法提出较高的要求.在分析了盾构推进液压系统原理的基础上,建立了盾构推进速度仿真模型,设计了基于BP神经网络的盾构推进速度自适应PID控制器,运用MATLAB软件对常规PID推进速度控制和基于BP神经网络的自适应PID推进速度控制进行了阶跃响应仿真对比,并对基于BP神经网络的自适应PID推进速度控制的正弦跟踪特性进行了仿真.仿真结果表明基于BP神经网络整定的PID控制具有良好的跟踪能力和鲁棒性,相比于传统PID控制系统响应迅速,超调量小,具有很高的响应精度和良好的在线整定能力,对于盾构推进速度这种非线性过程,控制效果比较理想.

针对国内捣固装置技术长期依赖引进,缺乏自主知识产权,通过对比分析Plasser,Matisa,Harsco 3家公司捣固装置的激振原理和结构特点,提出一种液压激振与夹持运动独立的捣固装置,以克服捣镐振动产生的夹持液压缸的摆动问题,并设计一种新型转阀来提高液压激振系统的频率和流量.通过建立捣固装置的数学模型,采用Matlab/Simulink软件进行研究.分析结果表明,当阀芯旋转频率为10 Hz,阀口轴向面积导通宽度为10 mm,阀芯沟槽的最大周向导通宽度为8 mm时,激振液压缸最大位移为4.2 mm,从而实现捣镐振幅为8.82 mm,激振频率为40 Hz的振动.阀口面积和激振液压缸位移的大小由阀口轴向面积导通宽度决定.当激振频率越大,激振液压缸位移和运动周期越小.

针对全断面硬岩隧道掘进机（TBM）电机驱动系统脱困扭矩不足、欠负载工作效率低等问题,提出基于液压变压器（HT）的二次调节系统协同变频电机的刀盘混合驱动方案.通过分析液压变压器的工作原理并建立数学模型,基于直径为2.5m TBM实验台的性能要求,在AMEsim软件平台上搭建液压变压器超级元件模型并进行二次调节系统的性能验证.采用插值查表法反算控制角度实时控制变压器在蓄能器充放时的输入输出压力稳定,引入变比例系数PID闭环控制提高压力控制精度.仿真结果表明：通过调节液压变压器的变压比能实现二次调节泵/马达对蓄能器的精确低压充能和高压释放,压力控制误差小于2%,典型工况下刀盘驱动系统效率可提高4.99%.

在分析盾构掘进机的推进系统和刀盘系统的基础上，推导推进系统压力、刀盘系统压力、推进系统净流量与刀盘系统流量之间的关系，通过实验数据验证了推导模型的正确性．分析土舱内土体的流动连续性，得到螺旋输送机流量、刀盘系统流量、推进系统压力与土舱压力之间的1阶微分方程式，提出以推进压力、土舱压力和刀盘转速的实时数据采样值为输入，螺旋输送机转速为输出的基于排土控制的前馈一反馈土压平衡模型．可知，土舱压力是由推进系统压力、刀盘系统流量和螺旋输送机流量多个因素共同决定的．实验表明，前馈一反馈控制模型的控制效果较好．

为研究盾构掘进时各物理参数之间的相互影响，进而确定相适应的工作参数，设计开发了全断面盾构掘进机综合模拟试验台．其中，用于模拟真实盾构掘进的缩尺盾构主要由刀盘系统、推进系统、螺旋输送机系统等组成．根据实验的需要，设计了缩尺盾构的机械结构，详细说明了结构设计的思想以及缩尺盾构的工作过程．设计了缩尺盾构的液压系统，详细说明了液压系统的工作原理、功能特点和选型计算．利用AMESim软件对刀盘液压系统和推进液压系统进行仿真分析．仿真结果显示，刀盘转速和缩尺盾构的推进速度都可以实时控制，所设计的液压系统能够满足实验需要．

针对盾构在极端地质环境中掘进时推进液压系统易遭受突变载荷的工程问题,提出盾构推进液压系统突变载荷顺应性的定义及其评价指标.描述推进液压系统突变载荷顺应机理,分析油液体积弹性模量、压力阀、管道及蓄能器4个关键因素对系统顺应性的影响规律.基于顺应指标形成面向特定地质环境的推进液压系统载荷顺应性评价方法,定量评价2类现有典型推进液压系统在给定地质条件下的突变载荷顺应性.结果表明,比例调速阀系统较比例减压阀系统具有更好的突变载荷顺应效果,可将顺应性从1.08提高至1.27.顺应性指标及其评价方法为基于顺应性的推进液压系统设计提供理论依据.

分析了液压系统中含气量、工作压力等参数对油液有效体积弹性模量的影响规律,在此基础上采用抽真空除气与弹性模量检测相结合的方法提高油液弹性模量至期望值,并试验于某大型液压泵站。应用结果表明：含气量对弹性模量值影响显著,利用抽真空能够有效减小油液的含气量,将弹性模量值由821.3 MPa提高至1 201 MPa;该方法在闭式液压系统中能够实现油液弹性模量的提高。

设计了1.8m土压平衡（EPB）模拟试验盾构的刀盘驱动液压系统,介绍了该液压驱动系统的工作原理和控制方法,该系统采用了变转速泵控技术.通过统计分类的模式识别方法分析了1.8m试验盾构的掘进过程,以盾构掘进的场切深指数（FPI）、扭矩切深指数（TPI）构成了掘进土层状况的特征空间,基于土层识别及刀盘驱动功率效能评价建立了盾构刀盘转速专家控制方法.建立该液压驱动系统的AMESim仿真模型,仿真研究了液压系统的效率、开环和闭环调速性能.试验研究表明,该液压系统开环调速性能稳定,但刀盘转速波动较大.

设计一种液压油体积弹性模量综合实验系统，介绍该系统的工作原理；基于定义法设计弹性模量检测装置；设计伺服控制分系统并对其性能进行分析，结果表明所设计系统的性能指标较好地满足了设计要求；构建系统的总体结构。该系统不仅可以高精度地在线测量油液的体积弹性模量，也可用于研究液压油含气效应以及油液体积弹性模量与温度、压力、含气量等参数间的精确数学关系，还可研究弹性模量对系统动态特性的影响。