全断面大型掘进装备是用于地铁、基础设施与国防工程等地下作业的重要施工设备,具有非常广阔的市场前景。而掘进装备的掘进过程自动化控制与地质适应性优化运行,是实现掘进装备安全、稳定和高效掘进的关键。本论文以掘进过程地质适应性控制与掘进装备的轨迹纠偏控制为目标,深入分析了机电液多系统间的耦合规律,建立掘进装备闭链结构约束下多系统耦合模型,分析刀盘主驱动系统工作原理实现刀盘转速精准控制,实现地质适应性的优化运行;考虑掘进装备纠偏能力及安全约束,研究掘进装备的纠偏轨迹规划与轨迹纠偏控制;并在前述研究工作的基础上,针对地质条件复杂多变等现象对掘进面压力带来的强冲击问题,研究面向掘进面压力稳定的掘进过程多系统协调控制策略。本学位论文中的主要研究内容和创新点如下:1、将撑靴-推进-主梁之间首尾相接视为多个具有闭合运动链的结构,基于各闭链结构,分析撑靴系统、推进系统、主梁等各杆件铰链和缸体的运动学,获得Tunnel Boring Machine(TBM)整体闭链结构的运动学描述;建立瞬时横向速度为零的运动约束方程,以及维持瞬时横向速度为零的侧向力分析方程,得到近似描述围岩-盾体侧向约束的作用力;分析滚刀与岩石产生的作用力受切深、围岩特性与滚刀参数等的影响关系,得到推进-主驱动-围岩的相互耦合作用规律,并结合推进-调向多缸系统的闭链结构运动学-动力学耦合,建立多系统之间的耦合影响关系;基于拉格朗日动力学建模方法,建立了 TBM机电液多系统耦合动力学模型,为轨迹纠偏控制和刀盘主驱动转速控制奠定研究基础。2、分析敞开式TBM推进系统及撑靴系统的组成及工作原理,基于建立的TBM机电液多系统耦合动力学模型分别建立推进系统水平调向纠偏动力学模型和撑靴系统三维纠偏调向动力学模型;根据装备机构特征及施工约束,计算TBM最小拐弯半径,基于最小拐弯半径法求得TBM在各种不同偏离设定轴线情况下的纠偏规划轨迹;基于自适应鲁棒控制算法,分别为推进系统调向和撑靴系统调节设计TBM纠偏调向控制器,通过仿真实验表明,设计的Adaptive Robust Control(ARC)纠偏控制器在两种模式下均能快速、平衡、精准地将装备纠回到设定轴线上。3、分析TBM刀盘主驱动系统的工作机理,针对齿轮啮合过程中存在的死区现象提出死区拟合函数,建立刀盘主驱动系统动力学模型;设计TBM刀盘主驱动系统带有遗忘因子自适应观测器,对齿轮啮合齿隙等参数进行参数估计,提出的带有遗忘因子的自适应观测器对齿隙变化具有精确的预测能力,能快速平滑地跟踪实际值的变化,且具有很强的抗干扰能力;基于自适应鲁棒控制算法为刀盘主驱动系统设计了 ARC控制器,实现对刀盘转速的精准调控。实验结果表明,设计的ARC控制器能对刀盘转速进行快速精确的跟踪控制。4、分析土压式盾构机密封舱压力和掘进速度、螺旋输送机转速、注塑系统添加剂注入量之间的影响规律,建立土压式平衡盾构机密封舱压力平衡动态模型;基于预测函数控制算法设计密封舱压力平衡控制器,与传统PID控制器相比,PFC控制器能更快速更精准地跟踪密封舱压力设定值轨迹,且能有效克服模型的变化;在上海地铁17号线隧道施工中的土压式平衡盾构机上对设计的PFC控制器进行了实验验证,实验结果表明设计的PFC控制器和盾构机原有的PID控制器均能快速有效地跟踪上密封舱压力设定值,但是PFC的控制性能要明显优于PID控制器,压力波动更小,抗干扰能力更强。在论文的最后,对研究的工作内容进行了总结,并对未来后续的研究进行了展望。