近年来,城市交通道路建设需求飞速增长,然而,可利用的土地资源越来越少,因此地铁隧道成为了未来城市交通建设的发展趋势。盾构技术由于开挖速度快、对地面建筑和现有道路影响小等优点,成为了地铁隧道建设的首要选择。盾构机在施工过程中需要按照预先设计的轨迹前进,有着严格的精度要求。然而,在掘进过程中,由于复杂多变的地质情况和随机强载荷的影响,导致工作时的开挖路线与预先设计的路线之间经常发生偏差。如果不能及时快速的纠正掘进轨迹,使盾构机按照预先设计的路线运行,将会影响施工进度,甚至导致严重的事故乃至整个工程的失败。因此,采用合适的控制策略来实现准确、快速地姿态纠偏控制具有实际意义。针对目前盾构姿态纠偏控制大多基于司机的经验,人工手动的进行控制,或者基于经验进行PID控制,难以实时有效的进行姿态控制,而且控制效果也不是很理想,容易形成蛇形纠偏的情况。本文对盾构施工时的姿态控制系统的建模和控制策略进行了分析和研究,希望能对盾构的姿态控制起到一些帮助。主要研究工作如下:1、建立了盾构姿态控制系统的模型。要想对盾构的掘进轨迹快速准确的控制,需要准确快速的控制液压推进系统,通过大量的参考文献总结出,需要在施工过程中对系统的压力以及流量进行精确的控制,保证压力和流量的控制能够有快速的响应速度和波动小的特点。因此,把液压推进系统所需的液压流量作为输入量,液压推进系统的压力和推进速度作为输出量,建立了姿态控制系统的数学模型。2、在对盾构机的构造以及液压推进系统对盾构姿态控制之间的关系研究的基础上,研究了导致盾构偏离预先设定路线的原因,提出了一种基于改进的粒子群优化非线性PID的盾构姿态控制策略。利用粒子群优化算法优化非线性PID控制器所需要的参数,设计得到了经过优化的非线性PID控制器。3、采用传统PID、非线性PID和经过改进的粒子群优化非线性PID算法,对盾构掘进过程的姿态控制进行了研究。将所设计的控制器与建立的姿态纠偏模型相结合,能实现对系统的压力、速度以及轨迹跟踪的控制。通过MATLAB/Simulink仿真验证,所设计的控制器能够较好的控制系统压力和速度,可以较好的跟踪预设的盾构纠偏轨迹,具有超调小,控制精度高,鲁棒性好等优点。