基于模糊控制的鉆桿振動主動控制策略研究?

張 斐 賈曉龍

基于模糊控制的鉆桿振動主動控制策略研究?

張 斐1賈曉龍2

（1.陜西警官職業學院警察技術系 西安 710021）（2.長安大學工程機械學院 西安 710064）

論文從認識影響鉆桿振動的成因出發，結合鉆桿的振動特性研究結果，采用模糊控制策略，通過對鉆壓、轉速兩個主要鉆進參數的模糊控制實現鉆桿振動主動控制。最后通過在Matlab/Simulink中建立鉆桿振動控制的仿真模型，驗證該控制策略的控制效果，表明對鉆進參數的模糊控制能有效的控制鉆桿的振動，模糊控制策略適合鉆桿的振動控制，系統穩定，動態性能好。

模糊控制；鉆桿振動；策略研究；仿真驗證

AbstractThis paper from the understanding of the influence of drilling rod vibration causes，combined with the results of re?search on vibration characteristics of the drill pipe，the fuzzy control strategy，based on the drilling pressure，speed of two main drilling parameters fuzzy control rod vibration active control.Finally，the simulation model of pipe vibration control in Matlab/Simu?link is estallished，to verify the control effect of the control strategy of drilling parameters vibration control can control effectively the drill pipe fuzzy，fuzzy control strategy for vibration pipe control，system stability，good dynamic performance.

Key Wordsfuzzy control，drill pipe vibration，strategy research，simulation verification

Class NumberTH161

1 引言

近年來，隨著我國能源、交通、建筑業的發展，尤其是高鐵建設飛速發展，各種樁工機械應運而生，旋挖鉆機正是樁工機械行業的杰出代表。旋挖鉆機是一種適用于建筑基礎工程中灌注樁成孔作業的施工機械，經過幾十年的長足發展，其技術日趨成熟，越來越多的出現在樁基施工中。同時也面臨新挑戰，尤其是施工中遇到的地質層越來越復雜，鉆孔質量和鉆桿失效問題愈發突出。

鉆桿振動是引起鉆桿失效的主因，也是影響鉆孔質量的禍首。旋挖鉆機鉆孔作業過程中，由于地層的非均質性、孔底不平、鉆頭齒間歇切削和巖石等地層間歇破碎等原因，鉆頭要承受巨大的附加沖擊載荷和頻繁的交變應力，旋轉的鉆頭與巖石之間產生巨大的沖擊與振動，引起鉆桿振動。此外，鉆桿與動力頭之間的相互作用以及鉆桿的偏心等問題都會引起鉆桿的振動。強烈的振動沖擊加速鉆桿的疲勞破壞，引起裂紋的擴展，甚至直接斷裂［1］。總之，振動問題是導致旋挖鉆機作業性能下降的最主要原因之一，因此，分析鉆桿的振動原因并有效控制鉆桿振動迫在眉睫。

2 主要研究內容及方法

模糊控制理論是在美國柏克萊加州大學電氣工程Zadeh教授創立的模糊集合理論的數學基礎上發展起來的［2～3］。模糊控制系統由模糊控制器、輸入接口、輸出接口、傳感器、執行機構和被控對象六大部分組成，其結構如圖1所示。模糊控制器是系統的核心，是模糊控制系統區別于傳統反饋控制系統的主要標識。模糊控制器主要有知識庫和三個功能模塊組成，分別為模糊化、模糊推理、反模糊化，通過對控制變量進行模糊化、模糊推理、反模糊化三個過程，從而實現對控制對象的控制。

圖1 模糊控制系統框圖

本文基于模糊控制理論對鉆桿振動主動控制進行分析，優選控制算法進行旋挖鉆機鉆進工況下鉆桿的振動特性及其振動控制研究。在Matlab/Simulink中建立鉆桿振動控制的仿真模型，驗證該控制策略的控制效果。

3 鉆桿振動主動控制策略

在旋挖鉆機實際鉆進過程中，盡管造成鉆桿振動的原因是多方面的，但鉆進工藝合理與否是造成鉆桿振動的重要因素之一。本文從工法的角度入手，通過對轉速、鉆壓的控制達到鉆桿減振的目的。在采用旋挖鉆機進行施工時，首先針對實際作業需求及施工現場的地質情況作出預判，選用合理的鉆具組合；然后設定旋挖鉆機鉆桿的初始轉速及鉆壓，在轉速設定時要避開鉆桿的臨界轉速，避免引起共振；在鉆進過程中監測鉆桿的振動情況，當鉆桿振動情況超出可控范圍，則通過控制器不斷調節轉速、鉆壓，在保證鉆進效率的前提下，使鉆桿工作在振動最小的鉆進參數下。若在轉速、鉆壓的調節范圍內，經過鉆進參數的反復調節，鉆桿振動仍難以控制在適度范圍內，則需要提鉆，重新改進鉆進工藝，更換鉆具組合。具體控制思路如流程圖2所示［4］。

控制流程的核心是通過轉速、鉆壓的適時調節，達到減振目的。但在實際施工中轉速與鉆桿振動以及鉆壓與鉆桿振動之間并不是一個線性關系，它們之間的關系不可能用一個精確的數學關系式來表示，這就使得傳統控制方法無法適應此控制要求。

圖2 鉆桿振動控制流程圖

模糊控制就是建立在人工經驗的基礎之上的，根據鉆桿的振動情況來模糊推理鉆桿的期望轉速與鉆壓，從而不需要精確的數學關系式就能使鉆桿很好地滿足不同工況的要求。因此，本文選用模糊控制方法進行鉆桿振動的主動控制。采用閉環的模糊控制系統，當傳感器監測到鉆桿系統第五節鉆桿的質心振動位移超出期望值，則模糊控制器根據設計的模糊推理規則進行轉速、鉆壓的調節，使得鉆桿在滿足鉆進效率的前提下工作在振動最小的轉速與鉆壓下。

選定控制策略和控制方法之后，就要考慮控制律，如何實施控制的問題。在不考慮其他因素的情況下，當鉆壓一定時，隨著轉速的增大，以鉆桿的橫向振動情況逐漸減小為主，同時伴隨有縱向振動的輕微增大；而當轉速一定時，鉆桿的橫向振動位移隨著鉆壓的增大而減小，縱向振動較小的增大趨勢。這就可以看出，不是說鉆桿的轉速與鉆壓越大就對其振動擬制越有利。在實際工作中，過大的轉速與鉆壓又會引起其他造成鉆桿振動的連帶因素出現。鉆壓增大盡管可以降鉆桿的橫向振動，但是也會使鉆柱的彎曲程度增大，從而增大發生向后渦動的可能性，而且也使得引發粘滑現象的概率有所上升［5］。總之，以上這些因素都是要在控制系統的模糊控制規則建立中充分考慮的。在優選區間內找到轉速與鉆壓的最佳工況點，這就是模糊控制所要完成的工作。

4 系統傳遞函數確定

鉆桿系統是由五節伸縮鉆桿組合而成，在鉆進過程中其實際受力情況比較復雜。這就很難求解出其精確的數學模型，而模糊控制本身的特點是不需要系統精確的數學模型［6］。因此，我們可以對鉆桿系統做適當的化簡處理。借鑒前人的研究經驗，采用實驗法可得到系統的傳遞函數［7］。在不考慮非線性因素的情況下，可將鉆桿系統簡化為一個二階系統，典型的二階系統的傳遞函數為

式中，ζ為阻尼比，ωn為系統自由振動頻率。

這樣只要得到鉆桿系統的阻尼比及其自由振動頻率，帶入式（1）就可以得到鉆桿系統近似的傳遞函數［8］。鉆桿施工時其振動形式主要表現為XOZ平面內擺動，因此選用工況下鉆桿在XOY平面的振型，其一階固有頻率 f=0.104 Hz，則可得到對應的圓頻率為

ζ通過鉆桿自由振動實驗得到的，圖3為鉆桿工況垂直狀態時自由振動曲線。

圖3 鉆桿系統自由振動曲線

二階系統工作在欠阻尼狀態時，其振蕩的響應為

式中，ωd= 1-ζ2ωn，為阻尼固有頻率。

在圖3自由振動曲線中取t1，t2兩個時刻的峰值 y1，y2，兩個時刻相差k個周期，對應的采樣點分別為n1，n2［9］，則由式（3）可得

將式（5）帶入（4）中，得到

圖中選取的兩個點為 (n1，y1)和 (n2，y2)，n1=1，y1=0.0154，n2=30，y2=0.0060，k=29，帶入式（6）得阻尼比為ζ=0.0052。

將阻尼比，固有頻率帶入式（2），即可得到鉆桿系統的傳遞函數為

5 鉆桿振動控制系統建模及仿真

結合前述分析，根據模糊控制策略，在Matlab的Simulink工具箱中建立轉速作為控制量時的鉆桿振動模糊控制模型［10］，如圖4所示。在系統中添加擾動信號模擬鉆桿所受外載荷激勵，擾動信號設定為r(t)=A sin(2πft)，其中頻率取鉆桿工況二階固有頻率，f=0.522 Hz，幅值給定為20mm。設置仿真時間為40s，得出仿真結果如圖5所示。另外，鉆壓作為控制量時系統控制模型與圖4基本相同，采用同樣的仿真方法，得出結果如圖6所示。

圖4 模糊控制SIMULINK仿真模型

圖5 鉆桿振動模糊控制結果（轉速）

圖6 鉆桿振動模糊控制結果（鉆壓）

從仿真結果可以看出，采用模糊控制通過對鉆進參數（轉速、鉆壓）的調節，能夠較好的降低鉆桿的振動，從以上仿真過程中可以看出隨著時間的推移，模糊控制系統一直很穩定，動態性能好，能很快建立有效的控制。以轉速作為控制量時，正弦信號振幅下降了45%，但是控制信號有一定的滯后；而以鉆壓作為控制量時，擾動正弦信號振幅下降了25%，控制信號跟蹤特性好。不難看出，單獨以轉速作為控制量時其對鉆桿的振動擬制效果要優于以鉆壓作為控制量。在實際作業當中，鉆桿的轉速調節具有靈活性，而鉆壓的調節變化不能太大，需要穩定。因此，在鉆桿振動控制過程中我們要以轉速調節為主，鉆壓調節為輔。

6 結語

本文基于主動控制理論，結合鉆桿模態分析及振動特性研究結果，采用模糊控制策略進行鉆桿振動的主動控制。對模糊控制理論進行了介紹，綜合模糊控制的特點及鉆桿振動控制的特殊性，給出了鉆桿振動控制的控制原理及控制方法。

對鉆桿系統進行了簡化處理，通過實驗法求解了鉆桿典型二階系統的傳遞函數。基于模糊控制進行鉆桿的振動控制器設計，在Matlab/Simulink中建立控制系統的仿真模型進行仿真；仿真結果表明：通過對鉆進參數（轉速、鉆壓）的模糊控制能有效地控制鉆桿的振動，模糊控制策略適合鉆桿的振動控制，系統穩定，動態性能好。后續研究工作將會改進參數控制與減振器結合使用，實現功能互補。鉆進參數的控制有效地從源頭降低鉆桿的振動，良好的振動吸收器在振動傳播過程中能很好地吸收鉆桿的振動能量，雙保險真正做到降低鉆桿振動。

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Study on Active Control Strategy of Rod Vibration Based on Fuzzy Control

ZHANG Fei1JIA Xiaolong2
（1.Department of Police Technology，Shaanxi Police College，Xi’an 710021）（2.School of Construction Machinery，Chang’an University，Xi’an 710064）

TH161

10.3969/j.issn.1672-9722.2017.09.017

2017年3月5日，

2017年4月10日

國家自然科學基金項目“基于層次堆聚理論的并聯機器人動力學建模與約束更隨控制方法研究”（編號：51605038）；“深變環境對大深度油壓源動力特征的作用機制及遷移規律研究”（編號：51509006）；陜西省教育廳專項科研計劃項目（編號：14JK2023）資助。

張斐，男，碩士，講師，研究方向：計算機工程軟件仿真。賈曉龍，男，研究方向：工程機械。