羅春雷，范增輝，賀建超，吳偉傳，張 宜

(1.中南大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，湖南長(zhǎng)沙410083;2.長(zhǎng)沙市湖昆工程機(jī)械有限公司，湖南長(zhǎng)沙410014)

0 引言

液壓振動(dòng)樁錘是一種低噪聲、高效率的環(huán)保型樁工機(jī)械，其作業(yè)能力強(qiáng)、便于控制，具有電動(dòng)振動(dòng)錘無(wú)法比擬的優(yōu)越性.國(guó)外最早開(kāi)始液壓振動(dòng)樁錘的研制于上世紀(jì)六十年代，并且發(fā)展迅速.荷蘭HBM公司從1964年開(kāi)始研究液壓振動(dòng)樁錘，歷經(jīng)5年，研制出第一臺(tái)樣機(jī)，又于1972年將改進(jìn)后的樣機(jī)推向建筑市場(chǎng).該公司的HBM－18液壓振動(dòng)樁錘是當(dāng)時(shí)國(guó)際上最先進(jìn)的液壓打樁錘.隨后，法國(guó)、日本等發(fā)達(dá)國(guó)家先后開(kāi)始研究并取得了較好成果.八十年代末，日本日立建機(jī)公司研制出能打斜樁的液壓樁錘.在我國(guó)，液壓樁錘的研制較晚，且主要是效仿國(guó)外模式，因?yàn)閲?guó)外產(chǎn)品的零部件加工精度較高，制造成本高，并且國(guó)內(nèi)產(chǎn)品不同程度存在傳動(dòng)效率低和油溫高等不足，所以截止目前，我國(guó)仍未形成液壓振動(dòng)樁錘的定型產(chǎn)品.隨著國(guó)內(nèi)建筑基礎(chǔ)工程行業(yè)的迅猛發(fā)展，城市施工對(duì)環(huán)保要求的日益提高，使得液壓振動(dòng)錘在國(guó)內(nèi)具有非常廣闊的市場(chǎng)［1－2］.

液壓振動(dòng)樁錘采用液壓變量系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)無(wú)級(jí)調(diào)頻，適用于不同土壤［3］.易實(shí)現(xiàn)機(jī)電一體化控制，智能化作業(yè).筆者在振動(dòng)理論的基礎(chǔ)上［4］，提出一種自調(diào)整模糊控制器，實(shí)現(xiàn)樁錘振動(dòng)頻率的智能調(diào)節(jié)控制，使樁錘工作達(dá)到最佳狀態(tài)，提高其工作效率.

1 樁－土共振沉樁工作機(jī)理

當(dāng)土體受到振動(dòng)時(shí)，土壤有變密趨勢(shì)，如果土壤是飽和的，要變密必須從縫隙中排擠出一定的水分.如果土體的滲透性不良，瞬時(shí)振動(dòng)變形使需要從孔隙中排除的水來(lái)不及排出土體，必然會(huì)使土體中孔隙水壓上升，顆粒之間的有效應(yīng)力隨之降低，當(dāng)孔隙水壓力上升使土壤顆粒間有效應(yīng)力降為零時(shí)，土壤顆粒就會(huì)懸浮于水中，成為黏滯流體，抗剪強(qiáng)度τf與抗剪剛度幾乎都等于零，土體處于流動(dòng)狀態(tài)，這就是沙土液化現(xiàn)象［5］.

其中中頻振動(dòng)錘的設(shè)計(jì)理論是將振動(dòng)錘和樁視為獨(dú)立的系統(tǒng).當(dāng)樁的振動(dòng)頻率與土壤顆粒的自振頻率一致時(shí)，土壤顆粒產(chǎn)生共振.此時(shí)，土壤顆粒有足夠的振動(dòng)速度和加速度，能迅速破壞樁與土壤之間的黏結(jié)力，使兩者之間由壓緊狀態(tài)過(guò)渡到瞬時(shí)分離狀態(tài).樁的側(cè)面阻力大大降低，進(jìn)而使土壤產(chǎn)生液化現(xiàn)象，促成樁順利沉入土中.

在沉樁過(guò)程中，隨著打樁深度的改變，地基土的剛度、阻尼等特性不斷變化，地基土的固有頻率不斷變化，如果振動(dòng)錘的振動(dòng)頻率不隨之變化，使其工作在近共振狀態(tài)，則會(huì)降低振動(dòng)錘的工作效率.

通過(guò)對(duì)近共振沉樁的深入研究，設(shè)計(jì)了一種調(diào)節(jié)樁錘振動(dòng)頻率的參數(shù)自調(diào)整模糊控制器，實(shí)現(xiàn)樁錘振動(dòng)頻率的智能調(diào)節(jié)，使樁錘工作達(dá)到近共振的狀態(tài)，地基土擾動(dòng)最大，提高土的“液化”效果，獲得最大的沉樁速度.

2 參數(shù)自調(diào)整模糊控制器設(shè)計(jì)

假設(shè)土剛度、阻尼不變.由振動(dòng)理論［6］可知，在阻尼比ξ≠0的條件下，最大振幅對(duì)應(yīng)的自振圓頻率并不等于地基固有頻率ωn，而是在ωn處偏左.因此在最大振幅處的振動(dòng)稱為近共振.

樁錘作業(yè)過(guò)程中，樁總是在下沉，導(dǎo)致地基土對(duì)樁側(cè)包容面積和樁端土?xí)r刻在變，因而沉樁過(guò)程中地基土的特性參數(shù)K、C也是時(shí)變的.因此系統(tǒng)從某一頻率搜索到共振頻率后，如果地基土改變，此時(shí)觀察到振幅有較大改變，則再次以很小步長(zhǎng)改變馬達(dá)頻率，得到振幅相對(duì)于頻率變化2 100 r/min從0變?yōu)槟骋恢?，控制系統(tǒng)輸出與給定輸入0之間又產(chǎn)生偏差，于是控制器又根據(jù)偏差調(diào)節(jié)閥控馬達(dá)頻率將偏差校正為0.考慮到地基土特性參數(shù)的難以確定性以及液壓系統(tǒng)參數(shù)具有時(shí)變性，近共振頻率將采用參數(shù)自調(diào)整模糊搜索.其工作流程圖如圖1所示.

與頻率調(diào)節(jié)面臨的對(duì)象主要是液壓系統(tǒng)的時(shí)變性相比，模糊控制器所面臨的地基土特性參數(shù)變化的無(wú)法預(yù)知及樁－土振動(dòng)的真實(shí)非線性、振動(dòng)模型的時(shí)變性，顯示了模糊搜索面對(duì)的條件異常復(fù)雜.而模糊控制規(guī)則的確定性和可調(diào)性在很大程度上決定了模糊控制的適應(yīng)性.為此，筆者引用帶有一個(gè)修正因子的控制規(guī)則，表達(dá)式如下：

在基本的模糊控制器的基礎(chǔ)上增加一個(gè)智能調(diào)整器，即參數(shù)在線調(diào)整模糊控制器［7］.如圖2所示.

參數(shù)α控制規(guī)則解析式為：

當(dāng)誤差小時(shí)，Ku自動(dòng)減小，其調(diào)整規(guī)律如式(3).

式中：Kup為比例系數(shù);Kui為積分系數(shù);Kud為微分系數(shù).

由模糊推理可推出自調(diào)整因子α，即相當(dāng)于增加了一個(gè)模糊控制器，用于調(diào)整加權(quán)因子α.令本模糊控制器的輸出誤差E、誤差變化率EC、輸出α與原基本模糊控制器一致.

α的控制規(guī)則建立思想如下：當(dāng)誤差較大時(shí)，消除誤差是控制系統(tǒng)的主要任務(wù).這時(shí)對(duì)誤差在控制規(guī)則中的加權(quán)應(yīng)該大一些.相反當(dāng)誤差較小時(shí)，使系統(tǒng)盡快穩(wěn)定是控制系統(tǒng)的主要任務(wù).因此就要求誤差的變化率在控制規(guī)則中起較大的作用.根據(jù)以上思想及專家經(jīng)驗(yàn)，得到加權(quán)因子α的整定規(guī)則如表1，模糊輸出量α查詢表如表2.

表1 加權(quán)因子α的整定規(guī)則表Tab.1 The tuning rule table of α

3 近共振沉樁模糊控制器仿真實(shí)驗(yàn)

用MATLAB［8］進(jìn)入SIMULINK對(duì)2中設(shè)計(jì)的模糊控制系統(tǒng)的工作過(guò)程進(jìn)行仿真模擬，仿真框圖如圖3所示，仿真結(jié)果如圖4所示.在地基土地質(zhì)條件短時(shí)未改變的前提下，本仿真實(shí)驗(yàn)研究了樁錘從ω=0開(kāi)始，模糊控制器搜索近共振頻率過(guò)程的響應(yīng)特性.

表2 模糊輸出量α查詢表Tab.2 The lookup table of α

圖4 控制系統(tǒng)仿真結(jié)果Fig.4 The results of Control System simulation

圖4中，縱坐標(biāo)是幅頻曲線的斜率，橫坐標(biāo)是閥控馬達(dá)的頻率.曲線a代表帶參數(shù)自調(diào)整模糊控制器系統(tǒng)仿真結(jié)果，曲線b代表帶普通模糊控制器系統(tǒng)仿真結(jié)果.可以看到斜率的確經(jīng)歷了一個(gè)從0到最大值，又從最大值到0的過(guò)程.與普通模糊控制器相比，參數(shù)自調(diào)整模糊控制器的超調(diào)僅為前者的30%.從仿真結(jié)果中查取的時(shí)間表明，前者所用時(shí)間為0.05 s，而后者所用時(shí)間僅為0.02 s，時(shí)間縮短了60%.可見(jiàn)，筆者所設(shè)計(jì)的參數(shù)自調(diào)整模糊控制器控制所需時(shí)間比普通模糊控制器所需時(shí)間更少，超調(diào)更小.

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

實(shí)驗(yàn)裝置為SFA160型液壓振動(dòng)樁錘.該樁錘為中頻振動(dòng)錘，通過(guò)柴油機(jī)變頻來(lái)無(wú)級(jí)調(diào)節(jié)振動(dòng)頻率，自身具有油壓力、轉(zhuǎn)速和深度檢測(cè)顯示功能.測(cè)出樁的振幅變化及樁錘振動(dòng)頻率的變化，可得出如圖5所示實(shí)驗(yàn)結(jié)果.分析可知，在實(shí)際工作中，與普通模糊控制器相比，參數(shù)自調(diào)整模糊控制器的超調(diào)僅為前者的40%.從實(shí)驗(yàn)記錄中查取的時(shí)間表明，前者所用時(shí)間為0.61 s，而后者所用時(shí)間為1.12 s，時(shí)間縮短了46%.與仿真結(jié)果基本相符，進(jìn)一步驗(yàn)證了筆者所設(shè)計(jì)的模糊控制器的優(yōu)越性.

圖5 控制系統(tǒng)試驗(yàn)結(jié)果Fig.5 The result of control system test

5 結(jié)論

(1)設(shè)計(jì)的參數(shù)自調(diào)整模糊控制器能實(shí)現(xiàn)振幅、頻率在線模糊調(diào)節(jié)，使樁錘在沉樁作業(yè)過(guò)程中自動(dòng)處于樁－土近共振狀態(tài).仿真結(jié)果表明，參數(shù)自調(diào)整模糊控制器與普通模糊控制器相比，前者所需時(shí)間比后者減少了60%，超調(diào)降低了70%.實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，參數(shù)自調(diào)整模糊控制器運(yùn)算所需時(shí)間減少了46%，超調(diào)降低了60%.

(2)采用模糊控制實(shí)現(xiàn)振幅在線監(jiān)測(cè)、運(yùn)算，頻率在線模糊調(diào)節(jié)使樁錘在沉樁作業(yè)過(guò)程中自動(dòng)處于樁－土近共振狀態(tài).提高了振動(dòng)樁錘的工作效率.

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