Vers la robotisation du forage sonique de pré-soutènement : contrôle frontière de vibration axiale

par Khouloud Latrach

Thèse de doctorat en Automatique

Sous la direction de Lotfi Beji.

Le président du jury était Gabriel Abba.

Le jury était composé de Lotfi Beji, Gabriel Abba, Didier Georges, Laredj Benchikh.

Les rapporteurs étaient Didier Georges.


  • Résumé

    La mise en place du pré-soutènement du tunnel au cours de la méthode conventionnelle en forage sonique peut engendrer des tassements et des mouvements de terrain majeurs. Ce processus manuel présente un danger pour le personnel et entraîne une augmentation du coût et de la durée des chantiers. Dans ce contexte, cette thèse présente des solutions dans le but de développer une nouvelle génération de machines de forage automatiques permettant de contourner ces problèmes. Dans un premier lieu, nous nous sommes intéressés au contrôle des vibrations axiales produites au cours du forage sonique afin d’optimiser le forage par la canalisation de l’énergie le long du train de tiges ainsi que la possibilité d’embarquer ultérieurement la tête de forage par un robot manipulateur. A cet effet, un modèle de vibrations à paramètres distribués, représenté par des EDP de type hyperbolique avec des conditions aux limites dynamiques a été établi. Ensuite, nous avons généré un modèle de référence sous une force d’entrée de percussion dont l’amplitude dépend d’une fréquence de rotation de résonance, permettant d’atteindre une amplitude maximale de l’outil de forage. Une fois ces deux modèles définis, nous nous sommes attaqués au contrôle des vibrations axiales. Premièrement, deux lois de contrôle frontières dépendant respectivement des déplacements axiaux du train de tiges au niveau de la tête et de l’outil pour assurer la poursuite des trajectoires de référence ont été proposées. La stabilité au sens de Lyapunov de ces deux commandes, développées à l’aide de la construction de la pseudo-énergie du système de forage a été prouvée. Ensuite, en vue d’améliorer ces résultats de stabilité, la méthode de platitude a été utilisée pour assurer une convergence exponentielle de l’état vers les références. En dépit de l’efficacité des lois de commande proposées en termes de simulations effectués, l’implémentation de ces contrôleurs sur une machine de forage réelle reste impossible car elle nécessite la connaissance des variables d’état (position, vitesse et accélération) au niveau de l’outil de forage, qui ne sont pas disponibles à la mesure, vue l’impossibilité de placer des capteurs au niveau de l’extrémité basse du train de tiges au cours du forage. Pour contourner ce problème, un observateur à paramètres distribués co-localisé a été proposé en utilisant le déplacement axial des vibrations au niveau de la tête. De ce fait, l’étude de l’existence et l’unicité des solutions de cet observateur en dimension infinie, en utilisant la théorie de semi-groupe, nous a permis d’assurer sa stabilité au sens de Lyapunov. Dans la deuxième partie, la thèse se concentre sur le processus d’injection fluidique permettant d’évacuer les déblais et d’éviter le bouchage au cours du forage. Une fois les phénomènes liés à l’injection fluidique, le débit issu de l’interaction de l’outil avec le sol, le système d’évacuation des déblais à travers l’espace annulaire et le mouvement de translation de la glissière ont été couplés, nous avons construit une commande basée observateur afin de stabiliser la pression au fond du trou. Dans la dernière partie, en vue d’effectuer des campagnes d’essais à l’aide d’une machine de forage sonique sur un sol de type connu, nous nous sommes intéressés à la conception d’un système d’acquisition et de contrôle en temps réel. Ensuite, une interface homme machine a été créée pour l’affichage et le stockage des données afin de pouvoir les réutiliser dans les analyses post-traitement.

  • Titre traduit

    Towards the robotisation of pre-reinforcement in sonic tunneling : axial vibration boundary control


  • Résumé

    The tunnel pre-reinforcement during the conventional tunneling method in sonic drilling can lead to subsidence and significant ground movement with important human and economic consequences. In this context, this thesis aims to present solutions for developing a new generation of automatic drilling machines to circumvent these problems. In the first place, we were interested in controlling axial vibrations produced during this process in order to optimize the drilling by channeling the energy along the drill-string and later the possibility of embedding the drill head by a robot. For this purpose, a distributed parameter model of axial vibrations, represented by hyperbolic PDEs with dynamic boundary conditions, has been established. Then, we generated a reference model under a percussion input force whose amplitude depends on a resonant rotation frequency to reach a maximum amplitude of the drill bit. Once these two models were defined, we tackled the control problem of axial vibrations. Firstly, an energy-based controllers have been proposed to ensure the convergence of both top and bottom axial displacements toward the references. Then, in order to improve these stability results, the flatness method was used to guarantee an exponential convergence of the error dynamics and a desired drilling dynamical behavior. In spite of the efficiency of the control laws proposed in terms of simulations carried out, the implementation of these controllers on a real drilling machine remains impossible. In fact, experimental validation requires knowledge of the drill-string variables at the down-hole (position, velocity and acceleration). Nevertheless, the down-hole system’s variables measurements, are unrealizable during drilling in underground tunneling. To circumvent this problem, a collocated boundary observer in infinite dimension has been proposed using the top axial displacement of vibrations. Therefore, the study of the existence and uniqueness of the solutions of this observer using the semigroup theory, allowed us to ensure the Lyapunov stability of this proposed distributed parameter observer. In the second part, we study the process of fluid injection allowing to remove the cuttings and to avoid the clogging during the drilling operation. Once the phenomena related to the fluid injection, the flow resulting from the interaction of the drill bit with the soil, the system for removing the cuttings through the annular space and the translational movement of the slide have been coupled , we constructed an observer based control to stabilize the downhole pressure. In the last part, with a view to carrying out test campaigns using a sonic drilling machine on a known type of soil, we were interested in the design of an acquisition and control system in real time. Next, a Human–computer interaction has been created for the display and storage of data so that they can be reused in post-processing analyzes.

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Informations

  • Sous le titre : Vers la robotisation du forage sonique de pré-soutènement : contrôle frontière de vibration axiale
  • Détails : 1 vol. (xii-134 p.)
  • Annexes : Bibliogr. p. 129-134.
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