帶死區(qū)輸入的海洋柔性立管邊界控制方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于海洋柔性立管振動抑制技術(shù)領(lǐng)域，更為具體地講，設(shè)及一種帶死區(qū)輸 入的海洋柔性立管邊界控制方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 在海洋工程中，海洋立管的作用是連接海洋資源和海面作業(yè)平臺，進行鉆探、導(dǎo) 液、導(dǎo)泥工作。隨著深海油氣開發(fā)的發(fā)展，海洋柔性立管作為油氣傳輸?shù)年P(guān)鍵部件，其作用 顯現(xiàn)得更加重要。圖1是典型海洋立管系統(tǒng)示意圖。如圖1所示，柔性立管連接著海面上 的船只和海底的油田。實際生產(chǎn)中，因為海洋所處的嚴(yán)峻的海洋環(huán)境（海洋波浪，洋流），立 管將會在外部擾動下產(chǎn)生嚴(yán)重的縱禍振動，在深海開發(fā)過程中，擾動引起的縱禍振動是立 管疲勞損傷的主要因素，可能會引起立管斷裂等嚴(yán)重的后果，給生產(chǎn)安全和自然環(huán)境帶來 重大的損失。因而，振動的抑制是必須要考慮并解決的問題。
[0003] 在系統(tǒng)的動力學(xué)分析中，海洋柔性立管是一個典型的分布式參數(shù)系統(tǒng)，其無窮維 的特點是在后續(xù)的設(shè)計過程中的難點。針對于分布式參數(shù)系統(tǒng)，常見的方法是用具有若干 邊界條件的一系列偏微分方程或近似的常微分方程來對系統(tǒng)模型進行描述。與常微分方程 相比，基于偏微分方程的系統(tǒng)動力學(xué)模型，在系統(tǒng)的穩(wěn)定性等方面有很大的優(yōu)勢。
[0004] 目前國內(nèi)外深海立管縱禍振動的抑制裝置一般是在立管來流方向上加上各種導(dǎo) 流裝置，例如專利號為201010619503. 9的中國發(fā)明專利提出了一種仿魚尾式整流罩的水 下立管縱禍振動抑制裝置；專利號為201010513203. 2的中國發(fā)明專利提出了一種深海立 管唇式反向禪合雙螺旋葉片式禍激振動抑制裝置。此類裝置一般重量大、價格高，并且該 一類解決系統(tǒng)裝置采用的是被動抑制法，在實際的工作環(huán)境和制造成本上具有很大的局限 性。
[0005] 在現(xiàn)實的環(huán)境中，輸入限制是一種十分常見的情況，如飽和，死區(qū)，遲滯等。該些非 線性的輸入特性會給系統(tǒng)的穩(wěn)定性方面帶來挑戰(zhàn)。在設(shè)計深海立管縱禍振動的抑制裝置時 也需要考慮該些因素。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種帶死區(qū)輸入的海洋柔性立管邊 界控制方法，實現(xiàn)對海洋振動下的立管振動的有效抑制。
[0007] 為實現(xiàn)上述發(fā)明目的，本發(fā)明帶死區(qū)輸入的海洋柔性立管邊界控制方法，包括W 下步驟：
[000引 S1 ;對海洋柔性立管系統(tǒng)進行建模，得到柔性立管系統(tǒng)的控制方程為：
[0009]
【主權(quán)項】
1. 一種帶死區(qū)輸入的海洋柔性立管邊界控制方法，其特征在于，包括以下步驟： 51 :對海洋柔性立管系統(tǒng)進行建模，得到柔性立管系統(tǒng)的控制方程為：
其中，以立管與油田的連接處為原點，X表示立管當(dāng)前位置距離原點的垂直距離，X的 取值范圍為O < X < L，L表示海平面到原點的垂直距離；t表示時間，取值范圍為t多O ; ρ(.χ-,?)表示時間t時立管X處的橫向位移，沴和穸分別表示函數(shù)對時間t 的一階導(dǎo)數(shù)和二階導(dǎo)數(shù)，
）分別表示函數(shù)對距離X的二階導(dǎo)數(shù)和 四階導(dǎo)數(shù)；P表示立管的密度；EI表示立管的彎曲剛度；Q表示張力；f(x，t)表示時變洋流 對在時間t對立管X處的干擾作用力；c表示立管的阻尼系數(shù)； 52 :構(gòu)建邊界控制率V計算公式為：
其中，sgn()表示符號函數(shù)，和分別表示在立管頂端L 處的一階導(dǎo)數(shù)和三階導(dǎo)數(shù)，表示頂端的傾角，V"(乙〇表示頂端的剪切力， 沴(1,/)、(^(1^)和(^〃(1,〖）分別表示(^(4)、(^(1,()和9/〃(1,〇對時間七的一階導(dǎo)數(shù) ； Ms表示位于海平面處、與立管頂端連接的驅(qū)動裝置的重量；d s表示驅(qū)動裝置的阻尼系數(shù)； kpkJPk表示控制增益參數(shù)； Φ⑴=[ΦΑ) <i^(t)]T，上標(biāo)T表示矩陣轉(zhuǎn)置，其中：
F (t) = [F1(V) Fr(V) ]τ，其中：
其中，M5P h為死區(qū)邊界，上標(biāo)"' "表示一階求導(dǎo)，&⑴表示以V為變量的函數(shù)，需要 滿足的條件為：
Ua (t)為輔助信號，定義為：
對時間t的一階導(dǎo)數(shù)，γ 表示待定參數(shù)； 參數(shù)ki、k2、k和γ通過預(yù)先訓(xùn)練得到，訓(xùn)練方法為：預(yù)先仿真一個柔性立管系統(tǒng)，設(shè)置 邊界控制率V計算公式中其他各個參數(shù)，根據(jù)邊界控制率V計算公式和步驟Sl中的控制方 程進行仿真訓(xùn)練，其訓(xùn)練目標(biāo)是令柔性立管上各處的橫向位移均小于等于橫向位移 的 M%，0< M < 100 ; 53 :在時刻t，采用位移傳感器測量得到柔性立管頂端的橫向位移，采用傾角計 測量得到傾角，采用剪切力傳感器測量得到剪切力，再通過歷史數(shù)據(jù)得到 三個參數(shù)在時刻t的導(dǎo)數(shù)分(Ζ，〖）、分"_'(乙廠)； 54 :將步驟S3得到的實際參數(shù)代入步驟S2得到的邊界控制率計算公式，得到時刻t的 邊界控制率V (t)，驅(qū)動裝置根據(jù)邊界控制率V (t)向柔性立管頂端施加作用力。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的海洋柔性立管邊界控制策略，其特征在于，所述步驟Sl中， f (X，t)的表達式為：
其中，03表示海水密度，CD(x，t)表示阻力系數(shù)，U(x，t)表示時變洋流，B表示立管外 徑，fv表示漩渦脫落頻率，Θ表示相位角，Ad表示阻力振動部分的幅值。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的海洋柔性立管邊界控制策略，其特征在于，所述步驟S3中 導(dǎo)數(shù)分(U)Y(LJ)(AJ)的求取方法為：根據(jù)時刻t-Ι的P(U-I)、 和和時刻t的和,采用后向差分算法得到 分(L，/)、<^(L，/)。
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種帶死區(qū)輸入的海洋柔性立管邊界控制方法，對海洋柔性系統(tǒng)進行建模，得到柔性立管系統(tǒng)的控制方程，構(gòu)建邊界控制率計算公式，對于邊界控制率未確定的控制增益等參數(shù)，通過預(yù)先訓(xùn)練得到，然后實際測得柔性立管頂端的橫向位移、傾角和剪切力，并通過歷史數(shù)據(jù)得到這三個參數(shù)在時刻t的導(dǎo)數(shù)，最后將實際參數(shù)代入邊界控制率計算公式，得到時刻t的邊界控制率，驅(qū)動裝置根據(jù)邊界控制率向柔性立管頂端施加作用力。本發(fā)明可以實現(xiàn)對海洋振動下柔性立管振動的有效抑制，并且測量參數(shù)少，易于實現(xiàn)。
【IPC分類】G06F17-50
【公開號】CN104537144
【申請?zhí)枴緾N201410706873
【發(fā)明人】賀威, 何修宇, 聶雙喜, 秦暉
【申請人】電子科技大學(xué)
【公開日】2015年4月22日
【申請日】2014年11月27日