[發(fā)明專利]針對(duì)海洋柔性立管系統(tǒng)的魯棒自適應(yīng)三維振動(dòng)抑制方法

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201810670547.0
• 申請(qǐng)日: 2018-06-26
• 公開（公告）號(hào): CN108729862B
• 公開（公告）日: 2020-01-21
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 趙志甲;肖穎;張潤(rùn)成;廖永健;馬永浩;韋蘊(yùn)珊
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 廣州大學(xué)
• 主分類號(hào): E21B17/01
• 分類號(hào): E21B17/01;E21B17/10
• 代理公司: 44202 廣州三環(huán)專利商標(biāo)代理有限公司
• 代理人: 顏希文;麥小嬋

本發(fā)明公開了針對(duì)海洋柔性立管系統(tǒng)的魯棒自適應(yīng)三維振動(dòng)抑制方法，該方法包括：建立海洋柔性立管系統(tǒng)的三維動(dòng)力學(xué)模型；根據(jù)三維動(dòng)力學(xué)模型，設(shè)計(jì)魯棒自適應(yīng)邊界控制器；獲得海洋柔性立管系統(tǒng)的實(shí)時(shí)參數(shù)；根據(jù)魯棒自適應(yīng)邊界控制器和實(shí)時(shí)參數(shù)，向驅(qū)動(dòng)裝置發(fā)送控制命令，以使驅(qū)動(dòng)裝置對(duì)柔性立管施加作用力，以抑制立管振動(dòng)。采用本發(fā)明技術(shù)方案能在外界存在變化干擾時(shí)，實(shí)現(xiàn)對(duì)柔性海洋立管系統(tǒng)的三維振動(dòng)抑制。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及自動(dòng)控制技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及針對(duì)海洋柔性立管系統(tǒng)的魯棒自適應(yīng)三維振動(dòng)抑制方法。

背景技術(shù)

海洋柔性立管作為海底油井與海平面上石油鉆井平臺(tái)間的連接裝置，是整個(gè)海洋油氣田開發(fā)中的生命線工程。當(dāng)海洋柔性立管運(yùn)輸石油的過程中，在內(nèi)流(管內(nèi)流體)和海流的共同耦合作用下，不可避免地將產(chǎn)生立振動(dòng)形變。過多的振動(dòng)將嚴(yán)重影響柔性立管系統(tǒng)的性能，降低立管的使用壽命，甚至可能使立管疲勞破損，造成嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失與環(huán)境污染。因此，對(duì)柔性海洋立管系統(tǒng)的振動(dòng)進(jìn)行抑制對(duì)深海油氣開發(fā)有著重要意義。

為了抑制海洋立管的振動(dòng)，大量專家與學(xué)者對(duì)柔性海洋立管振動(dòng)問題進(jìn)行了研究。目前對(duì)海洋立管的研究主要包括被動(dòng)控制和主動(dòng)控制。被動(dòng)控制僅局限于機(jī)械結(jié)構(gòu)與材料屬性的優(yōu)化，這種控制方式并不能從根本上解決立管的振動(dòng)問題；主動(dòng)控制則是設(shè)計(jì)控制器來抑制海洋立管的振動(dòng)，這種控制方式的控制效果較為顯著。然而，在所有主動(dòng)控制方案中，控制器設(shè)計(jì)都僅僅局限于一個(gè)垂直平面上，即只對(duì)立管橫向振動(dòng)進(jìn)行控制。而在實(shí)際海洋環(huán)境中，立管的振動(dòng)是在三維空間的。因此，對(duì)海洋柔性立管系統(tǒng)進(jìn)行三維空間上的主動(dòng)控制研究對(duì)深海油氣開發(fā)具有現(xiàn)實(shí)意義。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明實(shí)施例提出針對(duì)海洋柔性立管系統(tǒng)的魯棒自適應(yīng)三維振動(dòng)抑制方法，在外界存在變化干擾時(shí)，實(shí)現(xiàn)對(duì)柔性海洋立管系統(tǒng)的三維振動(dòng)自適應(yīng)抑制。

本發(fā)明實(shí)施例提供針對(duì)海洋柔性立管系統(tǒng)的魯棒自適應(yīng)三維振動(dòng)抑制方法，包括：

建立海洋柔性立管系統(tǒng)的三維動(dòng)力學(xué)模型；

根據(jù)所述三維動(dòng)力學(xué)模型，設(shè)計(jì)魯棒自適應(yīng)邊界控制器；其中，所述三維動(dòng)力學(xué)模型用于分析所述海洋柔性立管系統(tǒng)；

獲得所述海洋柔性立管系統(tǒng)的實(shí)時(shí)參數(shù)；

根據(jù)所述魯棒自適應(yīng)邊界控制器和所述實(shí)時(shí)參數(shù)，向驅(qū)動(dòng)裝置發(fā)送控制命令，以使所述驅(qū)動(dòng)裝置對(duì)柔性立管施加作用力，以抑制立管振動(dòng)。

進(jìn)一步的，所述海洋柔性立管系統(tǒng)的三維動(dòng)力學(xué)模型包括：立管的動(dòng)能、勢(shì)能、作用在立管上的總功、控制方程和邊界條件；

其中，定義L為立管的長(zhǎng)度，x(s,t)，y(s,t)和z(s,t)分別為X，Y，Z方向上在t時(shí)刻的橫向、縱向和軸向偏移量，s和t分別為位移和時(shí)間變量；d_x(t)、d_y(t)、d_z(t)分別為在X、Y、Z方向上位于頂部有效載荷的未知時(shí)變邊界擾動(dòng)；f_x(t)、f_y(t)、f_z(t)分別為在X、Y、Z方向上沿著立管的未知分布式海流負(fù)載；u_x(t)、u_y(t)、u_z(t)分別為在X、Y、Z方向上位于立管頂部有效載荷的控制器的控制輸入；

則所述立管的E_k(t)動(dòng)能為：

其中，M為有效載荷的質(zhì)量；ρ為柔性海洋立管的密度；

所述勢(shì)能E_p(t)為：

其中，EA為立管軸向剛度，T為拉力；