半潜式平台运动响应的动力定位等主被动及其联合控制研究

发布时间：2020-01-24 22:13

【摘要】：随着海洋工程向深海发展,传统锚泊系统的水深以及锚链长度、总重量等都急剧增加,与此同时抛锚和布设困难以及造价和安装费也急剧增加。动力定位系统因其不受水深的限制逐渐在深水海洋工程的大型浮体等平台结构定位和运动控制发挥愈来愈重要的作用。对于锚泊浮式平台安装动力定位系统可进行辅助的运动响应控制,从而提高浮体的定位和适应更加恶劣海洋环境的能力。动力定位系统一般通过多个螺旋桨之间(大于被控自由度数)的相互配合来提供控制力并实现浮体定位,由此成为过驱动系统；此外,动力定位系统受螺旋桨出力方向、响应速度和经济性的限制,只能控制浮体纵荡、横荡和艏摇的大幅低频慢漂运动。动力定位系统的核心问题是控制系统设计。传统的动力定位系统的控制器设计基本都是基于低频运动模型来设计,然后通过优化算法合理地将控制力分配到各个推力器中。对于半潜式平台,平台水面线面积较小并且各个自由度之间存在着耦合关系,推力器控制力不仅会激起纵摇、横摇响应,同时纵摇、横摇响应也对控制精度有影响,因此定位系统的控制器设计需充分考虑各自由度间的耦合作用。另外,半潜式平台过大的横摇和纵摇响应也影响海上作业和平台气隙,为了提高平台的运动性能还需要进一步对垂直面内自由度的运动进行抑制或控制。因此,本文研究动力定位、锚链以及调谐垂荡板等多种主被动控制方式及其联合发挥不同控制方式的作用对半潜式平台运动各主要运动响应进行控制,主要研究内容如下：(1)针对半潜式平台纵荡、横荡和艏摇自由度的低频慢漂运动模型,提出了采用动态面控制法、并利用径向基神经网络补偿环境载荷设计动力定位控制器的方法。然后,将动力定位系统控制力施加到半潜式平台六自由度全耦合的Cummins方程,分析了平台六自由度全耦合运动响应以及控制器中滤波器和神经网络参数对控制效果的影响。(2)对于推力器数量大于浮体被控自由度个数的“过驱动”动力定位系统的推力器出力(即控制力)优化设计问题,提出了以燃油经济性为优化目标,分别通过动态设置推力器出力方向可行域和设置推力器间最小出力角两种策略来避免桨-桨干扰不利影响、并充分考虑推力器物理性能,以推力角变化速率△α和推力变化速率△T为变量的优化模型以及计算动力定位系统定位能力和时域内控制力实时分配的方法,通过数值模拟验证了此控制力分配方法的可行性。(3)半潜式平台因水面线面积小,横摇、纵摇和垂荡的回复刚度和阻尼相对较小,且各自由度间存在耦合关系。为此,本文将C ummin s方程中的迟滞项视为脉冲响应函数、并将迟滞项转化为线性状态空间方程,从而得到平台的线性运动方程；基于该线性化方程设计了L∞输出反馈控制器,得到了控制器基于环境载荷最大幅值的峰峰增益。本文设计的L∞控制器较H∞控制器更优于长期海洋环境工作的浮式结构运动控制。数值模拟结果表明,基于平台自由度全耦合设计的动力定位控制器性能优于仅考虑水平面自由度设计的控制器。(4)对于深海锚泊浮式结构,提出了辅助锚泊系统定位的动力定位系统路径跟踪控制、提高锚链安全和平台定位能力的主被动联合控制模式。首先,建立了锚泊系统的有限元模型,分析了单根锚链的动力性能；然后分析了锚泊系统与平台的耦合运动性能；第三,在动力定位辅助锚泊定位模式下,采用动态面控制法设计了路径跟踪控制,并结合Bang-Bang控制和饱和控制,实现了锚泊系统与动力定位联合控制。该联合控制模式一方面可以减小锚链的最大张力,另一方面可充分利用锚泊系统的回复力、降低动力定位系统的能耗、提高其控制的经济性。(5)为了提高半潜式平台的垂荡、横摇和纵摇自由度的运动性能,提出了调谐垂荡板系统及其半潜式平台垂荡、横摇和纵摇等三个自由度运动的调谐控制模式。提出的调谐垂荡板是当其固有周期与被控自由度周期的调谐比优化地接近1时,上部浮体带动和放大垂荡板运动幅值,从而使垂荡板控制力大幅增加和达到调谐控制效果；平台四角或周边设置多重调谐垂荡板,各个垂荡板之间相互配合可提供回复力矩达到调谐减摇目的。本文分别通过数值模拟和模型实验对上述方案进行了验证。
【图文】：

逡逑钻井平台上。图１．１所示为不同工作水深时，错巧定位和动力定位所占份额。当水深小逡逑于１０００ｍ时，除了对定位有恃殊要求的设备安装船等几乎全部采用的是铅巧定位，当水逡逑深大于１０００ｍ后，动力定位占５８％，较错泊系统处于主导位置。逦，逡逑灥逡逑Ｍｉ——ｉｌＭ—逡逑图１．１错巧系统和动力定位系统应用分布及市场份额逡逑Ｆｉｇ邋１．１邋Ｍａｒｋｅｔ邋ｓｈａｒｅ邋ｏｆ邋ｍｏｏｒｉｎｇ邋ｓｙｓｔｅｍ邋ａｎｄ邋ｄｙｎａｍｉｃ邋ｐｏｓｉｔｉｏｎｉｎｇ邋ｓｙｓｔｅｍ逡逑自１９６１年世界范围内第一艘装有动力定位系统的钻井船Ｃｕｓｓ邋１问世，到目前为止，逡逑全世界己有２０００多艘船舶安装了动力定位系统。对海洋工程船，在安装立管的情况下，，逡逑Ｄｉｓｃｏｖｅｒｅｒ邋Ｄｅｅｐ邋Ｓｅａｓ钻井船的作业水深达到３０５２ｍ。除此么外，动力定位系统还被广泛逡逑应用于水下机器人进行水下设备的安装及篮测等方面。动力定位系统的市场非常广阔，逡逑国际上有船舶研究基础和实验室条件的国家都对动力定位的研宛保持着浓厚的兴趣。荷逡逑兰的ＭＡＲＩＮ、挪威的ＭＡＲＩＮＴＥＫ等机构自上世纪八十年代就不断投入人力物力进行动逡逑力定位的研究

点控位模式巧Ｄ保持

本文编号：2572797