海洋柔性立管建模与控制设计

发布时间：2020-07-01 07:14

【摘要】：海洋输油立管作为连接油井和海面平台的重要部件，在海洋石油、天然气等生产过程中起到至关重要的作用。然而由于其特殊工作环境，立管振动现象将难以避免，而振动将使立管疲劳，并缩短其工作寿命、降低企业生产效率、提高其生产成本。因此，海洋油气开发过程中的输油立管振动控制问题在近年得到越来越多的关注。海洋输油柔性立管的振动是引起立管疲劳破坏的主要原因，对其研究主动控制是消除疲劳破坏的有效方法。本文引入内流动力学，完善了立管原始无穷维分布参数模型，更好地表达了柔性立管的动力学响应。本文针对海洋柔性立管系统，利用主动边界控制方法研究柔性立管振动控制问题。主要内容有如下几点： 1.海洋输油柔性立管的动态特性由带时间和空间变量的偏微分方程表示的分布参数模型描述。海洋输油管道振动模型是欧拉-伯努利梁振动模型，在对其柔性基础简化模型分析的基础上，运用Hamilton原理推导出含柔性基础的柔性梁振动的偏微分方程。 2.在立管的末端边界用Lyapunov直接法对柔性立管的稳定性和一致稳定性进行了证明,设计了边界控制器调节柔性立管在内外流激励下的振动。应用本文所提出的边界控制方法,可达到在洋流干扰下的一致有界性和自由振动下的指数稳定性。所提出的控制方法与系统参数无关,可确保在参数变化下系统具有鲁棒性。 3.本文对所提的控制方法用有限元法进行了数值模拟。数值仿真验证了所提控制方法的可行性。
【学位授予单位】：华南理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2013
【分类号】：P756.2;TP273
【图文】：

示意图,立管系统,示意图,立管

图 3-2 立管系统简化示意图方法，可总结这类立管结构的一维建为如下：：2 2( )sm w t = F+Γ J ( ω t )= M + k × F+Π 和单位内流质量总和，F 和 M 总内力和为位移距离，J 为立管截面惯性矩（包加速度示。这里假设立管初始位置是性的借鉴文献[36-37]的研究成果求得合经典 Morison 公式和“平均建模法”中包括 ms影响。而整个系统的总动能EElEnEzK = K+K+K

半实物模拟

的振动偏移量也有非常显著的减小，这体现了边界控制方法在柔性立管振动控制独特优势；3) 由图 5-12 可知，有内流时控制器的输入范围为7 7 1 2 × 10 N ~ 7 × 10N，而负的控表明控制作用力与海流速度相反。半实物模拟初步方案控制算法设计完成后，我们拟搭建 ARM-PC 平台来对立管的振动进行半实物模先在 PC 上利用 MATLAB 的 GUI 设计，进行可视化界面操作，建立模拟立管振面。然后再利用 PC 的串口和 ARM 建立通信，最后在 ARM 上的 Android 系统上管模型数据监视和控制信号作用。实物模拟系统由立管仿真部分、串口通信部分以及控制器部分构成。如图 5-13

【参考文献】