基于高增益观测器的半潜式海洋钻井平台动力定位系统鲁棒滑模控制器设计研究

半潜式海洋平台动力定位系统中,针对海洋复杂的工作环境,为实现精准动力定位,控制器的设计是关键。传统的控制器设计大部分基于位置和速度均可测量这一假设,但在实际工程中,由于干扰和复杂工况的影响,速度信号难以被实时测量或精确测量。选用高增益观测器对速度信号进行状态估计,基于测量直接得到的海洋平台位置信号和状态估计间接得到的速度信号,利用滑模控制自身的强鲁棒和抗干扰特性,进行滑模控制器设计,并运用Lyapunov方法分析了系统的稳定性。MATLAB仿真结果表明,所设计控制器,能够实现半潜式海洋平台精准的动力定位和轨迹追踪控制。     

基于低通滤波器的半潜式海洋平台滑模控制器设计

针对半潜式海洋钻井平台动力定位问题,在滑模控制的基础上,将等效切换控制方法与滤波器结合,设计了一种基于低通滤波器的等效切换滑模控制器,并用Lyapunov方法证明了控制系统的稳定性。仿真结果表明控制系统具有良好的控制品质及响应特性;低通滤波器有效抑制了控制器输出抖振,控制系统的实际控制力矩输出较为平滑,减少了海洋平台推进器的能耗。     

双体半潜式居住平台DPS-3动力定位系统设计和应用

随着人们生活水平的提高,能源消耗日益增加,陆上资源已不能满足人们未来对于能源消耗的需求,丰富的海洋油气、矿产资源正成为各国争先开采的方向,并且不断向深海发展。由于深海环境比较恶劣,如何为工人提供安全舒适的生活和工作环境逐渐成为船东客户着重考虑的问题。马尾造船股份有限公司针对市场需求,参与设计并建造的国内首制双体半潜式居住平台,配备DPS-3动力定位系统,为平台作业提供居住和生活保障,大大提高了工人居住的舒适性和安全性。本文主要针对该船有关DPS-3动力定位系统的设计和应用进行论述。     

半潜式风力机平台撤除过程动力响应分析

提出一种半潜式风机水平辅助缆-锚链撤除方法.选取典型撤除操作海况,采用ANSYS-AQWA分析软件,重点研究了不同撤除策略对半潜式风机平台动力响应特征的影响.数值结果表明,对称布置的辅助缆能明显降低半潜式风机平台在锚链撤除过程中的运动响应,辅助缆的刚度和预张力越大,撤除过程中平台的运动响应越平稳,但在辅助缆刚度为2×10⁶N·m^-1的条件下会使平台在大周期波浪条件下产生共振现象,因此建议应慎重选择辅助缆刚度.此外,本文研究成果为深水浮式风机撤除方案的优化提供参考依据.     

半潜式海上浮式风力机平台设计及水动力响应

 为了开发海上风能资源,探索浮式风力机平台响应特性,设计了一种半潜式海上浮式风力机平台样机。利用风压模型模拟风力机气动载荷,基于势流理论和Morison方程计算水动力载荷,并根据阻尼矩阵计算阻尼力和系泊线载荷,建立了海上浮式风力机运动响应数值模型。制作了1/50的试验模型,并在水池进行水动力实验,对垂荡板在设计中的作用进行了验证,测量了模型的固有周期、衰减系数以及规则波条件下的响应等,对比发现数值模型结果与实验结果吻合较好。在无风和额定工况下进行系统随机响应特性数值分析,通过统计数据和响应频谱研究了风力机气动载荷对风力机平台运动特性的影响。发现该系统数值模型时效性好并可以真实反映浮式风力机平台的运动特性,平台垂荡、纵摇、纵荡的响应结果满足海上浮式风力机系统对平台的性能要求。设计中加入垂荡板使平台垂荡和纵摇的固有周期和衰减系数增加,提高了系统的稳定性。风力机气动载荷对纵摇传递函数产生有益的抑制,但会放大纵摇和纵荡在共振区的响应。     

半潜式海上浮式风力机平台设计及水动力响应

为了开发海上风能资源,探索浮式风力机平台响应特性,设计了一种半潜式海上浮式风力机平台样机。利用风压模型模拟风力机气动载荷,基于势流理论和Morison方程计算水动力载荷,并根据阻尼矩阵计算阻尼力和系泊线载荷,建立了海上浮式风力机运动响应数值模型。制作了1/50的试验模型,并在水池进行水动力实验,对垂荡板在设计中的作用进行了验证,测量了模型的固有周期、衰减系数以及规则波条件下的响应等,对比发现数值模型结果与实验结果吻合较好。在无风和额定工况下进行系统随机响应特性数值分析,通过统计数据和响应频谱研究了风力机气动载荷对风力机平台运动特性的影响。发现该系统数值模型时效性好并可以真实反映浮式风力机平台的运动特性,平台垂荡、纵摇、纵荡的响应结果满足海上浮式风力机系统对平台的性能要求。设计中加入垂荡板使平台垂荡和纵摇的固有周期和衰减系数增加,提高了系统的稳定性。风力机气动载荷对纵摇传递函数产生有益的抑制,但会放大纵摇和纵荡在共振区的响应。     

半潜式海洋平台肘板中超声导波传播规律研究

半潜式海洋平台肘板连接处裂纹属于典型的变厚度板裂纹,导波在变厚度板中的传播规律非常复杂,为解决肘板连接处裂纹检测的问题,本文拟通过数值计算和仿真的方式探索超声导波的传播规律.在仿真软件中建立肘板节点模型,在肘板上以及X轴方向布置传感器,进行单点激励多点接收信号,通过监测不同距离处的波动情况、导波模态转化和幅值变化等,总...     

LS-DYNA软件对某半潜式海洋平台发生碰撞的分析

为研究海洋平台在船体碰撞下的力学性能及规律,利用有限元软件LS-DYNA对某半潜式海洋平台在标准船体不同速度下的碰撞进行了分析。为保证精度,在计算过程中加密了碰撞位置的网格密度;为加快收敛速度,增加了该区域网格的质量。根据计算结果,从平均碰撞力、动能-势能转化、最大应力等方面,分析了船体与海洋平台在碰撞过程中的力学规律,比较了所设置的单元材料性能与碰撞失效后的单元应力-应变关系。研究结果表明:船体的动能与海洋平台的弹性势能转换关系良好,海洋平台的整体动能很少,且海洋平台的整体振动能量较弱;在碰撞速度较低时,船体与海洋平台的碰撞力为二次函数关系。     

深水半潜平台张紧式系泊系统耦合动力响应研究

采用时域耦合动力分析方法,并考虑系泊缆的非线性动态特性和平台与系泊缆之间的相互作用,分析张紧式系泊系统的系泊缆流体动力系数、系泊缆张力倾角、系泊缆布置角度、系泊缆数目等对平台系泊性能的影响.结果表明,不同的系泊参数对系泊系统性能均有不同程度的影响,合理选取系泊参数能有效控制系统的运动响应和系泊缆动力效应.     

半潜式风电机组平台水动力模型试验及数值模拟研究

针对某深远海漂浮式风电机组运动响应受风载荷影响的问题,进行了缩尺模型的水池试验以及实尺模型的数值模拟计算：根据水池自由衰减试验得到的自由衰减曲线及衰减消灭曲线,对基于势流边界元建立的数值模型进行了必要的阻尼修正;用数值方法计算得到的平台运动RAO结果与水池试验生成白噪声非规则波时测量得到的平台运动响应结果进行了对比分析,确保了所建立数值模型的准确性,同时验证了白噪声非规则波试验的可行性;通过时域及频域数值计算方法与试验方法相结合,对比研究了恒风条件下和无风条件下白噪声非规则波作用时平台的运动响应,以及相关的波浪载荷与风载荷的幅值与相位频谱．根据上述计算及研究结果,最终初步总结出了风载荷对风电平台半潜式浮式基础的运动响应的主要影响形式及原因．研究结果表明：风载荷对平台运动的影响与风、浪载荷主要频率成分处频率、幅值以及相位有关．在风载荷与波浪载荷的能量集中频率基本一致,且与平台运动固有频率相重叠时,风载荷的影响会得以显著体现(本文中差异约22%),而影响的形式(增强或削弱运动幅值)则取决于此时风载荷与波浪载荷的相位差：当风、浪载荷同相位时,联合载荷作用下相关自由度的运动幅值将显著增大,反之...     

深水半潜平台动力定位时域模拟研究

以低频时域水平运动方程为基础,考虑各种低频载荷作用以及动力定位模型,建立起一种半潜平台功率消耗的时域模拟系统,研究了一艘半潜平台动力定位系统功率消耗变化的规律,在满足定位精度要求的前提下计算得到了平台动力定位系统能够承受的极限水深,并对平台动力系统的定位精度随功率消耗的变化进行了探讨,以期为工程实际提供指导.     

新概念深水半潜式生产平台水动力截断试验与数值计算

对一新型深海半潜式生产平台的水动力性能进行模型试验和数值计算分析.与传统直立柱结构的半潜式平台不同,该新型平台的4根立柱在水线面以上向内倾斜.由于平台工作水深为1.5 km,模型试验时需通过数值分析进行等效截断设计.对平台6自由度运动响应和系泊缆受力的研究表明,模型试验结果与数值计算结果基本一致,该新型半潜式生产平台具有良好的水动力性能,满足规范要求.
     

多输入多输出离散系统的输出反馈滑模控制

针对一类多输入多输出非匹配不确定离散系统,在状态不完全可测的情况下,设计了输出反馈滑模控制器.首先利用Lyapunov函数方法和线性矩阵不等式技术,给出了滑动模面函数方程,并进行了稳定性证明;其次,为了减弱离散指数趋近律的抖振现象,给出了基于幂次函数趋近律的控制律设计和理论分析过程,最后根据仿真结果验证了该设计方法的可行性和有效性.     

半潜式钻井平台锚系留力分析

半潜式钻井平台是一种常用的平台结构形式,主要依靠锚泊系统将船定位在海面进行钻井作业。本文详细论述了锚的分类、半潜式钻井平台锚系留力的分析方法,并通过实例分析进行了验证,为半潜式钻井平台海上作业的安全稳定提供分析依据,同时对锚系留力的分析方法应用提出了建议。     

半潜式钻井平台锚泊系统静力分析

本文应用悬链线理论分析了锚链单链特性,给出了单链链端位移非线性刚度系数和锚链系统组合刚度特性,并在此基础上建立了平台锚泊系统静力问题的数值解。文中还以我国“南海二号”半潜式平台为例进行了锚泊系统的静力分析。     

深水半潜式平台模型试验与数值分析

以一座工作水深为1.5 km的深海半潜式钻井平台及其锚泊系统为例,对其在280 m等效截断水深锚泊系统系泊下的6自由度运动和锚链受力进行模型试验研究,缩尺比取为1∶70.采用非线性时域耦合分析法对原深海半潜式钻井平台系统进行数值分析,并将模型试验和数值分析结果进行比较.结果表明:等效截断水深锚泊系统在静力方面可较好地模拟全水深锚泊系统,动力相似上的不足导致其锚链受力最大值与全水深锚泊系统的相差较大;截断水深模型试验对全水深锚泊系统系泊下的半潜平台运动响应的预报较为可信,而平台锚系的受力情况需辅以数值模拟进行研究.     

船舶动力定位系统的非线性输出反馈控制

针对动力定位船舶的速度不可测问题,考虑带有环境扰动的动力定位船舶运动非线性数学模型,提出一个非线性观测器-控制器控制方案,实现仅依赖于船舶位置和艏向测量值的船舶动力定位的输出反馈控制,且其观测器具有分离的稳定性.应用串级非线性系统理论证明了最终的船舶动力定位输出反馈闭环系统是全局渐近稳定的,所设计的输出反馈控制律迫使船舶的位置及艏摇角全局渐近收敛于期望值.以一艘供给船为例进行仿真研究,结果验证了所设计的船舶动力定位输出反馈控制律的有效性.     

基于输出反馈的离散滑模控制器设计

针对一类多输入多输出不确定离散系统,设计了输出反馈滑模变结构控制器.基于极点配置的方法设计了稳定的滑模面,然后分析传统离散指数趋近律设计方法的优缺点,根据滑模到达条件提出一种改进的指数趋近律.该控制律加快了系统状态的响应速度,同时降低了抖振.仿真结果证明所设计的控制器能够在系统状态不完全可测情况下具有良好的性能,验证了该设计方法的可行性和有效性.     

半潜式自航工程船动力定位模型研究

近年来随着海洋油气开发的广泛需求,我国动力定位技术自主化研究也逐渐展开。为验证半潜式自航工程船的动力定位性能,文中建立了研究半潜式自航工程船的动力学模型的坐标系统。在此基础上,建立了半潜船的运动数学模型以及控制系统需要的运动模型。采用模块法,对影响半潜船的海风、海浪、海流等外界干扰载荷进行了最优计算。通过对环境载荷各个方向的力和力矩的仿真实验,获得了半潜船的水平运动时历曲线和船舶纵向、横向、艏向的运动变化曲线。运动模型的输出结果与半潜船缩比模型的水池试验结果运动趋势一致,满足精度要求。     

全驱动AUV动力定位系统滑模控制研究

针对自主水下机器人(autonomous underwater vehicle,AUV)动力定位控制易受浪流扰动影响的问题,提出了一种基于扩张状态观测器的全驱动AUV动力定位系统滑模控制(sliding mode control,SMC)方法.结合团队设计的"探海Ⅰ型"自主水下机器人,建立AUV空间运动模型,以滑模控制...