[发明专利]针对海洋柔性立管系统在确定负载下的三维振动抑制方法

说明书

本发明公开了针对海洋柔性立管系统在确定负载下的三维振动抑制方法，该方法包括：建立海洋柔性立管系统的三维动力学模型；根据三维动力学模型，设计在确定负载下的边界控制器；获得海洋柔性立管系统的实时参数；根据边界控制器和实时参数，向驱动装置发送控制命令，以使驱动装置对柔性立管施加作用力，以抑制立管振动。采用本发明技术方案能在确定负载的情况下，实现对柔性海洋立管系统的三维振动抑制。

技术领域

本发明涉及自动控制技术领域，尤其涉及针对海洋柔性立管系统在确定负载下的三维振动抑制方法。

背景技术

海洋柔性立管作为海底油井与海平面上石油钻井平台间的连接装置，是整个海洋油气田开发中的生命线工程。当海洋柔性立管运输石油的过程中，在内流(管内流体)和海流的共同耦合作用下，不可避免地将产生立振动形变。过多的振动将严重影响柔性立管系统的性能，降低立管的使用寿命，甚至可能使立管疲劳破损，造成严重的经济损失与环境污染。因此，对柔性海洋立管系统的振动进行抑制对深海油气开发有着重要意义。

为了抑制海洋立管的振动，大量专家与学者对柔性海洋立管振动问题进行了研究。目前对海洋立管的研究主要包括被动控制和主动控制。被动控制仅局限于机械结构与材料属性的优化，这种控制方式并不能从根本上解决立管的振动问题；主动控制则是设计控制器来抑制海洋立管的振动，这种控制方式的控制效果较为显著。然而，在所有主动控制方案中，控制器设计都仅仅局限于一个垂直平面上，即只对立管横向振动进行控制。而在实际海洋环境中，立管的振动是在三维空间的。因此，对海洋柔性立管系统进行三维空间上的主动控制研究对深海油气开发具有现实意义。

发明内容

本发明实施例提出针对海洋柔性立管系统在确定负载下的三维振动抑制方法，在确定负载的情况下，实现对柔性海洋立管系统的三维振动抑制。

本发明实施例提供针对海洋柔性立管系统在确定负载下的三维振动抑制方法，包括：

建立海洋柔性立管系统的三维动力学模型；

根据所述三维动力学模型，设计在确定负载下的边界控制器；其中，所述三维动力学模型用于分析所述海洋柔性立管系统；

获得所述海洋柔性立管系统的实时参数；

根据所述边界控制器和所述实时参数，向驱动装置发送控制命令，以使所述驱动装置对柔性立管施加作用力，以抑制立管振动。

进一步的，所述海洋柔性立管系统的三维动力学模型包括：立管的动能、势能、作用在立管上的总功、控制方程和边界条件；

其中，定义L为立管的长度，x(s,t)，y(s,t)和z(s,t)分别为X，Y，Z方向上在t时刻的横向、纵向和轴向偏移量，s和t分别为位移和时间变量；d_x(t)、d_y(t)、d_z(t)分别为在X、Y、Z方向上位于顶部有效载荷的未知时变边界扰动；f_x(t)、f_y(t)、f_z(t)分别为在X、Y、Z方向上沿着立管的未知分布式海流负载；u_x(t)、u_y(t)、u_z(t)分别为在X、Y、Z方向上位于立管顶部有效载荷的控制器的控制输入；

则所述立管的E_k(t)动能为：

其中，M为有效载荷的质量；ρ为柔性海洋立管的密度；

所述势能E_p(t)为：

其中，EA为立管轴向刚度，T为拉力；