海洋柔性立管系统的抗饱和边界控制方法及装置、存储介质、服务端制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种海洋柔性立管系统的抗饱和边界控制方法。基于李亚普诺夫理论和反推方法，引入光滑的双曲正切函数、辅助系统和Nussbaum函数来建立海洋柔性立管系统的边界控制率。所述边界控制率中的控制参数通过预先训练得到，其后根据实际测得立管顶端的剪切力、倾角和位移，通过历史数据计算来获得这三个参数在t时刻的偏导数，最后基于获得的实际参数计算在t时刻的边界控制率，驱动装置根据边界控制率产生作用力施加于立管顶端。本发明专利技术还公开了一种海洋柔性立管系统的抗饱和边界控制装置、存储介质和服务端。本发明专利技术实施例可以解决因使用符号函数来限制控制输入所产生的震颤问题并能有效控制柔性立管的振动，测量参数较少，易于实现。

【技术实现步骤摘要】
海洋柔性立管系统的抗饱和边界控制方法及装置、存储介质、服务端
本专利技术属于自动控制
，更为具体地讲，涉及一种海洋柔性立管系统的抗饱和边界控制方法及装置、存储介质、服务端。
技术介绍
海洋柔性海洋立管作为油井与石油钻井平台之间的连接(如图1所示)，在海上油气开发工程中起着至关重要的作用。然而，在恶劣的海洋环境中，柔性的海洋立管通常容易受外界的扰动和影响产生形变和振动，使其产生疲劳，从而导致立管系统性能下降，甚至破损，造成原油泄漏，产生严重的环境污染。因此，柔性立管的振动抑制在海底石油开采和控制工程领域中有相当大的应用价值。从理论上来讲，柔性立管系统是一分布参数系统，其具有刚柔混合的动力学，即模型由若干常微分方程和偏微分方程混合表示而成。与有限维的刚性常微分方程动力学相比，基于无限维的柔性偏微分方程动力学模型，使得控制设计和稳定性分析更加困难。为了解决海洋立管的振动抑制问题，大量学者进行柔性立管的控制方案设计。现有技术的振动控制方法都是被动控制，随着控制精度提高，这两种方法都有局限性，其原因是在工业控制系统中，例如机械、液压、生物医学、压电和物理的系统等，常常出现饱和非线性情况，其是由于动力系统固有的物理约束和控制执行器的约束条件而造成的。若忽视它们的存在可能会导致系统性能大大降低，甚至导致某些情况下的不稳定性。因此，在设计这些海洋柔性立管振动抑制装置时应考虑这些饱和非线性的影响。
技术实现思路
本专利技术的目的在于克服现有技术的不足，提出一种海洋柔性立管系统的抗饱和边界控制方法及装置、存储介质、服务端，实现对立管涡激振动的有效控制并解决因使用符号函数限制控制输入带来的震颤问题。为实现上述目的，本专利技术实施例提供了一种海洋柔性立管系统的抗饱和边界控制方法，包括步骤：S1、基于海洋立管系统模型进行动力学分析；根据柔性立管系统模型得到海洋柔性海洋立管系统的动力学方程为：所述系统的边界条件为：z(0,t)＝z′(0,t)＝z″(0,t)建立输入饱和模型为：其中s和t表示独立的时间和空间变量，z(s,t)为立管在s处t时刻的振动位移量，l、ρ、T、EI、c分别为立管的长度、单位长度质量、张力、弯曲刚度、阻尼系数，m、da分别为船的质量、阻尼系数，d(t)为环境干扰，f(s,t)是洋流的水动力影响下产生的分布式干扰,u(t)是在立管顶部施加的边界控制量，um为输入饱和极限值，ui(t)是所要设计的控制量，表示横向位移函数z(s,t)对时间的一阶偏导数，表示横向位移函数z(s,t)对时间的二阶偏导数，z″″(s,t)表示函数z(s,t)对位移s的四阶偏导数；S2、设计所述海洋立管系统的边界控制率公式；建立辅助系统为：提出了下列∈控制率k3>0，定义Nussbaum函数N(χ)为：N(X)＝χ2cos(χ)定义李雅普诺夫函数，并证明其有界稳定：V(t)＝Vm(t)+Vn(t)+Vo(t)其中根据分析推导可以出以下不等式，并基于此证明加入控制后的系统是有界稳定的；S3、获取所述海洋立管系统的实际参数；在t时刻，利用激光位移传感器,测斜仪和剪切力传感器来测量信号z(l,t),再通过历史数据可以得到在时刻t的偏导数z′(l,t),z″′(l,t)的值；S4、分析边界控制率并对所述海洋立管系统的立管施加作用力；根据步骤S3得到的实际参数以及步骤S2的控制率公式，获得t时刻的边界控制率V(t),驱动装置根据所述边界控制率V(t)向柔性立管施加作用力。作为上述方案的改进，所述方法还包括：根据时刻t-1的z(l,t-1),z′(l,t-1),z″′(l,t-1)和时刻t的进行后向差分得到z(l,t),z′(l,t),z″′(l,t)。作为上述方案的改进，所述步骤S1还包括：采用反推方法，对所述海洋柔性立管系统的坐标进行变换：x1＝z1＝z(l,t)x3＝u0(ui(t))-λ2其中λ1,λ2是虚拟控制量。作为上述方案的改进，所述步骤S4还包括：所述驱动装置的输入参数的界限为：所述横向位移函数z(s,t)是一致有界的，即：本专利技术实施例还提供了一种海洋柔性立管系统的抗饱和边界控制装置，所述装置包括：第一分析模块，用于根据柔性立管系统模型得到海洋柔性海洋立管系统的动力学方程；第二分析模块，用于构建边界控制率V(t)的计算公式；第三分析模块，用于在t时刻，利用激光位移传感器,测斜仪和剪切力传感器来测量信号z(l,t),再通过历史数据可以得到在时刻t的偏导数z′(l,t),z″′(l,t)的值；第四分析模块，用于根据所述第三分析模块得到的实际参数以及所述第二分析模块的控制率公式，获得t时刻的边界控制率V(t),驱动装置根据所述边界控制率V(t)向柔性立管施加作用力。本专利技术实施例还提供了一种存储介质，其特征在于，所述存储介质包括存储的程序，其中，在所述程序运行时控制所述存储介质所在的设备执行上述任一项所述的海洋柔性立管系统的抗饱和边界控制方法。本专利技术实施例还提供了一种服务端，其特征在于，包括一个或多个处理器、存储器以及一个或多个程序，其中：所述一个或多个程序被存储在所述存储器中，并且被配置为由所述一个或多个处理器执行，所述程序包括用于执行上述任一项所述的海洋柔性立管系统的抗饱和边界控制方法。本专利技术具有以下有益效果：本专利技术是一种主动的边界控制方法，与模态控制法相比可以避免系统在高频情况下产生的控制溢出不稳定性，能解决因使用符号函数限制控制输入所带来的震颤问题并且减小了控制器安装的工程量，实用性高。附图说明图1为本专利技术实施例中柔性海洋立管系统模型的示意图；图2为本专利技术实施例中一种海洋柔性立管系统的抗饱和边界控制方法流程示意图；图3为本专利技术实施例中输入饱和函数曲线的示意图；图4为本专利技术实施例中未施加控制时柔性立管振动幅值分析示意图；图5为本专利技术实施例中施加控制后柔性立管振动幅值分析示意图；图6为本专利技术实施例中驱动装置控制信号输入波形示意图；图7为本专利技术另一实施例中一种海洋柔性立管系统的抗饱和边界控制装置示意图。具体实施方式下面结合附图对本专利技术的具体实施方式进行描述，以便本领域的技术员更好地理解本专利技术。需要特别提醒注意的是，在以下的描述中，当已知功能和设计的详细描述也许会淡化本专利技术的主要内容时，这些描述在这里将被忽略。图1为本专利技术实施例中柔性海洋立管系统模型的示意图。建立XOY参考系,以立管与油井的连接处o为原点，其中s和t表示独立的时间和空间变量，z(s,t)为立管在s处t时刻的振动位移量，l、ρ、T、EI、c分别为立管的长度、单位长度质量、张力、弯曲刚度、阻尼系数，m、da分别为船的质量、阻尼系数，d(t)为环境干扰，f(s,t)是洋流的水动力影响下产生的分布式干扰,u(t)是在立管顶部施加的边界控制量，表示横向位移函数z(s,t)对时间的一阶偏导数，表示横向位移函数z(s,t)对时间的二阶偏导数，z″″(s,t)表示函数z(s,t)对位移s的四阶偏导数。注1:表示法定义如下:参见图2，图2为本专利技术实施例中一种海洋柔性立管系统的抗饱和边界控制方法流程示意图，所示方法包括S1～S4：S1、基于海洋立管系统模型进行动力学分析；根据柔性立管系统模型得到海洋柔性海洋立管系统的动力学方程为：其中，所述柔性立管的控制方程边界条件为：z(0本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种海洋柔性立管系统的抗饱和边界控制方法，其特征在于，包括步骤：S1、基于海洋立管系统模型进行动力学分析；根据柔性立管系统模型得到海洋柔性海洋立管系统的动力学方程为：

【技术特征摘要】
1.一种海洋柔性立管系统的抗饱和边界控制方法，其特征在于，包括步骤：S1、基于海洋立管系统模型进行动力学分析；根据柔性立管系统模型得到海洋柔性海洋立管系统的动力学方程为：所述系统的边界条件为：z(0,t)＝z′(0,t)＝z″(0,t)建立输入饱和模型为：其中s和t表示独立的时间和空间变量，z(s,t)为立管在s处t时刻的振动位移量，l、ρ、T、EI、c分别为立管的长度、单位长度质量、张力、弯曲刚度、阻尼系数，m、da分别为船的质量、阻尼系数，d(t)为环境干扰，f(s,t)是洋流的水动力影响下产生的分布式干扰,u(t)是在立管顶部施加的边界控制量，um为输入饱和极限值，ui(t)是所要设计的控制量，表示横向位移函数z(s,t)对时间的一阶偏导数，表示横向位移函数z(s,t)对时间的二阶偏导数，z″″(s,t)表示函数z(s,t)对位移s的四阶偏导数；S2、设计所述海洋立管系统的边界控制率公式；建立辅助系统为：提出了下列∈控制率k3>0，定义Nussbaum函数N(χ)为：N(χ)＝χ2cos(χ)定义李雅普诺夫函数，并证明其有界稳定：V(t)＝Vm(t)+Vn(t)+Vo(t)其中根据分析推导可以出以下不等式，并基于此证明加入控制后的系统是有界稳定的；

【专利技术属性】
技术研发人员：赵志甲，肖颖，石钧，马永浩，彭凌西，
申请(专利权)人：广州大学，
类型：发明
国别省市：广东,44