一种基于切换控制系统的海洋平台振动控制策略技术方案

本发明专利技术公开了一种基于切换控制系统的海洋平台振动控制策略，针对基于APTMD的海洋平台设计切换控制策略，主要包括：在计算机数字采样下的切换振动控制，含不完全传感器测量数据的切换振动控制，含参数不确定的切换振动控制，含输入时延的切换振动控制以及多目标切换振动控制，并以海洋平台为研究对象，设计海洋平台—APTMD结构模型在波浪力、风力、地震波等环境激励下的振动台试验，研究主动与被动切换振动控制的减振效果，验证切换系统理论应用于海洋平台振动控制的合理性和有效性。

A vibration control strategy for offshore platform based on switching control system

The invention discloses a vibration control strategy for offshore platforms based on switching control system. A switching control strategy for offshore platforms based on APMD is designed, which mainly includes switching vibration control under computer digital sampling, switching vibration control with incomplete sensor measurement data and switching vibration with uncertain parameters. Control, switching vibration control with input delay and multi-objective switching vibration control. Taking the offshore platform as the research object, shaking table test of APTMD structure model under wave, wind and seismic excitation is designed to study the damping effect of active and passive switching vibration control and verify the switching system. The theory is applied to vibration control of offshore platforms.

【技术实现步骤摘要】
一种基于切换控制系统的海洋平台振动控制策略
本专利技术涉及一种基于切换控制系统的海洋平台振动控制策略，属于海洋平台振动控制领域。
技术介绍
当前世界能源危机日益严重，石油资源供求将长期偏紧。从1993年开始，我国石油产品处于供不应求状态。而且进入21世纪以后，随着我国国民经济的快速发展，我国石油产品的对外依存度不断增加，这一现状迫使我们尽一切办法寻找更多的石油，如今海上油田开采比例明显增加。海洋平台作为海洋油气资源开发的基础性设施，自1947年墨西哥Couissana海域建造第一座钢制海洋石油开采平台以来，世界上已建造近6000座海洋石油开采平台。我国自20世纪60年代起开始在渤海勘探和开发海上石油以来，目前已建成海洋平台100余座。随着我国渤海油田的大开发，还有大量海洋平台将要建造。大型柔性海洋平台一般表现为以下特征：(1)固有频率低；(2)本质上的分布参数系统，具有强耦合性和非线性；(3)结构复杂，参数易变，所受外载荷具有不确定性。海洋平台作为海洋资源开发的基础性设施、海洋生产生活的基地，会受到风、浪、流、冰和地震等环境载荷的作用。海洋平台结构造价昂贵、失效后果严重，其运行安全状况受到了人们的普遍关注。海洋平台的冰激振动控制属于大型结构的振动控制，对控制装置的要求是需要提供很大的控制力，同时需要考虑到在环境作用下有很高的可靠性能。目前采用的结构控制方法主要分为被动控制，主动控制和半主动控制。被动控制系统指所有的振动结构消耗能量都是通过内力、摩擦、裂纹和塑性变形等等来实现的，其中包括调谐质量阻尼器(TMD)。主动控制系统是基于某种控制算法由采集的输入或(和)输出信息来确定控制力，并由驱动器借助外界能源将控制力施加于结构上以达到减振的目的，其中包括主动质量阻尼系统(AMD)。半主动控制系统是指利用控制机构来主动调节结构内部的参数，使结构参数处于最优状态，所需的外部能量比控制力型小得多。比起主动控制，结构性能可变性主动控制更容易实施而且更为经济，但仍具有主动控制的缺点。将切换控制的思想引入海洋平台的振动控制中，可以使主动控制和被动控制协调起来共同工作，这种控制系统充分利用了被动控制与主动控制各自的优点，它既可以通过被动控制系统大量耗散振动能量，有可以利用主动控制系统来保证控制效果，比单纯的主动控制能节省大量的能量。因此，本专利技术提出了一种基于切换控制系统的海洋平台振动控制策略。
技术实现思路
针对上述问题，提出的具体技术方案如下：一种基于切换控制系统的海洋平台振动控制策略，其特征在于,包括以下步骤：步骤1：使用主动-被动复合调谐质量阻尼器(APTMD)对海洋平台振动进行控制并采用在AMD和TMD间进行切换的振动控制策略；步骤2：切换律准则研究；步骤3：在计算机数字采样下切换振动控制；步骤4：含不完全传感器测量数据的切换振动控制；步骤5：含不确定参数的切换振动控制；步骤6：含输入时延的切换振动控制；步骤7：多目标的切换振动控制；步骤8：海洋平台主动与被动切换振动控制。更进一步的，所述步骤1具体为：当有输入到作动器时，APTMD控制结构表现为一个AMD，当作动器输入为0时则表现为一个TMD；可以通过作动器的控制输入信号来控制AMD和TMD之间的切换，实现主动与被动切换振动控制。更进一步的，所述步骤2具体为：从能量角度和Lyapunov函数角度设计控制率，如下：动力学模型为：上式中，位移x2＝lθ，刚度k2是由摆长l、质量m2和重力加速度g导出的，即k2＝m2g/l，u是给执行器的输入力矩，是地震加速度。基于振动结构的动力学模型设计切换控制律：上式中δk和δm分别代表动能和机械能的阈值；M:＝diag[m1m2]∈R2×2，K:＝diag[k1k2]∈R2×2依据Lyapunov函数设计切换律：在主动质量阻尼系统(AMD)和被动质量阻尼系统(TMD)都稳定且它们各自的Lyapunov函数的导数均由状态向量x和地震扰动计算所得的情况下，比较两者的值，选择其中小的一个作为控制律；选取AMD的Lyapunov函数为VAMD＝xTPx，其中P＞0是黎卡提方程(ATP+PA-PBR-1BTP+Q＝0)的正定解，定义PL＞0为TMD系统矩阵的Lyapunov方程解，其权重矩阵为Q，导出状态反馈控制律；TMD和AMD的Lyapunov函数的导数分别为：上式中W代表状态空间表示中的扰动矩阵；得出和中更小的一个具有较快的收敛速度；根据动能PL(K.E.)的导数和机械能PL(M.E.)的导数来选择：通过使用线性矩阵不等式(LMI)可以导出一般Lyapunov函数满足xTPcommonx＞0；上式中，A和A-BR-1BTP分别表示TMD和AMD的系统状态矩阵，求解LMI可得一般的Lyapunov函数。更进一步的，所述步骤4具体为：考虑如下线性定常系统：上式中x∈Rn是系统的状态，w∈Rl是干扰，A,B,D是适当维数的系统矩阵，设{ti},i∈{1,2,...}为采样时刻序列，当传感器含有数据丢失时，状态反馈控制可以表示如下：u(tk)＝γkKx(tk)上式中中γk是服从伯努利分布的0,1随机序列，且满足Prob{γk＝1}＝E{γk}＝β，Prob{γk＝0}＝1-E{γk}＝1-β这样闭环系统变为由于随机变量γk的存在，得出该系统是一个随机系统；对于系统，考虑如下测量数据丢失问题：u(tk)＝ΞkKx(tk)上式中Ξk＝diag{γ1k,...,γnk}，γik服从伯努利分布，均值为βi，方差为本专利技术有如下积极技术效果：1)本专利技术将切换系统理论应用于海洋平台振动控制研究，结合主动与被动两种振动控制的优点，是一种新型的振动控制策略，有望提高海洋平台的振动抑制效果。2)与主动控制策略相比，切换振动控制可以极大程度上的节约能量，通过设计合理的切换控制率，达到预期的控制效果。研究在计算机数字采样下的、含参数不确定以及含输入时延的切换控制问题，充分考虑了海洋平台的实际运行情况。附图说明图1为本专利技术海总体设计框图图2为本专利技术数字采样控制框图图3为本专利技术振动系统结构框图图4为本专利技术APTMD切换振动控制试验系统结构框图具体实施方式下面结合附图具体说明如何实施。1.基于APTMD的海洋平台振动控制系统图3为基于APTMD的海洋平台振动控制系统，包括主动质量阻尼器和被动质量阻尼器，其表现出不同的控制性能，主动质量阻尼器对于风和小地震引起的结构振动具有较好的振动抑制效果，相反地，对于大地震被动质量阻尼器更有效。因此，采用主动-被动复合调谐质量阻尼器(APTMD)对海洋平台振动进行控制，提出了在AMD和TMD间进行切换的振动控制策略，具体表现为：当有输入到作动器时，这种APTMD控制结构表现为一个AMD，当作动器输入为0时则表现为一个TMD。因此可以通过作动器的控制输入信号来控制AMD和TMD之间的切换，实现主动与被动切换振动控制。2.切换律准则研究考虑到主动振动控制与被动振动控制都能使海洋平台的振动能量衰减下来，从而达到抑制振动的目的。这里的控制目标是使平台振动快速地被抑制住，即海洋平台的振动能量快速地衰减。为此，分别从能量角度和Lyapunov函数角度设计控制率，具体操作如下：图3的动力学模型为：其中位移x2＝lθ，刚度k2是由摆长l、质量m本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于切换控制系统的海洋平台振动控制策略，其特征在于,包括以下步骤：步骤1：使用主动‑被动复合调谐质量阻尼器(APTMD)对海洋平台振动进行控制并采用在AMD和TMD间进行切换的振动控制策略；步骤2：切换律准则研究；步骤3：在计算机数字采样下切换振动控制；步骤4：含不完全传感器测量数据的切换振动控制；步骤5：含不确定参数的切换振动控制；步骤6：含输入时延的切换振动控制；步骤7：多目标的切换振动控制；步骤8：海洋平台主动与被动切换振动控制。

【技术特征摘要】
1.一种基于切换控制系统的海洋平台振动控制策略，其特征在于,包括以下步骤：步骤1：使用主动-被动复合调谐质量阻尼器(APTMD)对海洋平台振动进行控制并采用在AMD和TMD间进行切换的振动控制策略；步骤2：切换律准则研究；步骤3：在计算机数字采样下切换振动控制；步骤4：含不完全传感器测量数据的切换振动控制；步骤5：含不确定参数的切换振动控制；步骤6：含输入时延的切换振动控制；步骤7：多目标的切换振动控制；步骤8：海洋平台主动与被动切换振动控制。2.根据权利要求1所述的一种基于切换控制系统的海洋平台振动控制策略，其特征在于：所述步骤1具体为：当有输入到作动器时，APTMD控制结构表现为一个AMD，当作动器输入为0时则表现为一个TMD；可以通过作动器的控制输入信号来控制AMD和TMD之间的切换，实现主动与被动切换振动控制。3.根据权利要求1所述的一种基于切换控制系统的海洋平台振动控制策略，其特征在于：所述步骤2具体为：从能量角度和Lyapunov函数角度设计控制率，如下：动力学模型为：上式中，位移x2＝lθ，刚度k2是由摆长l、质量m2和重力加速度g导出的，即k2＝m2g/l，u是给执行器的输入力矩，是地震加速度。基于振动结构的动力学模型设计切换控制律：上式中δk和δm分别代表动能和机械能的阈值；M:＝diag[m1m2]∈R2×2，K:＝diag[k1k2]∈R2×2依据Lyapunov函数设计切换律：在主动质量阻尼系统(AMD)和被动质量阻尼系统(TMD)都稳定且它们各自的Lyapunov函数的导数均由状态向量x和地震扰动计算...

【专利技术属性】
技术研发人员：邹文成，钱科威，李实，毛骏，向峥嵘，
申请(专利权)人：南京理工大学，
类型：发明
国别省市：江苏,32