（检测技术与自动化装置专业论文）海上自升式钻井平台升降控制系统设计与研究.pdf

中文摘要 摘要 随着世界经济和技术的发展，海洋开发已成为全球新技术革命的重要组成部 分，而海洋油气开发又是当今海洋资源开发工程的主要内容之一。海洋移动式平 台是海洋油气勘探、开发的主要设备。目前，我国使用和制造的海上石油钻井平 台中的控制系统基本都是采用国外产品，国内对海上自升式钻井平台升降系统的 相关分析相对较少。因此，开展这方面的研究具有重要的意义。 本课题来源于大连海事大学与中远南通迪施有限公司的“自升式海洋平台提 升锁紧控制系统研发 的合作项目。本文首先对海上自升式平台升降控制系统的 原理和功能进行了总体说明，然后根据系统的要求对自升式平台的控制系统进行 了设计，对系统相关的重要设备进行选型，并对升降系统进行了数学建模，最后 通过采用自适应智能模糊一s m i t h 控制算法对模型进行了仿真研究。 本文阐述了海洋自升式平台分布式控制系统的组成结构，论述了上位工业控 制计算机与现场级p l c 之间的通讯，数据采集，集中控制等软、硬件设计的思想 与制作方法。除此之外，本文的研究重点是在对平台各个组成环节进行数学建模 的基础上，针对系统控制结构复杂、大时滞的特点，重点研究了适用的控制算法， 本文经过对比控制方法研究，由s m i t h 预估器到模糊预估控制，再到结合两者优势 的模糊一s m i t h 控制。为进一步提高s m i t h 控制的稳态精度及自适应能力，提出自 适应智能模糊一s m i t h 控制策略。仿真结果表明，本文采用的控制方法的动静态特 性比采用s m i t h 预估控制具有更好的控制效果，该控制策略具有更好的动静态特性 及更强的鲁棒性。 关键词：钻井平台；升降控制；数学模型；大时滞；控制算法 英文摘要 a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fw o r l de c o n o m i ca n dt e c h n o l o g y , o c e a n i cd e v e l o p m e n t h a sb e c o m ea ni m p o r t a n ta s p e c to fn e wt e c h n o l o g yr e v o l u t i o n o f f s h o r eg a sa n do i l d e v e l o p m e n tc a r lb ev i e w e da so n eo ft h em a j o rp a r t si no f f s h o r er e s o u r c ed e v e l o p m e n t p r o j e c t m o b i l eo f f s h o r ep l a t f o r m sa l es e r v e da st h em a i ne q u i p m e n t sf o ro f f s h o r eg a s a n do i le x p l o r a t i o na n dd e v e l o p m e n t c u r r e n t l y , t h ec o n t r o ls y s t e m sf o ro f f s h o r ed r i l l i n g p l a t f o r m sn e i t h e ru s e dn o rm a d ei nc h i n aa r ea l li m p o r t e df r o ma b r o a d d o m e s t i c r e s e a r c h e so ns e a j a c k - u pd r i l l i n gp l a t f o r ml i f t i n gs y s t e ma r er e l a t i v e l yf e w e r s ot h a ti ti s o f g r e a ti m p o r t a n c et oc a r r yo u tr e s e a r c hi nt h i sf i e l d t h i sd i s s e r t a t i o ni sb a s e do nt h ed a l i a nm a r i t i m eu n i v e r s i t y & c o s c on a n t o n g d m i c o ，l t dj o i n tp r o j e c t - 一- - j a c k - u po f f s h o r ep l a t f o r mt oe n h a n c el o c kc o n t r o ls y s t e m s f i r s t l y , t h ep r i n c i p l ea n df u n c t i o n so fs e aj a c k u pp l a t f o r ml i f t i n gc o n t r o ls y s t e m ( s j p l c s ) a l ei n t r o d u c e di nt h i st h e s i s s e c o n d l y , t h ec o n t r o ls y s t e mf o rs j p l c si s d e s i g n e di nt e r m so ft h es y s t e mr e q u i r e m e n t sa n dt y p e so fe q u i p m e n t sf o rt h ec o n t r o l s y s t e ma r ea l s od e t e r m i n e d f u r t h e r m o r e ，am a t h e m a t i c a lm o d e lf o rl i f t i n gs y s t e mi s e s t a b l i s h e d f i n a l l y , s i m u l a t i o nr e s u l t sa r eg i v e nb a s e do i l a d a p t i v ei n t e l l i g e n t f u z z y - s m i t hc o n t r o la l g o r i t h m t h es t r u c t u r eo fs e a j a c k u pp l a t f o r md i s t r i b u t e dc o n t r o ls y s t e mi si n t r o d u c e d t h e c o m m u n i c a t i o nb e t w e e ni n d u s t r i a lc o n t r o l c o m p u t e ra n dp l c ，c o n c e p t so fd a t a a c q u i s i t i o na n dc e n t r a l i z e de o n t r 0 1a r ea l s od i s c u s s e d b e s i d e s ，t h es u i t a b l ec o n t r o l a l g o r i t h mi sm a i n l yd i s c u s s e dd u et ot h ec o m p l e xa n dl a r g ed e l a yc h a r a c t e ro ft h e c o n t r o ls y s t e m t h es m i t hp r e d i c t o r , f u z z yp r e d i c t i o nc o n t r o la n dt h e f u z z y - s m i t h c o n t r o la r ea l s os t u d i e d a na d a p t i v e i n t e l l i g e n tf u z z y s m i t hc o n t r o la l g o r i t h m ( a i f s c a ) i sp r o p o s e dt of u r t h e ri m p r o v et h es t e a d y - s t a t ea c c u r a c ya n da d a p t i v e c a p a c i t yo fs m i t hc o n t r o l 。s i m u l a t i o nr e s u l t sd e m o n s t r a t et h eb e t t e rc o n t r o lp e r f o r m a n c e a n db e t t e rr o b u s t n e s so ft h ep r o p o s e da i f s c a c o m p a r e dw i t hs m i t hp r e d i c tc o n t r 0 1 k e yw o r d s ：d r i l l i n gp l a t f o r m ；l i f t i n gc o n t r o l ；m a t h e m a t i c a lm o d e l ；l a r g et i m e d e l a y ；c o n t r o la l g o r i t h m 大连海事大学学位论文原创性声明和使用授权说明 原创性声明 本人郑重声明：本论文是在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果， 撰写成博硕士学位论文：连土自丑式毡羞王鱼丑隆丕统遮让皇班塞：一。除论文中 已经注明引用的内容外，对论文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中 以明确方式标明。本论文中不包含任何未加明确注明的其他个人或集体已经公开 发表或未公开发表的成果。本声明的法律责任由本人承担。 学位论文作者签名：蘧陷颤j 金一 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解大连海事大学有关保留、使用研究生学 位论文的规定，即：大连海事大学有权保留并向国家有关部门或机构送交学位论 文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权大连海事大学可以将本 学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，也可采用影印、缩印或扫 描等复制手段保存和汇编学位论文。同意将本学位论文收录到中国优秀博硕士 学位论文全文数据库( 中国学术期刊( 光盘版) 电子杂志社) 、中国学位论 文全文数据库( 中国科学技术信息研究所) 等数据库中，并以电子出版物形式 出版发行和提供信息服务。保密的论文在解密后遵守此规定。 本学位论文属于：保密口在年解密后适用本授权书。 不保盔9 ( 请在以上方框内打“”) 论文作者签名；韬琵瑰痧 导师签名： 日期：yf 口年占月夕罗日 海上白升式钻井平台升降控制系统设计与研究 第1 章绪论 1 1 课题研究背景和研究意义 石油又称原油，是从地下深处开采的棕黑色可燃粘稠液体。主要是各种烷烃、 环烷烃、芳香烃的混合物。它是古代海洋或湖泊中的生物经过漫长的演化形成的 混合物，与煤一样属于化石燃料。石油主要被用来作为燃油和汽油，燃料油和汽 油组成目前世界上最重要的一次能源之一。石油也是许多化学工业产品如溶液、 化肥、杀虫剂和塑料等的原料。 原油的分布从总体上来看极端不平衡：从东西半球来看，约3 4 的石油资源 集中于东半球，西半球占1 4 ；从南北半球看，石油资源主要集中于北半球；从 纬度分布看，主要集中在北纬2 0 0 - 4 0 0 和5 0 0 - 7 0 0 两个纬度带内。波斯湾及墨西哥湾 两大油区和北非油田均处于北纬2 0 0 - 4 0 0 内，该带集中5 1 3 的世界石油储量； 5 0 0 - 7 0 0 纬度带内有著名的北海油田、俄罗斯伏尔加及西伯利亚油田和阿拉斯加湾 油区。目前，地球上有5 3 个国家( 或地区) 从事近海石油开发，2 2 个国家( 或地 区) 从事近海天然气开发。迄今为止，世界上约有4 3 0 个海上油田，年产油量约 占世界原油总产量的2 5 。 随着社会的发展和科学技术的进步，人类社会对能源的需求越来越大。陆上 油气资源经过长时期大规模的开发之后，油气资源同益贫乏。特别是2 1 世纪以来， 随着世界工业的迅速发展，全球对能源的需求日益扩大，世界范围的油气勘探与 开发转向了资源丰富的、占地球表面7 1 左右的辽阔的海洋，海洋石油的开发已 经成为世界的焦点之一。海洋油气资源开发逐渐成了能源工业中投资高、高新技 术密集的新领域。 人类对油气资源开发利用的深化，油气勘探开发从陆地转入海洋。因此，钻 井工程作业也必须在灏翰的海洋中进行。在海上进行油气钻井施工时，几百吨重 的钻机要有足够的支撑和放置的空问，同时还要有钻井人员生活居住的地方，海 上石油钻井平台就担负起了这一重任。由于海上气候的多变、海上风浪和海底暗 流的破坏，海上钻井装置的稳定性和安全性更显重要。 第1 章绪论 海洋钻井平台是主要用于钻探井的海上结构物。平台上装钻井、动力、通讯、 导航等设备，以及安全救生和人员生活设施，是海上油气勘探开发不可缺少的基 本装备。主要分为移动式平台和固定式平台两大类【1 1 。其中按结构又可分为： ( 1 ) 移动式平台：包括坐底式平台、自升式平台、钻井船、半潜式平台、张力 腿式平台、牵索塔式平台几种。 ( 2 ) 固定式平台：包括导管架式平台、混凝土重力式平台、深水顺应塔式平台 几种。固定式钻井平台大都建在浅水中，它是借助导管架固定在海底而高出海面 不再移动的装置，平台上面铺设甲板用于放置钻井设备。支撑固定平台的桩腿是 直接打入海底的，所以钻井平台的稳定性好，但因平台不能移动，故钻井的成本 较高。 1 2 国内外发展情况与现状 1 2 1 国外情况 世界现代石油工业最早诞生于美国宾西法尼亚州的泰特斯维尔村。一个叫乔 治比尔斯的人于1 8 5 5 年请美国耶鲁大学西利曼教授对石油进行了化学分析，得 出了石油能够通过加热蒸馏分离成几个部分，每个部分都含有碳和氢的成分，其 中一种就是高质量的用以发光照明的油。1 8 5 8 年比尔斯请德雷克上校带人打井， 1 8 5 9 年8 月2 7 日在钻至6 9 英尺时，终于获得到了石油。从此，利用钻井获取石 油、利用蒸馏法炼制煤油的技术真正实现了工业化，现代石油工业诞生了。 近海石油的勘探开发已有1 0 0 多年的历史。1 8 9 7 年美国使用木制栈桥开始了 第一次海洋钻井。1 9 2 0 年委内瑞拉搭制了木制平台进行钻井。1 9 3 6 年美国为了开 发墨西哥湾陆上油田的延续部分，钻成功第一口海上油井并建造了木制结构生产 平台，两年后，于1 9 3 8 年成功地开发了世界上第一个海洋油田。第二次世界大战 后，木制结构平台改为钢管架平台。1 9 6 4 至1 9 6 6 年英国、挪威在水深超过1 0 0 米、 浪高达到3 0 米、最高风速1 6 0 千米d , 时、气温至零下且有浮冰的恶劣条件下， 成功地丌发了北海油田。标志着人们开发海上油田的技术已臻成熟。目前已有8 0 多个国家在近海开展石油商业活动，原油产量占世界石油总产量的3 0 左右。 海上自升式钻井平台升降控制系统设计与研究 目前世界海洋石油业界总的趋势是逐渐走向深水和超深水，世界的深海主要 分布在巴西、美国的墨西哥湾、西非、印尼、里海，以及我国的南海等地。目前 国外的作业水深突破了3 0 0 0 米，生产水深达到2 5 0 0 米。深水油田主要集中在墨 西哥湾、巴西海域和西非海域，其中西非海域的深水油气开发近年来增长十分迅 猛。 1 2 2 国内情况 近年来，随着中国经济的持续高速发展，国内对原油资源的消费需求量将进 一步增大。受资源的地理分布条件和开采难度的制约，目前中国原油产量始终徘 徊在每年1 。6 亿吨左右，而且东部油田面临开采成本太高的压力和资源枯竭的威 胁。本国产量无法满足国内需要。今后新增的石油需求量绝大部分要依靠进口。 2 0 0 3 年，中国进口石油直逼l 亿吨大关，并超过日本成为全球第二大石油净进口 国。到2 0 2 0 年前后，中国的石油进口量有可能超过3 亿吨，成为世界第一大油品 进口国【2 1 。由于需求量一直在迅速增长，因此，对开发海洋石油提出了更高的要求。 我国海域辽阔，大陆架面积约有1 3 0 万平方千米，渤海，黄海，东海和南海 都有大面积的沉积盆地，其中具有油气勘探价值的面积在6 0 万平方千米以上，同 时一半以上的海域有宝贵的石油。预测的石油储量达2 5 0 亿吨，这是我国海上石 油天然气开发的资源基础。而我国海洋石油勘探开发的历程起始于1 9 5 7 年。最早 使用平台在海上打井是1 9 6 3 年，用土办法制造了中国第一座浮筒式钻井平台，于 莺歌海距海岸4 千米处打了三口井f 3 1 。1 9 6 6 年在渤海建立了第一座正式海上平台， 同年1 2 月3 1 日渤海第一口探井开钻并于1 9 6 7 年6 月1 4 日喜获工业油流，从此 揭开了海洋石油勘探开发的序幕。1 9 5 7 至1 9 7 9 年是我国海上石油开采的探索阶段， 2 2 年共开采原油9 6 万吨；从1 9 7 9 年海上石油开发实行对外开放以来，我国的海 上石油开发进入高速开展期，到1 9 9 4 年海上采集地震测线5 7 万千米，打探井3 6 3 口，发现油气构造8 8 个，获得石油地质储量1 1 8 8 亿吨、天然气地质储量1 8 0 0 亿 立方米，年产量达到了6 4 7 力吨。到2 0 0 0 年生产能力已达到2 0 0 0 万吨；2 0 0 5 年， 我国的海上原油生产能力已达到4 0 0 0 万吨。目前，海洋已成为我国重要的原油生 产基地。 第1 章绪论 1 2 3 研究现状 在海洋石油的勘探与开发阶段，海洋移动平台有着关键作用。在各种平台中， 移动自升式平台又占有不可替代的地位，尤其在我国目前所处的海洋石油开发阶 段，移动自升式平台更是各类平台中的主力军。移动自升式平台可以作为钻井、 修井和生产平台，而且还可以作为整治港口的作业平台，它们一直是船舶与海洋 工程界的主要设计与研究对象之一，因此海洋自升式移动平台设计与研究是非常 有意义的一项工作。 自升式平台的用途有多种，但以钻井平台最为典型，数量也最多。自升式由 一个平台主体( 漂浮于水面时为浮体) 和若干桩腿所组成。通过升降装置的动作， 平台主体或桩腿可垂直升降【3 1 。平台拖航到达井位后，先放桩腿下降至海底，再进 一步提升主体，使之沿桩腿上升到离开海面一定的高度，以避开波浪对平台主体 底部的冲击。钻完井后平台离开井位时，先将主体下降到水面，利用水的浮力对 主体的支持把桩腿从海底拔出、升起，然后移航到新的井位。 从钻一口井的角度来看，自升式平台必须经历如下的操作程序： 移航一 就位一 放桩一 预压一 升起主体一 钻井一 降下主体一 拔桩( 一般 需冲桩) 一 提桩一 固桩后移航2 1 。 自升式平台的结构式样是各种各样的，可以按平台主体的形状、桩腿的数目 及型式、升降装置的类型等进行区分。 ( 1 ) 平台主体 主体的平面形状和桩腿的数目密切相关，一般有三角形( 三腿) 、矩形( 四 腿) 和五角形( 五腿) 等【5 1 。 ( 2 ) 桩腿 自升式平台的主体依靠桩腿的支撑才得以升离水面，是平台处于钻井作业状 态。桩腿的作用除了支撑平台的全部重量外，还要承受住各种环境外力的作用。 桩腿的型式可分为壳体式和桁架式两种。 ( 3 ) 升降装置 海上白升式钻什平台升降控制系统设计与研究 升降装置安装在桩腿和平台主体的交接处，驱动升降装簧使桩腿和平台作相 对的上下运动。升降装置还有把平台主体固定于桩腿某一位置的作用，此时升降 装置主要承受垂直力，水平力则由固桩装置传递。展常用的升降装置是齿轮齿条 式及顶升液压缸式。 齿轮齿条式升降装置的齿条沿桩腿筒体或弦杆铺设而与齿条相啮合的小齿 条安装在轮架上，并由电动机或液压马达经减速齿轮驱动【6 】。当主体漂浮于水面时 驱动齿轮可使桩腿升降，而当桩腿支承于海底时，驱动齿轮则可使主体升降。 近年米，我国对海上石油钻井平台的需求量不断增加，同时我国承建的石油 钻井平台数量也在不断增加。但像造船业一样，其中的关键部分，我国尚没有拥 有自主知识产权的产品。因此，大部分关键设备基本采用进口产品，尤其是其中 的自动控制系统和主要装置。所以开展这一领域关键理论和技术的研究对提 升我国竞争能力具有重大的经济和政治意义。 圈11 自升式海洋钻井平台侧视图 s i d ev i e w o f j a c k - u po f f s h o r e d r i l l i n g p l a t f o r m 第1 章绪论 1 3 课题来源及研究内容 本课题来源于大连海事大学与中远南通迪施有限公司的“自升式海洋平台提 升锁紧控制系统研发 的横向合作项目，研究对象是自升式钻井平台的升降控制 系统。 本文具体研究内容如下： ( 1 ) 平台控制系统的设计 在深入分析研究自升式海上石油钻井平台的结构、原理和功能的基础上，进 行了海上自升式石油钻井平台升降控制系统的设计。根据系统的特点，采用分布 式计算机控制系统的设计，系统由上位机和现场级组成。上位机对提升系统的升 降过程进行集中监测、操作和管理。上位机采用w i n c c 组态软件，具有良好的人 机界面，可以直观显示工作过程和具体参数变化情况。平台三个桩腿处，设置现 场级的p l c 控制器实现对平台升降装置的控制。上位机通过通讯模块与下位机 p l c 相连接。 ( 2 ) 系统重要设备的选型设计 本文设计的升降控制系统中有些测量与控制参数非常关键，因此，对其中应采 用的测量控制设备进行了选型设计。如反应桩腿和电机载荷的扭矩测量、平台水 平倾斜程度的测量、桩腿高度的测量等。 ( 3 ) 系统的建模和控制算法研究 为实现平台升降系统的控制，开展了系统各主要组成部分的建模研究。通过 分析控制系统的各结构部分并进行机理建模，掌握了该控制系统的特性，针对建 立的二阶大时滞数学模型，经对比分析，并与相类似的控制方法进行比较，采用 了自适应智能模糊一s m i m 控制方法，对此控制算法进行了深入的研究，在自升式 钻井平台中采用此控制方法，可以明显改进控制品质。 ( 4 ) 控制方法的仿真 在对自适应智能模糊一s m i t h 控制方法原理研究的基础上，对该算法进行了仿 真，仿真结果表明，针对自升式钻井平台升降控制系统，采用自适应智能模糊一 s m i t h 控制方法控制策略具有更好的动静态特性及更强的鲁棒性。 海上自升式钻升半台升降控制系统设计，研究 第2 章自升式海洋钻井平台提升系统简介 21 自升式平台提升系统 自升式钻井平台为三角形状类型，由三条桩脚组成。特点是移动自升式，能 够适应海上的恶劣环境，实现平台升降的自动控制( 平台国产化的核心技术之一) 。 齿轮齿条自升式钻井平台提升系统如图21 所示。钻井平台由3 个桩腿( 桩腿1 、 桩腿2 、桩腿3 ) 组成。每个桩腿包括3 个齿条( 齿条a 、齿条b 、齿条c ) ，每 个齿条又分上、中、下三组，每组又由两个齿轮箱组成，总共5 4 个齿轮箱。计算 机自动控制系统要对这5 4 个齿轮箱的受力、受力均衡度、桩脚与齿条的高度、平 台水平倾斜度，5 4 个电动机的功率、载荷、电流、电压、频率5 4 个齿轮箱的温 度等各种参数进行监测、报警，并对电动机启动、停止进行控制。 i 芏i21 白升式平台提升系统煳 f i g21l i f t i n gs y s t e mo f j 8 c k - u pp l a f f o 丌订 第2 章自升式海洋钻井平台提升系统简介 2 1 1 钻井平台提升系统 海上钻井平台升降系统由三大部分组成【7 】【1 1 】： ( 1 ) 动力驱动系统 钻井平台的动力驱动系统采用液压驱动的工作方式，液压驱动就是通过液压 站及其相应的阀件带动液压马达，液压马达再通过驱动齿轮箱带动平台桩腿上的 齿条，从而完成升降动作。 ( 2 ) 动力传动系统 动力传动系统主要包括齿轮齿条及其相应的减速机构。 ( 3 ) 平台升降控制系统 自升式平台的升降系统的形式有三种：齿轮齿条式绞车、油缸顶升式和卷扬 式。 2 1 2 提升锁紧系统 每个桩腿上有3 个锁紧装置，三个桩腿共有9 个锁紧装置。每个锁紧装置有6 个齿轮，每个齿轮由一台电机通过齿轮箱独立驱动【9 1 。因此，总共有5 4 个锁紧单 元。成对的齿轮装在托架的两侧用以平衡托架与齿轮之间的水平铺展力。这样所 设计的装置使得每个齿轮和电机都能单独的移除，满足检修的要求。 提升齿轮箱主要选用j u g 2 0 0 型齿轮箱和j u g 4 5 4 型齿轮箱。 海上白升式钻井平台升降控制系统设计与研究 量五嗪薰刺 鼍旺 麓薰糕 匣， 蓐正 盛文 x 互 涟管强 _ _ 毫匡雾 刊 f ：_ i j c c - _ 。 一 耄 t j k 一 ( - _ s _ ，铲_ 0 或e xe c = 0 且e 0 时，对偏差进行积分；当e xe c 0 或e = 0 时，不对偏差进行积分。即当被控 变量趋向于给定值时，无需积分；当被控变量偏离给定值时，加入积分作用，以 尽快消除余差。 5 3 大时滞过程自适应智能模糊- s m i t h 控制研究 针对大时滞系统特点，为迸一步提高模糊s m i t h 控制系统稳态精度及系统的 自适应能力，结合仿人智能思想，提出自适应智能模糊s m i t h 控制策略。也就是 根据偏差及偏差变化率变化方向，实时调整积分作用及模糊控制器的量化因子与 比例因子，可同时满足动态响应和稳态精度的要求并具有较强的鲁棒性。 由于模糊控制采用了i f t h e n 的控制规则，不便于控制参数的学习和调整， 缺乏自学习和自适应能力。量化因子k e 、k e e 和比例因子k u 在很大程度上影响 模糊控制器的性能，采用固定的控制参数很难同时满足动态响应和稳态精度的要 求，因此调整这三个参数是改善模糊控制器性能的重要手剧矧。 为此，采用参数自适应的模糊控制和s m i t h 预估控制相结合来提高模糊控制器 对大时滞过程的控制能力与自适应能力。参数自适应模糊控制器设计的主要思想 是引入专家经验中的“粗调”和“细调 ，根据实际的偏差和偏差变化的大小不 断调整控制器参数。一般原则为：当偏差或偏差变化率较大时，控制系统的主要任 务是减小误差，加快动态过程，因此k e 和k e c 取较小值以降低对偏差和偏差变化 率的分辨率，k u 取较大值，以保证系统的快速性及稳定性；当偏差或偏差变化率 较小时，减小系统的超调和稳态误差为主要任务，因此k e 和k e c 取较大值来提高 对偏差和偏差变化率的分辨率，减小k u 获得较小控制量，避免产生超调，并使系 统尽快进入稳态精度范围。 第5 章平台升降系统模型控制方法的研究 自适应智能模糊s m i t h 控制结构如图5 6 所示，智能积分环节实时判断积分作 用的施加，自适应机构采用自适应机制实时调整控制器量化因子和比例因子。 图5 6 自适应智能模糊s m i t h 控制器结构图 f i g 5 6s t r u c t u r ed i a g r a mo fa d a p t i v ei n t e l l i g e n tf u z z y - s m i t hc o n t r o l l e r 5 4 仿真实例 5 4 1m a t l a b s i m u l i n k 简介 2 0 世纪7 0 年代，美国新墨西哥大学计算机科学系主任c l e v em o l e r 为了减轻 学生编程的负担，用f o r t r a n 编写了最早的m a t l a b 。1 9 8 4 年由l i t t l e 、m o l e r 、 s t e v eb a n g e r t 合作成立了的m a t h w o r k s 公司正式把m a t l a b 推向市场，成为美国 m a t h w o r k s 公司出品的商业数学软件。到2 0 世纪9 0 年代，m a t l a b 已成为国际 控制界的标准计算软件。 m a t l a b 是矩阵实验室( m a t r i xl a b o r a t o r y ) 的简称，是用于算法开发、数据 可视化、数据分析以及数值计算的高级技术计算语言和交互式环境，主要包括 m a t l a b 和s i m u l i n k 两大部分。 海上自升式钻井平台升降控制系统设计与研究 m a t l a b 的应用范围非常广，包括信号和图像处理、通讯、控制系统设计、 测试和测量、财务建模和分析以及计算生物学等众多应用领域。附加的工具箱( 单 独提供的专用m a t l a b 函数集) 扩展了m a t l a b 环境，以解决这些应用领域内 特定类型的问题。 s i m u l i n k 是t h em a t hw o r k s 公司于1 9 9 0 年推出的产品，是用于m a t l a b 下 建立系统框图和仿真的环境。从名字上看，立即就能看出该程序有两层含义，s i m u 一词表明它可以用于计算机仿真，而l i l l k 一词表明它能进行系统连接，即把一系 列模块连接起来，构成复杂的系统模型。 s i m u l i n k 是m a t l a b 最重要的组件之一，它提供一个动态系统建模、仿真和 综合分析的集成环境。在该环境中，无需大量书写程序，而只需要通过简单直观 的鼠标操作，就可构造出复杂的系统。s i m u l i n k 具有适应面广、结构和流程清晰及 仿真精细、贴近实际、效率高、灵活等优点，并基于以上优点s i m u l i n k 已被广泛 应用于控制理论和数字信号处理的复杂仿真和设计，同时有大量的第三方软件和 硬件可应用于或被要求应用于s i m u l i l l l ( 【4 8 】。 s i m u l i n k 具有以下特点： ( 1 ) 交互式的图形编辑器来组合和管理直观的模块图； ( 2 ) 以设计功能的层次性来分割模型，实现对复杂设计的管理； ( 3 ) 通过m o d e le x p l o r e r 导航、创建、配置，搜索模型中的任意信号、参数、 属性，生成模型代码； ( 4 ) 提供a p i 用于与其他仿真程序的连接或与手写代码集成； ( 5 ) 使用e m b e d d e dm a t l a b t m 模块在s i m u l i n k 和嵌入式系统执行中调用 m a t l a b 算法； ( 6 ) 使用定步长或变步长运行仿真，根据仿真模式( n o r m a l ，a c c e l e r a t o r , r a p i d a c c e l e r a t o r ) 来决定以解释性的方式运行或以编译c 代码的形式来运行模型： ( 7 ) 图形化的调试器和剖析器来检查仿真结果，诊断设计的性能和异常行为； ( 8 ) 可访问m a t l a b 从而对结果进行分析与可视化，定制建模环境，定义信号 参数和测试数据； 第5 章平台升降系统模型控制方法的研究 ( 9 ) 模型分析和诊断工具来保证模型的一致性，确定模型中的错误。 为验证自适应智能模糊s m i t h 控制的有效性，在m a t l a b 环境中用s i m u l i n k 仿真工具箱进行图形组态与仿真，并与s m i t h 控制相比较。 5 4 2 动静态性能分析 首先，假定仿真中的s m i t h 预估模型与被控对象模型完全匹配，则带智能积分 与参数自适应的模糊s m i t h 控制与模糊s m i t h 控制跟踪单位阶跃信号的性能如图 5 7 所示。 ，一一- 一 ：w 。 ， 一， ， 一 _ j 其中，采样周期为l s ，模糊s m i t h 控制器的参数为：k e = 0 2 ，k e c = 0 8 ，k u = 2 0 ： 自适应智能模糊s m i t h 控制器的积分系数为：k i - o 0 2 0 ，自适应机构采用4 层调整 结构，在i e i 0 7 时，控制器参数为：k e = 0 1 5 ，k e c = 0 5 ，k u = 2 ；在o 5 l e l o 7 时，控制器参数为：k e = 0 2 0 ，k e c = 0 7 1 ，k u = 1 5 ；在o 3 l e l o 5 时，控制器参为： 2 ， 8 6 4 2 1 0 0 0 0 海上自升式钻井平台升降控制系统设计与研究 k e = 0 2 2 ，k e c = 0 8 ，k u = o 8 ；在0 、 l e l 0 2 时，控制器参数为：k e = 0 2 5 ，k e c = 0 8 5 ， k u = 0 9 。由阶跃响应曲线可见，自适应智能模糊一s m i t h 控制上升过程平稳，没有 超调，且没有稳态误差。 5 4 3 鲁棒性测试 为模拟被控对象的时变性，现保持控制器参数及s m i t h 预估模型不变的情况下， 分别改变被控对象的参数和结构。 当被控对象传递函数变为g ( s ) = 了1 若￥p 哺时，控制效果如图 5 8 所示，可见提出的自适应智能模糊s m i t h 控制具有很强的鲁棒性。 另外，当被控对象传递函数改变为g ( s ) = 詈未时，自适应智能模糊- s m i t h 控制与模糊s m i t h 控制的控制效果如图5 9 所示，可见在对象参数发生较大变化时， 自适应智能模糊s m i t h 控制仍然具有令人满意的控制效果。 一上 j 。j 。，、二；- - - 一 趴 r 7 ， 01 0 0 2 0 03 0 04 0 0 5 0 06 0 07 0 0 8 0 0 9 0 01 0 0 0 图5 8 被控对象参数变化时的控制效果比较 f i g 5 8c o m p a r e dr e s u l tm a pa f t e rt h ep a r a m e t e rc h a n g e 2 1 8 6 4 2 0 1 0 0 0 0 第5 章平台升降系统模型控制方法的研究 ，一， ， 、 。z 一、，- d l l i _ _ _ - _ 力j l1 、 。：|j v 7 ， - - i 图5 9 被控对象结构变化时的结构图比较 f i g 5 9c o m p a r e dr e s u l tm a pa f t e rt h ef r a m ec h a n g 5 4 4 结论 针对大时滞过程这个控制难题，结合仿人智能思想，提出一种自适应智能模 糊s m i t h 控制策略，该策略中模糊控制器、s m i t h 预估器、参数自适应机构及智能 积分器协同工作，可进一步提高模糊s m i t h 控制器控制的稳态精度及自适应性能， 同时满足动态响应和稳态精度的要求。m a t l a b 仿真结果表明，该控制策略具有 较好的动静态特性及较强的鲁棒性，是解决时变大时滞过程控制问题的一种有效 途径。 ， 0 0 0 0 海上自升式钻井平台升降控制系统设计与研究 结论 本文概述了海洋自升式移动平台的类型和发展概况，对自升式升降系统等重 要设计内容和平台基本性能进行了研究和广泛的讨论，并阐述了海洋自升式移动 平台的设计原理和方法。本文在收集了大量的国内外有关海洋自升式移动平台的 资料，总结了其中反映作者研究生期间的科学研究和工作。 本论文的主要研究成果： 1 平台分布式控制系统的设计 在该系统中，p l c 主要完成实时数据采集、电机变频控制、状态判别、输出 判别等；而上位计算机则完成采集数据信息的存储、分析处理、状态显示、打印 输出、越限报警，从而实现对系统的实时监控。 2 控制系统功能的实现 在设计了升降控制系统的分布式结构基础上，研究了控制系统各主要功能的 实现，主要在w i n c c 组态软件界面下，开发了钻井平台运行软件，包括数据显示、 查询、修改等功能。 3 控制方法研究及仿真 本文中研究了升降控制系统的控制方法：自适应智能模糊一s l i l i t h 控制。在基 本控制级采用模糊一s i i l i t h 控制，协调级采用自适应机制实时调整控制器量化因子 和比例因子，智能积分器根据偏差及偏差变化率实时调整积分作用。最终对建立系 统大时滞数学模型，通过仿真研究和比较，结果表明，该控制策略具有更好的动静 态特性及更强的鲁棒性。 由于时间和条件的限制，本文仅在以上三个方面进行了研究，还有一些问题 需要在今后进一步分析和研究，现归结如下： 1 数学模型的具体参数有待于现场调试时进一步具体测定，使其符合实际控 制系统。 2 将平台水平控制方案与工业实践相结合，进一步应用于实际操作控制中， 提高生产过程控制品质。 结论 海洋自升式移动平台的设计与研究是一个不断发展的领域，由于作者的水平 和时间所限，本文必然存在一些缺点和不足，恳切希望得到各位专家老师给予批 评和指正。 海上自升式钻井平台升降控制系统设计与研究 参考文献 1 钟飞腾，林峰石油中国北京：中华工商联合出版社，2 0 0 6 2 孙东昌，潘斌海洋自升式移动平台设计与研究上海：上海交通大学出版社，2 0 0 8 3 马志良，罗德涛近海移动式平台北京：海洋出版社，1 9 9 3 4 k o b a y a s h ih i r o s h i ，h i r a k a w as e i i e h i ，s u z u k it a k a o e x p e r i m e n t a ls t u d yo fan e w t y p eo fo i lp r o d u c t i o np l a t f o r m s p ep r o d u c t i o ne n g i n e e r i n g ，1 9 8 9 ，4 ( 2 ) ：1 4 7 1 5 6 5 3 孙永泰自升式海洋平台齿轮齿条升降系统的研究石油机械，2 0 0 4 ，3 2 ( 1 0 ) ：2 3 - 2 6 r 6 傅裕虎“港海一”号自升钻井平台升桩机构控制台系统船舶，2 0 0 1 ( 2 ) ：5 3 - 5 5 7 李文华，张银东，陈海泉等自升式海洋石油平台液压升降系统分析液压与气动， 2 0 0 6 ( 8 ) ：2 3 - 2 5 。 8 田海庆，李德堂胜利开发三号采油平台液压升降系统设计石油矿场机械，2 0 0 4 ， 3 3 ( 6 ) ：8 0 - 8 2 9 谭跃，邱赤东自升式海洋平台自动平衡控制的研究大连海事大学学报，2 0 0 0 ， 2 6 ( 2 ) ：9 5 - 9 7 1 0 胡寿松自动控制原理( 第五版) 北京：科学出版社，2 0 0 7 1 1 余雷声电气控制与p l c 应用北京：机械工业出版社，1 9 9 6 1 2 王永华现代电气控制及p l c 应用技术北京：北京航空航天大学出版社，2 0 0 3 1 3 卫国爱，许平勇，斤迎川等基于p l c 的液压调平升降控制系统液压与气动， 2 0 0 4 ( 5 ) ：1 1 - 1 3 1 4 刘洪涛，黄海p l c 应用开发北京：电子工业出版社，2 0 0 7 1 5 胡学林可编程控制器原理及应用北京：电子t 业出版社，2 0 0 7 1 6 胡健西门子s 7 - 3 0 0 p l c 应用教程北京：机械工业出版社，2 0 0 7 1 7 薛建中p r o f i b u s 现场总线及其应用仪器仪表学报，2 0 0 1 ，2 6 ( 8 ) ：2 5 2 - 2 5 3 1 8 s i r a t i c s 7 - 3 0 0 可编程控制器硬件和安装手册，2 0 0 6 1 9 刘华波组态软件w i n c c 及其应用北京：机械上业出版社，2 0 0 9 2 0 韩冰现场总线系统监控与组态软件北京：化学工业出版社，2 0 0 8 2 1 王曙光s 7 3 0 0 4 0 0p l c 入门与开发实例北京：人民邮电出版社，2 0 0 9 2 2 梁绵鑫w i n c c 基础应用开发指南北京：机械j ：业出版社，2 0 0 9 2 3 骆叶，王海良双轴跟踪平台系统控制、解耦设计自动驾驶仪与红外技术，2 0 0 6 ( 3 ) ：卜7 2 4 夏小华，高为炳1 卜线性系统控制及解耦北京：科学出版社，1 9 9 3 - 4 7 海上白升式钻井平台升降控制系统设计与研究 2 5 贺建勋系统建模与数学模型福州：福建科学技术出版社，1 9 9 5 2 6 道别林，童钧芳系统的建模和响应上海：上海科学技术出版社，1 9 8 6 2 7 王春行液压控制系统北京：机械工业出版社，2 0 0 0 2 8 y uh ，f e n gzj ，w a n gxy n o n li n e a rc o n t r o lf o rac l a s so fh y d r a u li cs e r v o s y s t e m j o u r n a lo fz h e j i a n gu n i v e r s i t ys c i e n c e ，2 0 0 4 ，5 ( 1 1 ) ：1 4 1 3 1 4 1 7 2 9 黎启柏液压元件手册北京：冶金工业出版社，2 0 0 0 3 0 3 刘长年液压伺服系统优化设计理论