（控制理论与控制工程专业论文）胜利油田石油平台升降过程水平控制.pdf

摘要 摘要 随着人们生活质量的提高，人们对石油及其副产品的需求也会越来 越大，各个国家都把石油开发提升到了一个战略地位，加大开采力度。 显然，作为石油开采工具的海上石油平台具有高效的经济意义，海上石 油平台是油田开发的主体工程，对平台的研究将会提高我国海上作业平 台升降控制系统的稳定性和精确性。由于国内还没有对海上作业平台的 控制进行相关的分析，本文将针对这一课题进行深入研究。 本课题来源于广东工业大学与中国石化集团胜利石油管理局井下作 业公司就“胜利作业三号平台升降系统电气控制部分改造”的横向合作 项目。本文首先简单介绍了胜利作业三号平台的升降系统，接着对其进 行建模，然后根据建立的系统模型选择了i t a e 二次优化控制对系统进行 控制，从仿真结果可以看出，控制系统的平稳性和鲁棒性比s m i t h 预估 控制要好。 石油平台升降系统是一个十分复杂的液压系统，建立一个准确的数 学模型对于系统的控制有很大的影响。本文首先对石油平台升降系统进 行水平解耦，得到三个桩腿的速度补偿信号；接着对阀控液压马达系统 进行机理建模，然后建立了减速器的数学模型，最后综合得出了单个桩 腿控制系统的数学模型，并对数学模型做了适当的变换。从建立的数学 模型看，我们所建立的数学模型是一个大时间延迟系统。 针对系统大时间延迟的特点，本文经过对比之后，选择采用i t a e 最佳调节律建立的二次优化控制对系统进行控制。二次优化控制对大时 间延迟系统具有很好的控制效果，但是二次优化控制主要针对一阶惯性 加延迟的对象，所以在第四章采用最优降阶方法对模型进行降阶处理， 接着设计了二次优化控制器，并对控制器的各个参数进行了推导计算； 最后研究了二次优化控制器的鲁棒性。 对前面选择的控制策略，本文的最后一章用s i m u l i n k 建立了用二 次优化控制器进行控制的仿真模型并对系统进行仿真研究，从仿真结果 广东工业大学工学硕上学位论文 可以看出，根据前面第四章的公式计算出来的参数的控制器对系统的控 制效果并不太理想，经过微调控制器的参数后，系统有很好的控制效果。 经过跟s m i t h 预估控制的比较研究可以看出，对于本文所研究的系统， 选用i t a e 二次优化控制，无论是系统的平稳性还是鲁棒性都比s m i t h 预 估控制好。 关键词：石油平台；建模；i t a e ；二次优化控制；仿真 i i a b s t r a c t a b s t r a c t a sp e o p l ei m p r o v e dq u a l i t yo fl i f e ，p e o p l ew i l ld e m a n dm o r ea n dm o r e f o ro i la n di t sb y - p r o d u c t s a l lc o u n t r i e sh a v et oe n h a n c et h ed e v e l o p m e n t o fo i li nas t r a t e g i cp o s i t i o n ，a n di n c r e a s et h ei n t e n s i t yo fe x p l o i t a t i o n c l e a r l y ，a sat o o lo ft h eo i le x p l o i t a t i o n ，o f f s h o r eo i lp l a t f o r mh a sah i g h e c o n o m i cs i g n i f i c a n c e o f f s h o r eo i l p l a t f o r mi s t h em a i np a r to ft h eo i l e x p l o i t a t i o n ，s od o i n gt h er e s e a r c ho ft h ep l a t f o r mw i l le n h a n c et h es t a b i l i t y a n da c c u r a c yo ft h eo f f s h o r eo i lp l a t f o r mj a c k u ps y s t e m b e c a u s et h e r ei s n or e l a t e da n a l y s i sw i t h t h ec o n t r o lo ft h eo i lp l a t f o r m ，t h i s p a p e rw i l l a d d r e s st h et o p i ci n - d e p t hs t u d y t h et o p i co ft h ed i s s e r t a t i o nc o m e sf r o mt h ec o o p e r a t i o np r o je c to f g u a n g d o n gu n i v e r s i t y o ft e c h n o l o g ya n ds i n o p e c s h e n g l ip e t r o l e u m a d m i n i s t r a t i o nu n d e r g r o u n do p e r a t i n gc o m p a n y t h i sp a p e rf i r s tb r i e f l y i n t r o d u c e st h eja c k u ps y s t e mo fs h e n g l in o 3w o r k i n gp l a t f o r m t h e n e s t a b l i s ht h em a t h e m a t i c sm o d e lf o rt h es y s t e ma n dc h o o s et h ei t a et w i c e o p t i m u mc o n t r o lt oc o n t r o lt h eja c k - u ps y s t e ma c c o r d i n gt ot h em o d e l f r o m t h es i m u l a t i o nr e s u l tw ec a ns e et h a tt h es t a b i l i t ya n dt h er o b u s to ft h e s y s t e ma r eb e t t e rt h a nt h a to ft h es m i t he s t i m a t ec o n t r o l l e d t h eja c k u ps y s t e mo ft h eo i lp l a t f o r mi sav e r yc o m p l i c a t e ds y s t e m e s t a b l i s h e da na c c u r a t em a t h e m a t i c sm o d e lh a sav e r yb i gi n f l u e n c eo ft h e s y s t e mc o n t r 0 1 t h ep a p e rf i r s tm a k e sl e v e ld e c o u p l i n gf o rt h eo i lp l a t f o r m j a c k u ps y s t e m ，a n dg e tt h es p e e d sc o m p e n s a t i v es i g n a l so ft h r e el e g s t h e ne s t a b l i s ham a t h e m a t i c sm o d e lf o rt h es e r v ov a l v e c o n t r 0 1 l e dm o t o r s y s t e ma n ds p e e dr e d u c e r a tt h ee n d ，w eg e tt h et o t a lm a t h e m a t i c sm o d e lo f s i n g l el e gc o n t r o ls y s t e m ，a n dd os o m ep r o p e rt r a n s f o r m a t i o n sf o rt h em o d e l a tt h i st i m e ，w ec a ns e et h a tt h em a t h e m a t i c sm o d e li sal a r g et i m e d e l a y s y s t e m i 广东工业大学工学硕士学位论文 a i ma tt h el a r g et i m e d e l a ys y s t e m ，ic h o o s et h ei t a et w i c eo p t i m u m c o n t r o lt oc o n t r o lt h es y s t e ma f t e rc o m p a r i n g t w i c eo p t i m u mc o n t r o lh a s t h eg o o dc o n t r o lr e s u l to nt h el a r g et i m e d e l a ys y s t e m ，b u tt h eo b je c to ft h i s m e t h o di so n er a n ki n e r t i aa d dt i m e - d e l a ys y s t e m s oi nc h a p t e r4ia d o p t t h eo p t i m u md e c l i n er a n km e t h o dt od e d u c et h es y s t e mm o d e lf i r s t ，a n dt h e n d e s i g n e dt h et w i c eo p t i m u mc o n t r o l l e rw i t hc a l c u l a t i o nt h ep a r a m e t e r a t t h ee n d ，is t u d yt h er o b u s t n e s so ft w i c eo p t i m u mc o n t r 0 1 f o rt h ec o n t r o l s t r a t e g y t h a tt h ef r o n tc h o s e ，t h el a s tc h a p t e r e s t a b l i s h e dt h ee m u l a t em o d e lo ft w i c eo p t i m u mc o n t r o li ns i m u l i n ka n d s i m u l a t e st h es y s t e m s i n c et h es i m u l a t i o nr e s u l t ，w ec a ns e et h a tt h e c o n t r o le f f e c ti sn o tt o og o o db yu s i n gt h e c o n t r o l l e rw i t ht h ep a r a m e t e r s c a l c u l a t e d a c c o r d i n g t ot h ef o r m u l ai nc h a p t e r4 a f t e ra d ju s t e dt h e p a r a m e t e r so ft h ec o n t r o l l e rw i t hal i t t l e ，t h es y s t e mh a sag o o dc o n t r o l e f f e c t t h r o u g hc o m p a r i s o nw i t hs m i t he s t i m a t ec o n t r o l ，f o rt h es y s t e mw e r e s e a r c h ，t h es y s t e m w i t hi t a et w i c e o p t i m u m c o n t r o lh a s g o o d p e r f o r m a n c e st os m i t he s t i m a t ec o n t r o lo ns t a b i l i t ya n dr o b u s t k e y w o r d ：o i lp l a t f o r m ；m o d e l i n g ；i t a e ；t w i c eo p t i m u mc o n t r o l ； s i m u l a t i o n i v 独创性声明 独创性声明 秉承学校严谨的学风与优良的科学道德，本人声明所呈交的论文是 我个人在导师的指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知， 除了本文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发 表的或撰写过的研究成果，不包含本人或其他用途使用过的成果。与我 一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说 明，并表示了谢意。 本学位论文成果是本人在广东工业大学读书期间在导师的指导下取 得的，论文成果归广东工业大学所有。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任，特此声 明。 论文作者签字： 指导教师签字： 6 1 纭微 王多艋 加。g 年月了日 第一章绪论 第一章绪论 1 1 课题研究背景和研究意义 石油是当今人类使用最广泛的能源之一。石油主要含有碳和氢两种元 素，总含量平均为9 7 9 8 ，成分是多种有机物。它们是由被深埋于 地下的古代动植物遗体，在各种因素长期作用下，发生了一系列非常复 杂的变化而形成的矿藏。一直以来，石油在人们的日常生活中就占据着 一个很重要的地位，它是当今世界最重要的工业原料和动力原料，石油 经过分馏后得到的产品很多，广泛应用于生活与工农业生产，是我们日 常生活必需品的重要来源。电视机、洗衣机、电冰箱等家电产品的外壳， 地板革和壁纸等塑料装饰材料，农用薄膜、渔网等农业、渔业用品，都 是用合成树脂( 塑料) 做成的。飞机、汽车、自行车的各种轮胎，电线 电缆、防水建材，以及胶鞋、橡皮、医用胶管和手套、儿童玩具等，都 是用合成橡胶做成的。我们身上穿着的各式服装的面料，很多是石油制 成的合成纤维。石油产品已被广泛地应用到国民经济各个部门。所以人 们把石油称为“工业的血液。 自2 0 世纪50 年代初期以来，我国先后在8 2 个主要的大中型沉积盆 地开展了油气勘探，发现油田5 0 0 多个。大庆油田，胜利油田，辽河油 田是我国3 个主要的产量巨大的石油产地。我国石油资源储量丰富，从 19 8 5 年我国石油生产达到1 2 亿吨以来，我国获得了石油生产大国的地 位，但同时，随着经济的高速发展，我国也跨入了石油消费大国的行列。 中国人均能源可采储量远低于世界平均水平。2 0 0 0 年人均石油可采储量 只有2 6 吨，为世界平均值的11 1 。目前中国已经成为世界上第二大能 源消费国。据中国石化高级副总裁牟书令介绍，未来2 0 年，中国石油天 然气需求增长较快，预计到2 0 2 0 年，中国石油需求量为4 亿吨，年均递 增12 【2 】。 面对着这样一个严峻的形势，石油开采已成为一个影响我国经济可持 续发展的现实问题，如何高效的开采我国石油资源已经摆在我们的面前。 广东工业大学丁学硕士学位论文 目前，中国正在建设8 个海上油气田。中国海上油气工业已初具规模， 前景可观。可见，作为石油开采工具的海上石油平台具有举足轻重的意 义，它工作性能的好坏将决定着我们石油开采的效率与安全。因此，本 文通过建立海上石油平台的参数模型，把整个平台升降系统作为一个整 体的调节对象进行控制，对于平台的平稳可靠工作显得非常必要。 1 2 国内外发展情况与现状 1 2 1 国外情况 世界海洋石油的开发已经有了一段很长的历史时期。人们开始勘探与 开发海洋石油，是因为发现一些陆上油田向海里延伸。而最初的办法， 主要是打木桩，建桩台，在桩台上用轻型小钻机钻井、采油。这最初的 活动开始于2 0 世纪开头的时候，19 0 0 19 01 年，美国西部加利福尼亚的 圣巴巴拉附近，人们发现，陆上的萨莫兰德油田向海里延伸。有一个叫 威廉姆斯的人，就从岸边向海里打木桩，建码头，两座木码头伸入海里 30 0 和50 0 英尺；另外两个人一一斯特尔斯和克拉克，则向海里建木栈桥。 他们在码头和栈桥上打井采油。 19 2 3 年，英荷壳牌公司也开始在岸边浅海滩上用木桩台打井。 19 32 年，得克萨斯公司( t e x a sc o ) ，即后来的德士古( t e x a c o ) ， 为了开发路易安那州佩尔托湖上的油田，接受麦克布赖德( m c b r i d e ) 的 方案，建一座带压水舱的钻井驳船。船到达井位后，向压水舱注水，船 体下沉坐落湖底，成为稳定的钻井平台，打完井后，把压水舱里的水抽 出，船体浮起，可以拖到新的井位上去。这就是沉没式或叫座底式钻井 驳船，是人类征服海洋的第一种可移动的水上钻井装置 4 1 。 19 37 年，普尔( p u r e ) 石油公司和苏必利尔( s u p e r i o r ) 石油公司联 手，请布朗路特公司为他们建造了一座木结构固定式平台。 19 4 5 年8 月，马格诺里亚( m a g n o l i a ) 石油公司在路易斯安那离岸6 英里处造了第一座固定式钻井平台，是钢结构的。 固定平台和底座式驳船只适合于浅水区钻井，为了向较深海域进军， 人们创造了自升式钻井平台。马格诺里亚石油公司在19 5 0 年建成了第一 2 第一章绪论 座自升式钻井平台德龙1 号。钢质平台的四角有10 根直立的支腿。平台 拖运时，支腿升起；到达井位后，把支腿落下去，插入海床，然后靠自 升装置把平台升起到海面浪峰以上。 19 5 6 年，扎帕塔外海公司设计建造一种新的自升式平台扎帕塔斯考 品( z a p a t as c o r p i o n ) 号，它采用齿轮一齿条新结构，三条支腿分别用一 套电动机驱动的齿轮一齿条机构来升降。 19 61 年壳牌石油公司得到了尤里卡( e u r e k a ) 号钻井船，这是第一 条自动平衡的钻井船，应用在墨西哥湾可以抗衡每小时4 0 英里的大风。 小霍华德( h o w a r dl s h a t t oj r ) 解决了动力定位的自动控制问题【5 】。 6 0 年代出现的半潜式钻井平台，是海上钻井的一大突破性进展。这 种钻井平台的下部是巨大的浮筒，用锚链固定在井位上。 上述海上平台装置的发展和进步，保证了石油的勘探从浅水逐步向深 水区前进，也保证了世界石油工业的发展【6 】。 1 2 2 国内情况 比起欧美先进国家，我国石油的勘探和开发工作开展得比较晚，大体 上开始于2 0 世纪6 0 年代后期。那时，我国大港油田为了开发港东油田， 人工堆筑土堤、围堰，然后把堤内的海水排掉，开展勘探和开采，但只 限于很浅的海滩。 2 0 世纪6 0 年代后期，我国在海南的莺歌海村附近，也先后用驳船安 装钻机和自制浮筒式钻井装置进行了海上钻探的尝试。19 6 7 年6 月14 日用固定式钢结构平台在渤海湾钻成海1 井，发现海上第1 个油田。至 19 7 2 年共建成4 座固定钻井平台，发现3 个含油构造。19 7 3 年大连造船 厂设计、建造了“渤海1 号”自升式钻井平台，此后又造了3 条；同时， 进口了多条自升式钻井平台；19 7 8 年购入第1 条半潜式钻井平台。在渤 海和南海开展了自营勘探。 1 2 3 研究现状 现在我国进口石油平台多数是自升式移动平台。自升式平台比较适合 广东丁业大学工学硕一t j 学位论文 于海上作业，具有用钢量少、造价低、水上完井、在各种海况下几乎都 能持续作业和效率高等优点，因此，在国内外海洋勘探和开发中，特别 是在近海海洋石油开发中发挥了巨大的作用。 自升式平台的升降系统有三种形式：绞车卷扬式、油缸顶升式和齿轮 齿条式。 ( 1 ) 绞车卷扬式：在桩腿上安装滑轮组，通过固定安装在平台上的绞 车和导向滑轮，控制绞车正转或反转，使桩腿相对平台上下运动。 ( 2 ) 油缸项升式：在桩腿上加工多列销孔，平台上固定安装油缸活塞 组。利用活塞上的工作销与桩腿上销孔啮合或脱离，同时以升降油缸活 塞杆的伸缩运动，使桩腿和平台相对上下运动。 ( 3 ) 齿轮齿条式：在平台的每根桩腿上设置一定数量的齿条，在作业 平台上固定安装与桩腿对应的齿轮组，齿条及其对应齿轮数量根据平台 所要求的举升能力和平台总体要求加以确定。通过电动机或液压马达驱 动齿轮正反向运动，齿轮与齿条啮合，使桩腿相对平台上下运动。 胜利作j 三号自升式石油平台属于齿轮齿条式，如图1 - 1 所示，主要 包括平台箱形主体、固桩室、桩腿桩靴和液压升降机构【】。 图l 一1 自升齿轮齿条式海洋石油平台侧视图 4 习 第一章绪论 1 3 课题来源及研究内容 本课题来源于广东工业大学与中国石化集团胜利石油管理局井下作 业公司就“胜利作业三号平台升降系统电气控制部分改造 的横向合作 项目。以平台的升降系统作为研究对象，对它进行了系统建模和用计算 机进行仿真，具体做了以下一些工作： 被控对象建模 本文首先分析了整个石油平台控制系统的结构组成，然后对平台x y 方向进行水平解耦，得出三桩腿的速度补偿信号，最后以一个桩腿为例 进行系统分析，建立单桩腿的阀控液压马达速度控制系统模型。从建立 的数学模型看，我们所建立的石油平台升降系统的模型是一个二阶带有 滞后特性的系统。 控制器设计 针对石油平台升降系统带有滞后的特点，本文对比了多种控制方法 后，选择采用it a e 最佳调节律建立的优化控制器。it a e 优化控制器对高 阶滞后系统具有很好的控制效果。在第四章里，本文对it a e 最佳调节律 的标准型的参数进行了计算，接着设计了it a e 优化控制器，并对控制器 的各个参数进行了推导计算，最后研究优化控制器的鲁棒性。 系统仿真研究 本文的最后一章在si m u l in k 中建立了用it a e 优化控制器进行控制 的石油平台升降系统的仿真模型并对系统进行仿真研究。从仿真结果可 以看出，根据前面第四章的公式计算出来的参数的控制器对系统的控制 效果并不太理想，经过微调控制器的参数后，系统有很好的控制效果。 经过跟s m ith 预估控制的比较研究，特别是加入扰动之后，可以看出， i t a e 优化控制的系统的各项动态性能指标，系统的鲁棒性都比s m it h 预 估控制好。 广东t 业大学t 学硕l j 学位论文 第二章胜利油田石油平台升降系统介绍 2 1 胜利作业三号平台简介 2 1 1 结构参数 1 、船体重量：2 0 0 0 吨，三层结构10 0 x 50 x 10 ； 2 、三桩腿支撑形式； 3 、圆柱式桩腿，桩腿直径：250 0 m m ； 4 、桩腿高度：50 m ； 5 、每个桩腿由6 个液压马达驱动，共18 个液压马达； 6 、平台升降自动控制( 平台国产化核心技术之一) ； 7 、特点：移动式、升降式、适应恶劣的海上环境。 图2 1 胜利作业三号平台侧视图 f i g u r e 2 1s i d ev i e wo fs h e n g l in o 3w or k i n gp l a t f or m 6 第- 二章胜利油田石油平台升降系统介绍 2 1 2 技术参数 表2 1 平台技术参数 d i a g r a m2 - 1t h ep a r a m e t e r so fp l a t f o r m 名称参数备注 电源三相三线制38 0 v ， 2 2 0 v ，5 0 h z 2 h z 单桩上升速度 o 3 m m i n 可调范围0 0 1 o 3 m m i n 单桩下降速度 0 3 m m i n 可调范围0 0 1 0 3 m m i n 三桩上升速度 0 3 m m i n 可调范围0 0 1 0 3 m m i n 三桩下降速度 o 3 m m i n 可调范围0 0 1 0 3 m m i n 工作环境温度 2 0 一4 0 工作环境相对湿度0 7 5 ( 不凝露) 系统工作压力 4 5 0 0 p s i 引导压力5 0 b a r 刹车打开压力 4 2 0 0 p s i 平台倾斜报警设定值 可调范围0 1 3 。 平台倾斜停机设定值可调范围0 1 5 。 温度过高停机设定值可调范围4 5 50 温度过低停机设定值 比例伺服阀给定设定值 状态转换压差计算后确定 状态转换压力5 0 b a r 2 2 石油平台升降系统 石油平台升降系统由平台升降控制系统、动力传递系统( 主要包括齿 轮齿条及相应的减速机构) 和动力驱动系统等3 大部分组成 7 ) 1 1 】。 7 广东工业人学工学硕上学位论文 2 2 1 石油平台升降控制系统硬件结构 平台整个控制系统都是用a b 公司的p l c 来控制的。上位机由l4 0 0 触 摸屏担任，功能是监控平台的运动状态和显示其三个桩腿的高度和速度； 下位机采用m ic ri015 0 0 系列p l c ，其功能是对平台的上升、下降和3 个桩腿 的手动或自动控制，并采集液压升降系统的各个压力值和桩腿的高度及 检测其工作状况【1 2 】。 本系统主要是利用d h 4 8 5 总线，在r s v ie w 组态软件环境下，建立p l c 与 上位机之间的数据通信，上位机通过r s v ie w 向下位机p l c 传送数据指令， 控制p l c 的输出口，从而控制液压升降系统的运动；同时p l c 采集平台上 的压力和桩腿的位移数据，连同平台的运动状态发送给上位机，上位机 接收到数据后显示出来】。 控制系统可以分为以下几个部分： 1 主控制单元 主控制单元负责提供控制动力源以及本系统主要的控制继电器m c r 。 当单元间控制信号失效的情况下，各个单元可以独立操作，不受主控台 p l c 控制。主控制单元控制核心为s l c 5 0 0 控制器。 2 m c c 电马达控制单元 m c c 控制单元主要提供液压泵站之传动电气马达控制，通过控制电气 马达“激活 及“停止”确保液压源提供。实现电气马达“激活”及 “停止 操作之现场控制或远程控制，当控制选择开关在“现场操作 位置时可经由盘面上“激活”及“停止”操作按钮执行电气马达操作， 三个马达可选择为同时现场控制模式或单独个别现场控制。 3 h p u 单元 主要用于三个主液压泵之压力建立以及卸载控制，其操作模式包括： 现场控制和主控制台控制。 4 艏桩、左桩、右桩桩腿控制单元 主要负责控制每个单元信号的输入输出控制，包括电磁阀、比例伺 服阀、刹车压力开关、压力变送器等。每个单元都有“现场控制 模式 和“主控制台控制模式选择，可单独在桩边作桩腿或平台之上升下降 8 第- 二章胜利油田石油平台升降系统介绍 操作而不受限于主控制台，也可选择由主控制台控制桩腿或平台之单独 操作或三桩同时操作。 出于安全的考虑，每个控制单元必须安装“紧急停止”按钮：立即 切断电源，使各个液压组件回到原始状态，使桩腿刹车控制以最快速度 动作以保证平台安全。 5 h m i 监视及操作单元 通过p a n elv ie wl4 0 0 实现系统的实时监测和报警功能，能够对各种重 要的信息：压力、温度等进行实时监测，一旦出现故障可以报警，同时 有故障存储功能，报警值可以有操作员或管理员设定。 操作员根据不同的工况，可以通过此单元对系统的一些重要参数进 行设定，如：暖机温度，气隙，压力值等重要参数。 平台控制系统框图如图2 2 所示。 图2 2 平台控制系统硬件结构框图 f i g u r e 2 - 2h a r d w a r es t r u c t u r ed i a g r a mo fp l a t f o r mc o n t r o ls y s t e m 2 2 2 石油平台动力驱动系统 石油平台动力驱动系统采用液压驱动方式，液压驱动就是通过液压 站及相应阀件带动液压马达，而液压马达通过驱动齿轮箱带动桩腿上的 齿条，从而使平台或桩腿完成升降动作。 9 广东工业大学_ t 学硕士学位论文 整个升降液压系统可分为主油路系统，辅助油路系统和增压油路系 统。 ( 1 ) 主油路系统 该系统主要包括1 个油箱、3 台主泵、3 套带载卸载模块、3 套主油路 控制模块和l8 台液压马达等。主油路液压系统工作流程为：先启动喂油 泵，为主泵和控制泵提供足够的供油压力；进行升降操作前启动先导泵 使系统建立起控制压力，主泵在接受控制信号后可进行变量操作，以控 制平台和桩腿的升降速度。带载卸载模块根据控制信号可使任一主泵站 投入工作或三泵并联输出，并调节主泵输出压力，保护主泵不致过压。 在整套主油路系统中，3 个桩腿的相对速度由伺服比例换向阀来控制，伺 服比例换向阀阀芯处于中位时，液压马达通过安全阀接成制动回路。当 换向阀阀芯处在左或右位时，从而使液压马达获得两种不同的转向。每 根桩腿上的6 个马达油路并联，即靠桩腿或平台的质量( 马达的负载) 来实 现刚性同步。 ( 2 ) 辅助油路系统 辅助油路系统包括3 台先导泵、3 套刹车和速度选择模块及3 个蓄能器 等。先导泵的作用是升降操作前为系统建立起控制压力。刹车和速度选 择模块包括刹车用换向阀、马达速度选择用方向控制阀、刹车时控制速 度用的单向阀和测试刹车释放压力的压力开关。3 套蓄能器是在液压源出 现故障时仍可保证主油路工作，同时使系统在启动和停止时具有一定的 减震性能，而无需增加其他的减震措施。 ( 3 ) 增压油路系统 增压油路系统包括2 台喂油泵、滤油器、溢流阀、截止阀及压力测量 开关等。用于给主油路、辅助油路提供一定压力的液压油，同时还可为 整套系统的液压油进行加热和冷却。 胜利作业三号平台升降系统液压系统如图2 3 所示。 1 0 第二章胜利油【1 1 石油平台升降系统介绍 图2 3 平台液压升降系统原理图 f i g u r e 2 3p r i n c i p l ed i a g r a mo fp l a t f o r mh y d r a u l i cj a c k u ps y s t e m 胜利作业三号平台控制框图如图2 4 所示： 图2 4 平台液压控制系统框图 f i g u r e 2 4d i a g r a mo fp l a t f o r mh y d r a u l i cc o n t r o ls y s t e m 1 l 稿 广东工业大学t 学硕士学位论文 2 3 石油平台工作模式 工作平台升降系统必须提供以下六种不同操作工况模式： 1 暖机模式 主要用作油箱液压油之预热工作，确保油箱油温高于系统安全运作 条件；当平台于正常状态下预执行任何平台上升下降动作之前必须先执 行暖机程序，直到油箱温度达到系统正常运转温度设定及系统管路皆已 充满液压油。 暖机条件： ( 1 ) 至少有一台增压泵入油蝶阀必须完全打开( h l s 4 或h l s 5 ) ； ( 2 ) 至少有一台主泵入油阀完全打开，同时主泵入口压力必须高于 系统设定的安全值； ( 3 ) 液压油箱油位高度必须高于最低停机设定高度油位开关； ( 4 ) 液压油箱温度必须低于最高停机设定油温； 一般平台操作之前，首先要暖机三次，暖机温度要达到摄氏30 度以 上，这样就可以保证液压油具有较好的流动性，提高液压系统响应的快 速性。 2 桩腿上升模式 可在“主控制台”控制执行三桩同时升桩操作。 3 桩腿下降模式 可在“主控制台”控制执行三桩同时降桩操作，基本上大部分场合会 用到“自动降桩腿”模式执行下桩腿动作操作。 下桩腿条件： ( 1 ) 暖机模式已执行完成； ( 2 ) 至少必须激活一台增压泵浦； ( 3 ) 至少必须激活一台主泵浦； ( 4 ) 刹车必须处于“锁固”状态； ( 5 ) 引导压力须达到50 b a r ； ( 6 ) 靴块必须已完全被移除。 桩腿刹车松开之前必须先执行桩腿上升之压力侧建压确认，必须将 1 2 第二章胜利油田石油平台升降系统介绍 三个桩腿上的p p t 2 ，f p p 2 和s p t 2 压力传感器反馈压力送至主控制台进 行确认，当液压回路有足够的压力克服支撑桩腿重量，才可以使桩腿刹 车放松，桩腿经由本身重量下降。 三桩腿会因为实际海底工况不同而有不同的下降行程及时间碰触到 海地面，根据三个桩腿上的p p t 2 ，f p p 2 和s p t 2 压力传感器反馈压力值 判定桩靴是否触到海地面。在此操作过程中，往往需要手动单桩独立调 整和三桩自动调整相结合。 4 平台上升模式 平台上升模式：平台上升可使用各桩边控制箱控制盘独立完成平台 上升操作，也可以使用主控制台作独立操作平台上升或三桩自动操作平 台上升操作； 平台上升操作条件： ( 1 ) 暖机模式已执行完成； ( 2 ) 自动降桩腿模式程序必须完成并且必须保证三桩桩靴底已接触 海床； ( 3 ) 至少有一台增压泵激活正常运转； ( 4 ) 至少有一台主泵激活正常运转； ( 5 ) 刹车处于锁固状态： ( 6 ) 靴块必须已完全被移除。 在平台上升过程中，一旦平台已倾斜或者超过倾斜停机，系统必须 具有倾斜保护功能，自动切断所有控制信号，使桩腿刹车锁固。 在平台上升过程中，首先必须控制比例伺服阀只输出足够建立压力 之流量至马达油口而不会使平台上升，此时p l c 才可以输出控制信号使 刹车控制阀激磁，刹车管路压力建立刹车松开，在这种条件下平台才可 以做上升运动。 5 平台下降模式 可以使用主控制台作独立操作平台下降或三桩自动操作平台下降操 作。 6 负载分散模式 使得桩腿刹车装置可能出现承受过高锁固应力或锁固应力力量不均 广东工业大学i 丁学硕士学位论文 匀及发生轻微滑动现象时，在这种工况下平台可由控制系统达到刹车装 置负载分散功能。 2 4 小结 本章主要介绍了胜利作业三号平台的结构组成和工作模式。其中， 升降系统作为自升式平台中的关键部分，对它进行控制的好坏将直接关 系到平台的安全和作业效果。 1 4 第三章石油平台升降系统的数学建模 第三章石油平台升降系统的数学建模 石油平台由三个桩腿支撑。由图2 4 可知，在平台升降过程中，三桩 腿的给定速度作为系统输入，通过控制器，控制阀控液压马达工作，再 经过减速器来控制桩腿的位移。这时p l c 系统计算出各个桩腿的位移值， 经过对位移值求导得到实际速度反馈到输入端，形成一个闭环系统。同 时，由于3 个桩腿接收p l c 速度指令存在时间差异，这就造成3 个桩腿 有快有慢，速度不一，造成平台的倾斜。本平台上装有2 个传感器，可 以检测出x 和y 方向的水平倾角。经过x - y 方向的解耦，可分别得出三 个桩腿的a v ，a v 作为补偿信号回到系统输入。 因为三桩腿控制的相似性，下面将以一条桩腿为例，建立平台升降 系统的数学模型。单桩腿的控制系统框图如图3 1 所示。 平台 图3 1 单桩腿控制系统框图 f i g u r e 3 1d i a g r a mo fs i n g l el e gc o n t r o ls y s t e m 上图3 1 中，标注1 为本系统带有的滞后环节，滞后时间为o 5s ； 标注2 为阀控液压马达模型，标注3 为减速器。 1 5 广东工业人学工学硕一i - 学位论文 3 1 平台水平解耦 平台升降时，对3 个桩腿进行水平控制主要是利用平台甲板上x 轴和 y 轴的2 个水平传感器，对x 轴的倾斜角鼠和y 轴的倾斜角岛进行分析、 比较，以速度最慢的桩腿为参考，调节其余2 个桩腿的速度，以达到3 桩 腿的水平控制【。s 】。 通过数学的几何分析，以速度最慢的桩腿位移为参考，要把速度较 快的2 个桩腿与速度最慢的那个桩腿的位移差求出来，它们的表达式与 倾斜角鼠和幺都有耦合关系，然后对位移差进行求导就得出3 个桩腿的 y o 平台水平解耦算法如图3 2 所示。 l 图3 - 2 平台水半解祸算法 f i g u r e 3 - 2p l a t f o r ml e v e ld e c o u p l i n ga r i t h m e t i c 图3 2 中q 、马、马分别为桩腿1 ，桩腿2 和桩腿3 上升或下降位 移，q 为参考位移。l 为平台前后桩腿中心纵向间距，为2 6 m ，w 为后 桩腿中心横向间距，为2 2 m 。幺和晓为两个水平倾角。 根据速度等于位移的倒数，可以算出三桩腿的y 。具体计算过程如 下： k = ( 日1 ) ( 3 1 ) 1 6 第三章石油甲台升降系统的数学建模 k = d a h 2 = 一di 三协日一! 形t 锄鼠i = 旦il s i n o , 1w s i n 0 2 1 z d t 防l 1 2 z j 防lc o s 岛2c 0 s 岛j = 三s 。c 2 日塑j 形矗日丝 一 k = 了d m 4 3 = 罢i 伽岛+ 互1 形伽晓 = 罢i 磊s i n 西o , + 互1 矽磊s i n o 岛2 = 三s e c 2 日塑+ ! 形彭最丝 算出k 到k 再通过如图3 1 所示框图作为系统前馈输入。 3 2 阀控液压马达的数学模型 3 2 1 阀控液压马达动力机构传递函数 图3 - 3 阀控液压马达原理图 f i g u r e 3 3p r i n c i p l ed i a g r a mo fv a l v e - c o n t r o l l e d m o t o r 1 基本方程 阀控液压马达原理图如上图3 3 所示】。根据基本方程，即液压控制 阀的流量方程，液压马达的流量连续性方程和液压马达与负载的力平衡 方程，推导阀控液压马达的传递函数。 ( 1 ) 滑阀的流量方程 假定：阀是零开口四边滑阀，四个节流窗口是匹配和对称的，供油 压力只恒定，回油压力只为零。阀的线性化流量方程为： 1 7 广东工业大学工学硕士学位论文 a q 三= k q a x y 一燧舰 ( 3 4 ) 式中吼一液压马达的流量； k 一流量增益； 疋一流量一压力系数； 托一伺服阀阀芯位移； 只一阀控马达的负载压降。 为了简单起见，仍用变量本身表示它们从初始条件下的变化量，则 q 上= k q ，一k 仇 ( 3 5 ) 位置伺服系统动态分析经常是在零位工作条件下进行的，此时增量 和变量相等。由于液压马达的外泄漏和压缩性的影响，使流入液压马达 的流量吼和流出液压马达的流量g ：不相等，为了简化分析，定义负载流量 为 g 上= 掣导 ( 3 6 ) ( 2 ) 液压马达流量连续性方程 假定：阀与液压马达的连接管道对称且短而粗，管道中的压力损失 和管道动态可以忽略：液压马达每个工作腔内各处的压力相等，油温和 体积弹性模量为常数；液压马达内、外泄漏均为层流流动。 流入液压马达进油腔的流量g 。为 吼= 见警+ 巳( 魏一仍) + e 聊岛+ 善警 从液压马达回油腔流出的流量q ，为 9 2 = 见警+ 巳( n 一见) 一c e l n p 2 一去车a t a l 1 ) 式中眈一液压- s 达的转角； 或一液压马达的排量； e 。一液压马达内泄漏系数； c 跏一液压马达外泄漏系数； 1 8 ) ) 7 o o 口u 口jl，l 第三章石油平台升降系统的数学建模 k 一液压马达进油腔的容积( 包括阀、连接管道和进油腔) ； k 一液压马达回油腔的容积( 包括阀、连接管道和回油腔) ； 危一有效体积弹性模量。 在式( 3 7 ) 和( 3 8 ) 中等号右边第一项是推动马达运动所需的流 量，第二项是马达的内泄漏流量，第三项是- 5 达的外泄漏流量，第四项 是油液压缩和腔内变形所需的流量。 液压马达工作腔的容积可写为 k = v o l + d m 巳 ( 3 9 ) 砭= v 0 2 一d i 岛 ( 3 10 ) 式中r o 。一进油腔的初始容积； v o ：一回油腔的初始容积。 由式( 3 6 ) ( 3 10 ) 得流量连续性方程为 g 上= t q l + q 2 = d md 口o f m + ( a 一仍) + 争( p 。一n ) + 去c ，鲁一2 + 篑c 鲁+ 鲁，+ 1 1 在式( 3 7 ) 和( 3 8 ) 中j 外泄漏流量c 绷a 和p 2 通常很小，可以 忽略不计。女口果压缩流量甚鲁和一老鲁相等，贝ug l - 纷以为阀是匹配 对称的，所以通过滑阀节流口1 、2 的流量也相等。因此动态时麒= 见+ 仍 仍近似适用。由于既= a 一1 2 ，所以a = 垦去丝，1 ) 2 = 华。从而有 亟d t = 三2 亟d t = 一鱼d t ( 3 12 )、j 要使压缩流量相等，就应使液压马达两腔的初始容积v o 。和v o ：相等，即 i = v 0 2 = v o = i v t ( 3 13 ) 式中v o 一液压马达腔的平均容积； 形一总压缩容积。 1 9 广东工业大学工学硕： 学位论文 由于或眈 v o ，百d p l + 鲁o ，则式( 3 1 1 ) 可简化为 旷或鲁+ c r m ”告警 式中，一液压马达总泄漏系数，= c i m + 导。 式( 3 14 ) 中右边第一项是推动液压马达转动所需的流量，第二项 是总泄漏流量，第三项是总压缩流量。 ( 3 ) 液压马达负载力平衡方程 液压马达动力元件的动态特性受负载特性的影响。负载力一般包括 惯性力、粘性阻尼力、弹性力和任