CN102400454B - 一种海洋平台的升降自动控制方法与自动控制装置 - Google Patents

一种海洋平台的升降自动控制方法与自动控制装置 Download PDF

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Abstract

一种海洋平台的升降自动控制方法，包括以下步骤：电子水平仪检测平台的倾斜角度并输入给主控制器；主控制器根据预设的系数Kx和Ky修正平台倾斜数据；联动操作手柄向主控制器输入手柄速度指令Vo，主控制器运用PID算法运算得到桩腿运行速度Vout，并输入给速度控制阀；速度控制阀控制液压马达按照速度指令控制桩腿运行，直到平台升降完成。一种海洋平台升降的自动控制装置，平台上连接有电子水平仪，其输出端连接主控制器的输入端，主控制器的输出端连接每个桩腿的速度控制阀。本发明海洋平台升降的自动控制方法和自动控制装置，采用平台姿态闭环控制，自动控制桩腿同步升降以及平台保持水平，操作简单、安全性高。

Description

一种海洋平台的升降自动控制方法与自动控制装置
技术领域
本发明涉及一种海洋平台的升降自动控制方法与自动控制装置，属于自动控制技术领域。
背景技术
海洋平台为人类开发利用海洋资源提供了方便、稳定的海上作业与生活的场所，随着海洋开发事业的迅速发展，海洋平台在海底石油和天然气的勘探与开发、海底管线铺设、海洋波浪能的利用、建造海上机场和海上工厂等多个领域得到了越来越广泛的应用。海洋平台由平台和若干能升降能起支撑作用的桩腿组成，桩腿一般为三个，分别位于平台主船体的承重端点位置上，作业时，平台被桩腿支撑并抬升到海面以上，以便进行水上作业；转移时，把桩腿拔起，平台下降浮于水面，即可拖运移动。
海洋平台自身重量较大，单个桩腿承受的压力也很大，接近极限荷载，因此平台在升降过程中的水平度控制非常重要，平台出现倾斜时会导致各个桩腿承受的压力不一致，承受较高压力的桩腿则可能因为其负载超过极限荷载而发生结构破坏，导致严重的事故。另一方面，平台的面积很大，且不是绝对的刚性结构，平台升降过程中出现过大的倾斜极易导致平台产生过大的变形，不但影响平台上各类设施的正常使用，而且对平台结构产生不利影响，严重的甚至导致平台结构破坏。
海洋平台升降过程中对平台水平度的控制，是通过控制三个桩腿的速度和位移保持同步来实现的。现有的海洋平台一般采用液压驱动升降装置，而多液压缸协同负载动作的运动同步一直是实践中的难题。从理论上讲，只要两个液压缸的活塞有效面积相同，输入流量也相同，它们之间应该做出同步运动。但是，实际上由于负载的不均、摩擦阻力的不等、泄漏量的不同和液压缸制造尺寸精度间的差异，都不可避免地会使液压缸间的运动不同步。因而，海洋平台在升降过程中，需要实时监测平台水平度的变化，并通过平台水平度的变化及时调整各个桩腿的动作，通过增加或减小某个桩腿的升降速度来改变其位移量，从而使平台保持水平。目前一般采用人工操作方式控制海洋平台的升降，这要求操作人员具备丰富的专业知识和操作经验，且操作难度大、工作效率低、安全性差，一旦出现操作不慎，就可能导致平台结构破坏，造成严重的事故和重大的经济损失。
发明内容
本发明的目的旨在克服现有海洋平台升降的控制采用人工控制操作方式，存在操作难度大、工作效率低、安全性差的缺陷与不足，提供一种海洋平台升降自动控制方法和自动控制装置，即采用实时检测平台水平度，并通过实测的平台倾斜数据，运用PID算法实时修正桩腿运行速度，控制桩腿同步升降以及控制平台保持水平，实现海洋平台升降的安全、平稳的自动控制，其自动控制方法与自动控制装置操作简单、安全性高。
本发明为实现技术目的采用的技术方案是：
一种海洋平台的升降自动控制方法，包括以下步骤：
A1．电子水平仪检测平台相对于水平面的倾斜角度，并将角度值输入给主控制器；
A2．主控制器根据输入的角度值，计算得到每个桩腿相对基点的水平倾斜位移量△X1和竖直倾斜位移量△Y1，然后根据预设的平台x轴反馈比例系数Kx 和平台y轴反馈比例系数Ky，按照以下公式进行修正：△X＝Kx△X1，△Y＝Ky△Y1，得到修正后的水平倾斜位移量△X和竖直倾斜位移量△Y，其中，Kx 和Ky 的取值为0.05～2.5；
A3．联动操作手柄向主控制器输入每个桩腿的手柄速度指令Vo，主控制器根据每个桩腿相对基点的水平倾斜位移量△X1和竖直倾斜位移量△Y1，以及数据采样时间△t，对每个桩腿的手柄速度指令Vo按照以下公式进行修正：Vout=Vo+△X/△t+△Y/△t，得到每个桩腿的速度指令Vout并输出给该桩腿对应的速度控制阀；
B1．每个桩腿的负荷传感器自动检测桩腿负荷，并将负荷值传给主控制器；
B2．主控制器将每个桩腿的负荷值与负荷预定值进行比较，当某个桩腿的负荷值大于负荷预定值时，主控制器向给该桩腿对应的速度控制阀发出升降调整指令；
B3．所述速度控制阀控制对应的液压马达根据主控制器发出的升降调整指令，驱动桩腿运行、调整桩腿位置，直到所述桩腿的负荷值小于等于负荷预定值；
A4．每个桩腿的速度控制阀控制对应的液压马达按照速度指令Vout控制对应桩腿运行，直到平台升降完成。
一种海洋平台的升降自动控制方法，所述步骤A3和A4之间还包括以下步骤：
C1．每个桩腿的速度传感器检测桩腿运行速度，并将速度值传给主控制器；
C2．主控制器将每个桩腿的速度值与速度预定值进行比较，当某个桩腿的速度值大于速度预定值时，主控制器向该桩腿的速度控制阀发出减速调整指令；当某个桩腿的速度值小于速度预定值时，主控制器向该桩腿的速度控制阀发出增速调整指令；
C3．所述速度控制阀控制对应的液压马达根据主控制器发出的减速或增速调整指令，调整桩腿运行速度，直到所述桩腿的运行速度等于速度预定值。
一种海洋平台的升降自动控制方法，所述步骤A2中的基点为平台的重心、几何中心或某个桩腿与平台的交点。
一种海洋平台的升降自动控制方法，所述步骤A2中，Kx 和Ky 的取值为0.5～1.0。
一种海洋平台的升降自动控制方法，所述步骤A3中，数据采样时间△t为0.05～5秒。
一种海洋平台的升降自动控制装置，包括联动操作手柄，以及连接在每个桩腿上的速度控制阀和液压马达，所述自动控制装置还包括电子水平仪和主控制器，所述电子水平仪安装在平台上，输出端连接主控制器的输入端，所述主控制器的输出端连接每个桩腿的速度控制阀的输入端，所述自动控制装置还包括连接在每个桩腿上的负荷传感器，所述每个负荷传感器的输出端均连接主控制器的输入端。
一种海洋平台的升降自动控制装置，所述自动控制装置还包括连接在每个桩腿上的速度传感器，所述每个速度传感器的输出端均连接主控制器的输入端。
与现有技术相比，本发明具有的特点是：
1．本发明的自动控制方法实质为平台姿态闭环控制，即采用实时检测平台水平度，并通过实测的平台倾斜数据，运用PID算法实时修正桩腿运行速度，控制桩腿同步升降以及控制平台保持水平，实现海洋平台升降的安全、平稳的自动控制，显著简化了海洋平台升降控制的复杂操作，提升了工作效率，确保了平台的安全。
2．平台姿态闭环控制采用PID算法，可以方便的实现参数的在线自整定，以达到理想的控制效果；三个桩腿的同步采用“等同方式”控制，将桩腿的位置差，乘以适当的系数，形成一个微小值，对速度快者降低指令设定值，对速度慢者提高指令设定值，最终实现桩腿的同步控制。
3．本发明海洋平台的升降自动控制方法和自动控制装置，增设负荷传感器以实时检测桩腿负荷，并采用桩腿负荷闭环控制方法，能够确保桩腿负荷在预定值范围内，防止桩腿负荷过重造成结构破坏，确保桩腿及整个海洋平台的安全。
4．本发明海洋平台的升降自动控制方法和自动控制装置，增设速度传感器以实时检测桩腿速度，并采用桩腿速度闭环控制方法，消除由于系统信号传递误差、磨擦阻力等原因造成的控制误差，确保桩腿按照规定速度运行，保障平台平稳、安全地升降。
附图说明
图1是本发明的海洋平台的升降自动控制方法与自动控制装置的控制结构图。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施方式对本发明作进一步说明。
本发明海洋平台升降自动控制方法包括以下步骤：
A1．电子水平仪检测平台相对于水平面的倾斜角度，并将角度值输入给主控制器；
A2．主控制器根据输入的角度值，计算得到每个桩腿相对基点的水平倾斜位移量△X1和竖直倾斜位移量△Y1，然后根据预设的平台x轴反馈比例系数Kx 和平台y轴反馈比例系数Kx，按照以下公式进行修正：△X＝Kx△X1，△Y＝Ky△Y1，得到修正后的水平倾斜位移量△X和竖直倾斜位移量△Y，其中，Kx 和Ky 的取值为0.05～2.5；
A3．联动操作手柄向主控制器输入每个桩腿的手柄速度指令Vo，主控制器根据每个桩腿相对基点的水平倾斜位移量△X1和竖直倾斜位移量△Y1，以及数据采样时间△t，对每个桩腿的手柄速度指令Vo按照以下公式进行修正：Vout=Vo+△X/△t+△Y/△t，得到每个桩腿的速度指令Vout并输出给该桩腿对应的速度控制阀；
A4．每个桩腿的速度控制阀控制对应的液压马达按照速度指令Vout控制对应桩腿运行，直到平台升降完成。
本发明海洋平台升降自动控制方法的步骤A2中，基点为平台上的一点，可以为平台的重心、几何中心或某个桩腿与平台的交点，但平台的重心和几何中心不易确定，故优选某个桩腿与平台的交点。电子水平仪检测平台相对水平面的倾角后，由于平台的几何尺寸和桩腿位置是确定的，故容易算出每个桩腿相对于基点的水平倾斜位移量△X1和竖直倾斜位移量△Y1。
步骤A2中，由于平台在升降过程中不可能保持绝对的水平，并且平台控制在一定范围内的倾斜对平台的结构和安全不会产生不利影响，所以本方法引入平台姿态修正参数对水平倾斜位移量△X1和竖直倾斜位移量△Y1进行修正。平台姿态修正参数包括平台x轴反馈比例系数Kx 和平台y轴反馈比例系数Ky，预先设定并输入给主控制器2，主控制器2按照公式：△X＝Kx△X1，△Y＝Ky△Y1，计算得到修正后的水平倾斜位移量△X和竖直倾斜位移量△Y。平台姿态修正参数与平台的结构、材料、几何尺寸等因素有关，可以根据实验进行确定，Kx 和Ky 的取值范围可以为0.05～2.5，优选0.5～1.0。
步骤3中，数据采样时间△t可根据实际需要进行设定，取值范围可以为0.05～5秒。
海洋平台升降过程中，控制平台保持水平是最终目的，本发明的自动控制方法实质为平台姿态闭环控制，即采用实时检测平台水平度，并通过实测的平台倾斜数据，运用PID算法实时修正桩腿运行速度，控制桩腿同步升降以及控制平台保持水平，实现海洋平台升降的安全、平稳的自动控制，显著简化了海洋平台升降的复杂操作，提升了工作效率，确保了平台的安全。
本发明海洋平台升降的自动控制方法，还可以包括桩腿负荷闭环控制步骤，即在步骤A3和A4之间还包括以下步骤：
B1．每个桩腿的负荷传感器自动检测桩腿负荷，并将负荷值传给主控制器；
B2．主控制器将每个桩腿的负荷值与负荷预定值进行比较，当某个桩腿的负荷值大于负荷预定值时，主控制器向给该桩腿对应的速度控制阀发出升降调整指令；
B3．所述速度控制阀控制对应的液压马达根据主控制器发出的升降调整指令，驱动桩腿运行、调整桩腿位置，直到所述桩腿的负荷值小于等于负荷预定值。
海洋平台依靠三个桩腿支撑于海上，由于平台重量较大，每个桩腿承受负荷也很大，接近极限荷载。平台升降过程中，虽然平台姿态闭环控制步骤中可以根据平台水平度的实时监测，调节桩腿运行速度以保证平台的水平度，但实践中仍然存在各种原因使平台产生倾斜，导致各个桩腿承受的负荷并不均衡，从而使负荷较大的桩腿可能出现负荷超出极限值的情形，危及桩腿乃至整个海洋平台的安全。因此，还需要进一步检测各个桩腿的负荷，对负荷超出极限值的桩腿，通过升降调整指令驱动桩腿运行、调整桩腿的竖直位置，消除桩腿由于处于不当位置导致负荷过重的情形，保障桩腿及至整个海洋平台的结构安全。
本发明海洋平台升降的自动控制方法，还可以包括桩腿速度闭环控制步骤，即在步骤A3和A4之间还包括以下步骤：
C1．每个桩腿的速度传感器检测桩腿运行速度，并将速度值传给主控制器；
C2．主控制器将每个桩腿的速度值与速度预定值进行比较，当某个桩腿的速度值大于速度预定值时，主控制器向该桩腿的速度控制阀发出减速调整指令；当某个桩腿的速度值小于速度预定值时，主控制器向该桩腿的速度控制阀发出增速调整指令；
C3．所述速度控制阀控制对应的液压马达根据主控制器发出的减速或增速调整指令，调整桩腿运行速度，直到所述桩腿的运行速度等于速度预定值。
本发明海洋平台升降自动控制方法，采用桩腿速度闭环控制步骤控制桩腿运动速度，实时检测并通过反馈数据调节桩腿运行速度，消除由于系统信号传递误差、磨擦阻力等原因造成的控制误差，确保桩腿按照规定速度运行，保障平台平稳、安全地升降。
本发明用于海洋平台升降自动控制方法的自动控制装置，包括联动操作手柄，以及连接在每个桩腿上的速度控制阀和液压马达，还包括主控制器和安装在平台上的电子水平仪，其中，电子水平仪的输出端连接主控制器的输入端，主控制器的输出端连接每个桩腿的速度控制阀的输入端。 
电子水平仪用于检测平台倾斜度，并将检测数据输入给主控制器。联动操作手柄用于向主控制器输入每个桩腿的手柄速度指令Vo。主控制器用于接收电子水平仪和联动操作手柄输入的数据，并根据预设的平台姿态修正参数，运算修正得到各个桩腿相对于基点的水平倾斜位移量△X和竖直倾斜位移量△Y，再根据各个桩腿的△X和△Y修正手柄速度指令Vo，得到各个桩腿的速度指令Vout并输出给速度控制阀。速度控制阀为液压控制阀组，可以由电磁阀、比例阀、比例阀控制器等控制阀组成，用于控制液压马达按照主控制器发出的速度指令Vout驱动桩腿运行。本发明海洋平台升降自动控制装置，通过电子水平仪实时检测平台的水平度，主控制器根据实测数据调整运算并控制各个桩腿同步升降，其结构简单、控制精准、安全可靠度高。
本发明海洋平台升降自动控制装置还可以包括连接在个桩腿上的负荷传感器，每个负荷传感器的输出端均连接主控制器的输入端。负荷传感器用于检测液压马达输出轴上所受的负荷力，即实时检测出桩腿所受的负荷，并将其实测桩腿负荷值输出给主控制器。主控制器再根据桩腿实际负荷值与负荷设定值进行对比，当出现桩腿负荷值超出负荷设定值时，向速度控制阀发出升降调整指令，通过改变桩腿位置来调节平台水平度，确保各个桩腿负荷在安全值以内。本发明海洋平台自动控制装置增加桩腿负荷传感器后，能够准确检测桩腿负荷，防止桩腿负荷过重造成结构破坏，确保桩腿及整个海洋平台的安全。
本发明海洋平台升降自动控制装置还可以包括连接在每个桩腿上的速度传感器，每个速度传感器的输出端均连接主控制器的输入端。速度传感器用于检测桩腿运行速度，并将实测速度值输出给主控制器。主控制器将桩腿速度值与速度预定值进行比较，当速度值大于速度预定值时，主控制器向速度控制阀发出减速调整指令，速度控制阀控制液压马达降低桩腿速度；当速度值小于速度预定值时，主控制器向速度控制阀发出增速调整指令，速度控制阀控制液压马达增加桩腿运行速度。本发明海洋平台升降自动控制装置增加速度传感器后，能够实时检测桩腿运行速度，消除由于系统信号传递误差、磨擦阻力等原因造成的控制误差，确保桩腿按照规定速度运行，保障平台平稳、安全地升降。 

Claims (7)

1.一种海洋平台的升降自动控制方法，其特征在于包括以下步骤：
A1．电子水平仪检测平台相对于水平面的倾斜角度，并将角度值输入给主控制器；
A2．主控制器根据输入的角度值，计算得到每个桩腿相对基点的水平倾斜位移量△X1和竖直倾斜位移量△Y1，然后根据预设的平台x轴反馈比例系数Kx 和平台y轴反馈比例系数Ky，按照以下公式进行修正：△X＝Kx△X1，△Y＝Ky△Y1，得到修正后的水平倾斜位移量△X和竖直倾斜位移量△Y，其中，Kx 和Ky 的取值为0.05～2.5；
A3．联动操作手柄向主控制器输入每个桩腿的手柄速度指令Vo，主控制器根据每个桩腿相对基点的水平倾斜位移量△X1和竖直倾斜位移量△Y1，以及数据采样时间△t，对每个桩腿的手柄速度指令Vo按照以下公式进行修正：Vout=Vo+△X/△t+△Y/△t，得到每个桩腿的速度指令Vout并输出给该桩腿对应的速度控制阀；
B1．每个桩腿的负荷传感器自动检测桩腿负荷，并将负荷值传给主控制器；
B2．主控制器将每个桩腿的负荷值与负荷预定值进行比较，当某个桩腿的负荷值大于负荷预定值时，主控制器向给该桩腿对应的速度控制阀发出升降调整指令；
B3．所述速度控制阀控制对应的液压马达根据主控制器发出的升降调整指令，驱动桩腿运行、调整桩腿位置，直到所述桩腿的负荷值小于等于负荷预定值；
A4．每个桩腿的速度控制阀控制对应的液压马达按照速度指令Vout控制对应桩腿运行，直到平台升降完成。
2.根据权利要求1所述的一种海洋平台的升降自动控制方法，其特征在于所述步骤A3和A4之间还包括以下步骤：
C1．每个桩腿的速度传感器检测桩腿运行速度，并将速度值传给主控制器；
C2．主控制器将每个桩腿的速度值与速度预定值进行比较，当某个桩腿的速度值大于速度预定值时，主控制器向该桩腿的速度控制阀发出减速调整指令；当某个桩腿的速度值小于速度预定值时，主控制器向该桩腿的速度控制阀发出增速调整指令；
C3．所述速度控制阀控制对应的液压马达根据主控制器发出的减速或增速调整指令，调整桩腿运行速度，直到所述桩腿的运行速度等于速度预定值。
3.根据权利要求1所述的一种海洋平台的升降自动控制方法，其特征在于：所述步骤A2中的基点为平台的重心、几何中心或某个桩腿与平台的交点。
4.根据权利要求1所述的一种海洋平台的升降自动控制方法，其特征在于：所述步骤A2中，Kx 和Ky 的取值为0.5～1.0。
5.根据权利要求1所述的一种海洋平台的升降自动控制方法，其特征在于：所述步骤A3中，数据采样时间△t为0.05～5秒。
6.一种用于权利要求1所述的海洋平台的升降自动控制方法的自动控制装置，包括联动操作手柄，以及连接在每个桩腿上的速度控制阀和液压马达，其特征在于：所述自动控制装置还包括电子水平仪和主控制器，所述电子水平仪安装在平台上，输出端连接主控制器的输入端，所述主控制器的输出端连接每个桩腿的速度控制阀的输入端，所述自动控制装置还包括连接在每个桩腿上的负荷传感器，所述每个负荷传感器的输出端均连接主控制器的输入端。
7.根据权利要求6所述的自动控制装置，其特征在于：所述自动控制装置还包括连接在每个桩腿上的速度传感器，所述每个速度传感器的输出端均连接主控制器的输入端。
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