CN104360695A - 一种耦合时变内流的海洋输油立管横纵向振动控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种耦合时变内流的海洋输油立管横纵向振动控制方法，包括在PC机上模拟立管振动界面，由MATLAB GUI编程实现，采用数值分析方法对海洋立管的数学模型进行解析，并将差分运算结果传输到控制模块中，用户根据数据选择控制方式，并生成相对应的控制算法，控制模块发出控制信号通过串口反馈给PC机实现对立管的振动控制，本发明能够实时观察海洋输油立管的二维振动。

Description

一种耦合时变内流的海洋输油立管横纵向振动控制方法

技术领域

本发明属于海洋输油立管安全生产领域，特别涉及一种耦合时变内流的海洋输油立管横纵向振动控制方法。

背景技术

随着世界对能源日益增加的需求，海洋油气开采运输愈加重要。深海油气资源在带给人类丰富能源的同时也伴随着大量事故的发生。海洋输油立管的振动是引起立管疲劳破坏的主要原因，目前在立管研究中，多数还是停留在理论分析中如前面参考文献，为数不多的学者利用有限条件从力学方面做了一些立管研究的实验，但是实验环境也只是能够简单模拟海洋立管，与实际工程中的立管振动也有较大差距，并且相关实验结论也不统一。而国内外在控制方面没有搭建相关实物或半实物仿真系统。

发明内容

为了克服现有技术存在的缺点与不足，本发明提供一种耦合时变内流的海洋输油立管横纵向振动控制方法。

本发明采用的技术方案：

一种耦合时变内流的海洋输油立管横纵向振动控制方法，包括如下步骤：

S1在PC机上采用Matlab GUI模拟立管振动界面，具体如下：

S1.1利用差分离散化方法对PDEs方程进行离散化，计算立管模型的差分运算结果；

S1.2离散处理差分运算结果，时间离散点每次运算7个，记为F₇离散迭代方法；

S1.3将第一次运算的7个差分运算结果用plot函数画出，显示在界面窗口模拟立管振动界面，同时由串口传输到控制模块；

S2控制模块接收数据，判断数据是否正确，若正确，则提取w(L/2,t)，v(L/2,t)，w(L,t)储存，否则返回数据，重新标识符分类，w(L/2,t)，v(L/2,t)，w(L,t)分别指t时刻立管中部横向位移，中部纵向位移，顶端横向位移；

S3根据得到数据和时间t,计算出对应的立管顶端横向振动速度，立管中部横向振动速度及立管顶端纵向振动速度；

S4根据步骤S2得到的立管中部横向位移，中部纵向位移，顶端横向位移及S3中得到的立管顶端横向振动速度，立管中部横向振动速度及立管顶端纵向振动速度，用户选择控制信号，所述控制信号包括无控制及PD控制；

S5将控制信号通过串口发回到PC机，PC机判断是否有信号，若判断为有，加入控制信号，重复S1-S4，若判断为无，则运算n+1次F₇离散迭代方法即重复S1.2-S4，n为自然数。

所述S2还包括mythread()中接收到由PC机传过来的原始数据，先进行标识符识别分类，再传入控制模块，控制模块判断数据是否正确，错误则重新进行标识符识别分类。

所述S1.1利用差分离散化方法对PDEs方程进行离散化，计算立管模型的差分运算结果，具体如下：

S1.1.1以步长h＝△x＝(b-a)/N将x轴上的区间[a,b]等间距分割为N等分，在第N个格点可以构造向后差值的泰勒展开式可以写为：

$\left\{\begin{array}{c}f(x_i-h)=f\left(x_i\right)-{\mathrm{hf}}^{\′}\left(x_i\right)+\frac{h^2}{2}{f}^{\′\′}\left(x_i\right)-\frac{h^3}{3!}{f}^{\′\′\′}\left(x_i\right)+......\\ f(x_i+h)=f\left(x_i\right)+h{f}^{\′}\left(x_i\right)-\frac{h^2}{2}{f}^{\′\′}\left(x_i\right)+\frac{h^3}{3!}{f}^{\′\′\′}\left(x_i\right)+......\end{array}\right.$

将上式合并，忽略h的平方及更高阶项得到一阶向后差分方程：

$f^{\′}\left(x_i\right)\≈\frac{f\left(x_i\right)-f(x_i-h)}{h}$

则海流干扰f(x,t)的差分离散化分别为：

$\begin{array}{cc}f(\stackrel{.}{x},t)=\frac{f(x,t)-f(x,t-h_t)}{h_t}& f^{\′}(x,t)=\frac{f(x,t)-f(x-h_x,t)}{h_x}\end{array}$

S1.1.2同样采用向后差分方法，得到

$\begin{array}{cc}{w}^{\′}(x,t)=\frac{w(x,t)-w(x-h_x,t)}{h_x},& w(\stackrel{.}{x},t)=\frac{w(x,t)-w(x,t-h_t)}{h_t}\end{array}$

$\begin{array}{cc}v(\stackrel{.}{x},t)=\frac{v(x,t)-v(x,t{-h}_t)}{h_t}& v^{\′}(x,t)=\frac{v(x,t)-v(x-h_x,t)}{h_x}\end{array};$

S1.1.3将上述公式代入到立管数学模型，得到立管振动模型的离散差分方程组。

所述F₇离散迭代方法，具体为：

S1.2.1初始化各个参数，并且建立3个临时储存矩阵D_f,D_1w,D_1v和3个存储矩阵D_F,D_1W,D_1V

S1.2.2当t＝7(t＝7n，此时n＝1)时取值存入D_f，利用D_f中的数值离散计算w(x,t)，v(x,t)，得到D_1w,D_1v，同时将这3个矩阵里的值分别存入3个存储矩阵，发送给控制模块；

S1.2.3再由D_1w,D_1v算出立管L处的值w(L,t)，v(L,t)放入新建的D_2w,D_2v，此时得到整个立管0到L处的状态，然后由函数plot画图在显示窗口显示；

S1.2.4将运算好的临时储存矩阵数据存入存储矩阵，将临时矩阵清零，然后当判断到t＝(n+1)×7时再继续以上3个步骤。

S1.2.5当判定t＝Timeout时结束循环。

控制模块位于ARM板上。

本发明的有益效果：

(1)立管振动模拟显示系统，可模拟立管振动的偏移量并有一定实时性。MatlabGUI显示界面突出显示了立管顶端和中部的横向振动情况，并设置了暂停按钮，能够更方便观察立管振动的实时数据，由于立管模型中引入内流动力学，可在GUI界面上选择不同内流流速，以观察不同内流流速对立管振动的影响；

(2)实现了控制模块与立管振动显示模块的通信。串口数据能较快传送到控制模块，同时保证较低的数据错误率，立管振动显示模块能及时接受控制模块发出的控制信号并快速对控制信号响应；

(3)Android系统上运行的控制模块能够快速发出控制作用并实时显示立管振动数据。

附图说明

图1是本发明一种耦合时变内流的海洋输油立管横纵向振动控制方法的工作流程图。

具体实施方式

下面结合实施例及附图，对本发明作进一步地详细说明，但本发明的实施方式不限于此。

实施例

如图1所示，一种耦合时变内流的海洋输油立管横纵向振动控制方法，包括如下步骤：

S1在PC机上采用Matlab GUI编程，提供可视化操作，模拟立管振动界面，具体步骤如下：

S1.1利用差分离散化方法对PDEs方程进行离散化，计算得到立管模型的差分运算结果，分为对海流干扰f(x,t)的离散运算和立管数学方程式的离散运算，具体包括以下步骤：

S1.1.1以步长h＝△x＝(b-a)/N将x轴上的区间[a,b]等间距分割为N等分，在第N个格点可以构造向后差值的泰勒展开式可以写为：

$\left\{\begin{array}{c}f(x_i-h)=f\left(x_i\right)-{\mathrm{hf}}^{\′}\left(x_i\right)+\frac{h^2}{2}{f}^{\′\′}\left(x_i\right)-\frac{h^3}{3!}{f}^{\′\′\′}\left(x_i\right)+......\\ f(x_i+h)=f\left(x_i\right)+h{f}^{\′}\left(x_i\right)-\frac{h^2}{2}{f}^{\′\′}\left(x_i\right)+\frac{h^3}{3!}{f}^{\′\′\′}\left(x_i\right)+......\end{array}\right.---\left(2\right)$

将上式合并，忽略h的平方和更高阶项得到一阶向后差分方程：

$f^{\′}\left(x_i\right)\≈\frac{f\left(x_i\right)-f(x_i-h)}{h}---\left(3\right)$

则海流干扰f(x,t)的差分离散化分别为：

$\begin{array}{cc}{f}^{\′}(x,t)=\frac{f(x,t)-f(x-h_x,t)}{h_x},& f(\stackrel{.}{x},t)=\frac{f(x,t)-f(x,t{-h}_t)}{h_t}\end{array}---\left(4\right)$

S1.1.2同样采用向后差分法：

$\begin{array}{cc}{w}^{\′}(x,t)=\frac{w(x,t)-w(x-h_x,t)}{h_x},& w(\stackrel{.}{x},t)=\frac{w(x,t)-w(x,t-h_t)}{h_t}\end{array}---\left(5\right)$

$\begin{array}{cc}{v}^{\′}(x,t)=\frac{v(x,t)-v(x-h_x,t)}{h_x},& v(\stackrel{.}{x},t)=\frac{v(x,t)-v(x,t-h_t)}{h_t}\end{array}---\left(6\right)$

式中，带撇的是对位置x的求导，带点的是对时间的求导,hx,ht其实表示相同的意思，只是为了区别是对x差分还是对t差分。

以立管下边界固定，设为坐标XOY的原点。在海洋中，立管受到海流干扰f(x,t)，产生横向偏移w(x,t)和纵向偏移v(x,t)，t表示时间t时刻，x表示立管所处海底向上深度为x，立管总长度用L表示。

S1.1.3将(5)、(6)带入立管数学模型到立管振动模型的差分方程组，利用Matlab进行数值计算，得到差分运算结果。

S1.2为了达到立管振动的实时显示效果，立管方程的4阶运算迭代特性，离散处理数据，时间离散点每次只运算7个，以保障运算速度和绘图速度的匹配，同时也兼顾了4阶偏微分方程需要的时间因果数据，此离散迭代方法记为F₇，具体为：

S1.2.1初始化各个参数，并且建立3个临时储存矩阵D_f,D_1w,D_1v和3个存储矩阵D_F,D_1W,D_1V

S1.2.2当t＝7(t＝7n，此时n＝1)时取值存入D_f，利用D_f中的数值离散计算w(x,t)，v(x,t)，得到D_1w,D_1v，同时将这3个矩阵里的值分别存入3个存储矩阵，发送给通信模块；

S1.2.3再由D_1w,D_1v算出立管L处的值w(L,t)，v(L,t)放入新建的D_2w,D_2v，此时得到了整个立管0到L处的状态，然后由函数plot画图在显示窗口显示；

S1.2.4将运算好的临时储存矩阵数据存入存储矩阵，将临时矩阵清零，然后当判断到t＝2×7(t＝7n，此时n＝2)时再继续以上3个步骤。

S1.2.5当判定t＝Timeout时结束循环。

S1.3将第一次运算的7个差分运算结果用plot函数画出，显示在界面窗口模拟立管振动界面，同时由串口传输到控制模块，所述控制模块位于ARM板上，

S2控制模块接收数据判断数据是否正确，若正确，则提取w(L/2,t)，v(L/2,t)，w(L,t)储存，否则返回数据，重新标识符分类，w(L/2,t)，v(L/2,t)，w(L,t)分别指t时刻立管中部横向位移，中部纵向位移，顶端横向位移；

在控制模块接收数据之前，首先由mythread()中接收到由PC传过来的原始数据，然后进行标识识别分类，再传入控制模块。

S3根据得到数据和时间t,计算出对应的立管顶端横向振动速度，立管中部横向振动速度及立管顶端纵向振动速度；

S4根据步骤S2得到的立管中部横向位移，中部纵向位移，顶端横向位移及S3中得到的立管顶端横向振动速度，立管中部横向振动速度及立管顶端纵向振动速度，用户选择控制信号，所述控制信号包括无控制及PD控制，得到相应的控制公式如下：

$\left\{\begin{array}{c}{U}_w\left(t\right)=-k_1\stackrel{.}{w}(L,t)-k_3{w}^{\′}(L,t)-k_{5}w(L,t)\\ U_v\left(t\right)=-k_2\stackrel{.}{v}(L,t)-k_4{v}^{\′}(L,t)-k_{6}v(L,t)\end{array}\right.$

式中，表示t时刻立管L处横向、纵向偏移的速度，w′(L,t),v′(L,t)表示t时刻立管L处横向、纵向偏移量的速度变化率，w(L,t),v(L,t)表示t时刻立管L处的横向、纵向位移偏移量，L是立管的长度，在用Lyapunov证稳时，K1-K6有依据实验模型参数的具体取值范围，在编写ARM板程序之前，用MATLAB仿真实验，确定适合的值。

S5将控制信号通过串口发回到PC机，PC机判断是否有信号，若判断为有加入控制信号，重复S1-S4，若判断为无，则运算第二次F₇离散迭代方法即重复S1.2-S4。

本发明包括三个部分，输油立管解析显示部分位于PC机，由MATLAB GUI编程实现：采用数值分析方法，通过Matlab 7.0对海洋立管的数学模型进行解析和实时动态模拟，实时显示立管的振动，将数据通过串口通信模块传输到控制模块，控制模块发出控制信号通过串口反馈给解析模块，通过所设计的控制算法来实现对立管的振动控制。本实施例的仿真方法基于Android 2.3系统，控制模块位于ARM板。

本发明海洋输油立管的建模实现，海洋输油管道的振动在实际工程中很难测试到，利用模型解析和边界控制的优势，直接从立管顶端获取相关数据，通过串口通讯传输保证与控制模块之间数据通信。

海洋输油立管控制模块的模拟实现：利用ARM板在Android系统上实现立管模型数据监视和控制信号的发送。

具体操作方式：

连接

步骤1连接PC机的USB接口与ARM板的miniUSB口

步骤2连接COM口，ARM板上连接COM2，接转换线连PC机的USB接口

步骤3连接板子的电源。

注意：打开电源，查看所占用的电脑COM口与程序里的COM口地址是否一致。

查看所占用的电脑COM口：我的电脑右键→管理→设备管理器→COM口，即可查看占用的是哪个COM口，对应程序里的COM口即可。

具体操作方式

步骤1启动Matlab，打开立管M文件，run；

步骤2进入立管仿真界面，选择海流流速如2m/s；

步骤3点击立管仿真界面开始按钮，模拟立管振动；

步骤4在板子上点击“RiserController”图标，启动控制模块；

步骤5点击控制模块连接按钮。

加入控制信号：

步骤1启动立管仿真界面后，在立管顶端，靠近横坐0点时，点击接受控制信号按钮；

步骤2选择控制模块上相应的控制算法；

步骤3点击控制模块上发送控制按钮；

步骤4点击立管仿真系统禁止控制按钮；

步骤5如要撤销控制作用，直接选择无控制，按上述步骤即可。

本仿真平台基于Android 2.3系统，通过对所设计边界控制算法的解析来实时模拟立管振动。所构建的仿真系统能实时观察立管二维振动，并验证所设计控制算法的有效性。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受所述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种耦合时变内流的海洋输油立管横纵向振动控制方法，包括如下步骤：

S1在PC机上采用Matlab GUI模拟立管振动界面，具体如下：

S1.1利用差分离散化方法对PDEs方程进行离散化，计算立管模型的差分运算结果；

S1.2离散处理差分运算结果，时间离散点每次运算7个，记为F₇离散迭代方法；

S1.3将第一次运算的7个差分运算结果用plot函数画出，显示在界面窗口模拟立管振动界面，同时由串口传输到控制模块；

S2控制模块接收数据，判断数据是否正确，若正确，则提取w(L/2,t)，v(L/2,t)，w(L,t)储存，否则返回数据，重新标识符分类，w(L/2,t)，v(L/2,t)，w(L,t)分别指t时刻立管中部横向位移，中部纵向位移，顶端横向位移；

S3根据得到数据和时间t,计算出对应的立管顶端横向振动速度，立管中部横向振动速度及立管顶端纵向振动速度；

S4根据步骤S2得到的立管中部横向位移，中部纵向位移，顶端横向位移及S3中得到的立管顶端横向振动速度，立管中部横向振动速度及立管顶端纵向振动速度，用户选择控制信号，所述控制信号包括无控制及PD控制；

S5将控制信号通过串口发回到PC机，PC机判断是否有信号，若判断为有，加入控制信号，重复S1-S4，若判断为无，则运算n+1次F₇离散迭代方法即重复S1.2-S4，n为自然数。

2.根据权利要求1所述的控制方法，其特征在于，S2还包括mythread()中接收到由PC机传过来的原始数据，先进行标识符识别分类，再传入控制模块，控制模块判断数据是否正确，错误则重新进行标识符识别分类。

3.根据权利要求1所述的控制方法，其特征在于，S1.1利用差分离散化方法对PDEs方程进行离散化，计算立管模型的差分运算结果，具体如下：

S1.1.1以步长h＝△x＝(b-a)/N将x轴上的区间[a,b]等间距分割为N等分，在第N个格点可以构造向后差值的泰勒展开式可以写为：

$\left\{\begin{array}{c}f(x_i-h)=f\left(x_i\right)-{\mathrm{hf}}^{\′}\left(x_i\right)+\frac{h^2}{2}{f}^{\′\′}\left(x_i\right)-\frac{h^3}{3!}{f}^{\′\′\′}\left(x_i\right)+......\\ f(x_i+h)=f\left(x_i\right)+{\mathrm{hf}}^{\′}\left(x_i\right)-\frac{h^2}{2}{f}^{\′\′}\left(x_i\right)+\frac{h^3}{3!}{f}^{\′\′\′}\left(x_i\right)+......\end{array}\right.$

将上式合并，忽略h的平方及更高阶项得到一阶向后差分方程：

$f^{\′}\left(x_i\right)\≈\frac{f\left(x_i\right)-f(x_i-h)}{h}$

则海流干扰f(x,t)的差分离散化分别为：

$f(\stackrel{\·}{x},t)=\frac{f(x,t)-f(x,t-h_t)}{h_t}{f}^{\′}(x,t)=\frac{f(x,t)-f(x-h_x,t)}{h_x}$

S1.1.2同样采用向后差分方法，得到

$w^{\′}(x,t)=\frac{w(x,t)-w(x-h_x,t)}{h_x},w(\stackrel{\·}{x},t)=\frac{w(x,t)-w(x,t-h_t)}{h_t}$

$v(\stackrel{\·}{x},t)=\frac{v(x,t)-v(x,t-h_t)}{h_t}{v}^{\′}(x,t)=\frac{v(x,t)-v(x-h_x,t)}{h_x};$

S1.1.3将上述公式代入到立管数学模型，得到立管振动模型的离散差分方程组。

4.根据权利要求1所述的控制方法，其特征在于，所述F₇离散迭代方法，具体为：

S1.2.1初始化各个参数，并且建立3个临时储存矩阵D_f,D_1w,D_1v和3个存储矩阵D_F,D_1W,D_1V；

S1.2.2当t＝7n，初始值n＝1，n为自然数，取值存入D_f，所述利用D_f中的数值离散计算w(x,t)，v(x,t)，得到D_1w,D_1v，同时将这3个矩阵里的值分别存入3个存储矩阵，发送给控制模块；

S1.2.3再由D_1w,D_1v算出立管L处的值w(L,t)，v(L,t)放入新建的D_2w,D_2v，此时得到整个立管0到L处的状态，然后由函数plot画图在显示窗口显示；

S1.2.4将运算好的临时储存矩阵数据存入存储矩阵，将临时矩阵清零，然后当判断到t＝(n+1)×7时，再继续以上3个步骤；

S1.2.5当判定t＝Timeout时结束循环。

5.根据权利要求1所述的控制方法，其特征在于，控制模块位于ARM板上。