CN104443293A - 一种水下张力腿平台潜浮控制系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种水下张力腿平台潜浮控制系统，包括：倾角传感器，其安装在平台甲板表面几何中心点处，用于测量平台姿态信息；深度传感器，其分别安装在平台甲板表面艏左、艏右、艉左和艉右，用于测量平台四角的深度值；平台位姿控制器，其设置在左舷耐压浮筒舱内，用于接收平台姿态信息以及平台深度值，并进行处理以用于生成液压绞车速度控制指令；以及绞车控制器，其设置在右舷耐压浮筒内，用于接收平台位姿控制器生成的液压绞车速度控制指令，获得液压绞车的运行速度，从而带动钢缆以控制平台的姿态。本发明还公开了相应的控制方法。本发明可以控制水下张力腿平台在下潜和上浮过程中的速度和姿态的稳定，保证平台运行的稳定性和安全性。

Description

一种水下张力腿平台潜浮控制系统及方法

技术领域

本发明属于张力腿平台领域，具体涉及一种水下张力腿平台的潜浮控制系统及方法。

背景技术

随着人类对海洋资源的开发，深海作业平台技术已经成为国际海洋工程界的一个热点，新的海洋平台结构不断的涌现。

水下张力腿平台是一种在水下使用的工作平台，用于为各种水下工作和试验提供工作平台。工作时，水下张力腿平台一般先由母船拖航至预定工作水域后，通过重力锚进行定位，然后利用绞车对重力锚进行收缆或放缆实现平台在水下的下潜或上浮。因为其不同于常见的海洋平台，无需配备动力定位系统，稳定性较好、布放回收方便，在深海水下作业中得到广泛应用。

CN103231781A中公开了一种水下张力腿平台，其包括平台本体、张力腿和四个重力锚，四个锚分别位于平台本体的前左、前右、后左、后右下方，平台本体上部前端设置前左水下张力绞车31、前左水下锚泊绞车41和前右水下张力绞车32、前右水下锚泊绞车42，平台本体1上部后端设置后左水下张力绞车33、后左水下锚泊绞车43和后右水下张力绞车34、后右水下锚泊绞车44，平台本体1左右舷处对称安放两个耐压浮筒6，两个耐压浮筒筒体6的下半部分位于所述平台本体1甲板的以下。液压绞车先释放4个重力锚至湖底定位，通过锚索构建平台的张力腿；然后压载水舱注满水，使平台处于半潜状态，由于重力锚自身的重力和锚的抓地力远大于平台的正浮力，当液压绞车同时收缆时，平台就从水面开始下潜，平台下潜至水下一定深度例如40～60米工作深度，作业完成后，液压绞车同时放缆，平台在正浮力的作用下开始上浮。

为保证各种水下工作和试验的稳定可靠性和安全性，一般要求水下作业平台在下潜过程横倾角≤3°，纵倾角≤2°，在上浮过程要求横倾角≤3°，纵倾角≤2°。但是，由于水下环境复杂，水流、地形都不确定，上述水下张力腿平台的重力锚不可能完全按照预定位置抛至湖底，从而发生走锚现象。另外，驱动张力腿钢缆收放的液压绞车系统中，存在油温变化、外负载干扰、管道供油量不均等影响，多台液压绞车难以实现完全同步。这种走锚、液压绞车的同步误差会使平台在下潜和上浮过程中容易产生较大的倾斜，无法满足平台运动稳定和设备安全的要求。

发明内容

本发明的目的是提出一种水下张力腿平台潜浮控制系统及方法，用于控制水下张力腿平台在下潜和上浮过程中的速度和姿态的稳定，保证平台运行的稳定性和安全性。

按照本发明的一个方面，提供一种水下张力腿平台潜浮控制系统，用于实现在控制水下张力腿平台按照给定速度从水面平稳下潜至水下工作深度，并在平台作业完成后控制水下张力腿平台按照给定速度从水下平稳上浮至水面的过程中速度和姿态的稳定，其中，该水下张力腿平台包括分别安装在平台甲板表面艏左、艏右、艉左和艉右以用于控制张力腿钢缆收放的液压绞车，以及通过所述钢缆悬挂在平台艏左、艏右、艉左和艉右四个角下方的重力锚；其特征在于，该控制系统包括：

倾角传感器，其安装在平台甲板表面几何中心点处，用于测量平台姿态信息，包括平台的横倾角和纵倾角；

深度传感器，其分别安装在平台甲板表面艏左、艏右、艉左和艉右，用于测量平台四角的深度值；

平台位姿控制器，其设置在左舷耐压浮筒舱内，用于接收所述倾角传感器测得的平台姿态信息以及所述深度传感器测得的平台深度值，并进行处理以获得各台液压绞车的收放缆速度，从而以用于生成液压绞车速度控制指令；以及

绞车控制器，其设置在右舷耐压浮筒内，用于接收所述平台位姿控制器生成的液压绞车速度控制指令，液压绞车通过各自的速度编码器反馈形成速度伺服以控制各液压绞车实时高精度地跟踪各自的速度指令，构成液压绞车速度闭环控制，获得液压绞车的运行速度，从而带动钢缆以控制平台的姿态，实现水下张力腿平台的平稳下潜或上浮。

作为本发明的改进，所述平台位姿控制器内部包括深度控制器和姿态控制器，其中所述深度控制器用于监控平台深度，其根据深度传感器测得的平台当前深度和设定下潜深度之间的误差，生成液压绞车同步速度命令；所述姿态控制器用于控制平台的横倾角和纵倾角，其根据倾角传感器测得的平台姿态，解算出各台液压绞车的补偿速度值，根据该补偿值获得液压绞车的运行速度，从而带动钢缆以控制平台的姿态。

作为本发明的改进，所述平台位姿控制器对液压绞车补偿速度的具体解算过程为：通过平台的姿态信息进行平台运动学反解，获得平台4个角相对于水平状态时的位置偏差，进而根据各个角的位置偏差对相应位置处的液压绞车的初始给定速度分别进行补偿，位置偏差大的补偿速度大，以获得对应液压绞车的速度。

作为本发明的改进，所述张力腿平台在下潜和上浮的过程中平台姿态满足：横倾角≤3°、纵倾角≤2°。

按照本发明的另一方面，提供一种水下张力腿平台潜浮控制方法，用于实现在控制水下张力腿平台按照给定速度从水面平稳下潜至水下工作深度，并在平台作业完成后控制水下张力腿平台按照给定速度从水下平稳上浮至水面的过程中速度和姿态的稳定，其中，该水下张力腿平台包括分别安装在平台甲板表面艏左、艏右、艉左和艉右以用于控制张力腿钢缆收放的液压绞车，以及通过所述钢缆悬挂在平台艏左、艏右、艉左和艉右四个角下方的重力锚；其特征在于，该控制方法包括：

利用安装在平台甲板表面几何中心点处的倾角传感器测量平台姿态信息，具体包括平台的横倾角和纵倾角；

利用分别安装在平台甲板表面艏左、艏右、艉左和艉右的深度传感器测量平台四角的深度值；

通过设置在左舷耐压浮筒舱内的平台位姿控制器接收所述倾角传感器测得的平台姿态信息以及所述深度传感器测得的平台深度值，并进行处理后后获得各台液压绞车的收放缆速度，进而生成液压绞车速度控制指令；以及

通过设置在右舷耐压浮筒内的绞车控制器接收所述平台位姿控制器生成的液压绞车速度控制指令，并利用液压绞车通过各自的速度编码器反馈形成速度伺服以控制各液压绞车实时高精度地跟踪各自的速度指令，构成液压绞车速度闭环控制，获得液压绞车的运行速度，从而带动钢缆以控制平台的姿态，实现水下张力腿平台的平稳下潜或上浮。

作为本发明的改进，平台位姿控制器内部包括深度控制器和姿态控制器，其中所述深度控制器用于监控平台深度，其根据深度传感器测得的平台当前深度和设定下潜深度之间的误差，生成液压绞车同步速度命令；所述姿态控制器用于控制平台的横倾角和纵倾角，其根据倾角传感器测得的平台姿态，解算出各台液压绞车的补偿速度值，根据该补偿值获得液压绞车的运行速度，从而带动钢缆以控制平台的姿态。

作为本发明的改进，所述平台位姿控制器对液压绞车补偿速度的具体解算过程为：通过平台的姿态信息进行平台运动学反解，获得平台4个角相对于水平状态时的位置偏差，进而根据各个角的位置偏差对相应位置处的液压绞车的初始给定速度分别进行补偿，位置偏差大的补偿速度大，以获得对应液压绞车的速度。

作为本发明的改进，所述张力腿平台在下潜和上浮的过程中平台姿态满足：横倾角≤3°、纵倾角≤2°。

本发明中，所述4个重力锚通过钢缆悬挂在矩形平台艏左、艏右、艉左、艉右4个角下方，每个重力锚自重25吨，在水下张力腿平台下潜之前已预抛至湖底，作为平台张力腿定位锚桩；所述4根钢缆分别将液压绞车和重力锚连接在一起，钢缆由液压绞车控制收放，钢缆、重力锚、液压绞车构成了水下张力腿平台的张力腿系统。

本发明中，所述水面集控台是潜浮控制系统的人机接口，集控台上有开关、自动按钮、电控手柄、触摸屏、显示屏等控制和显示装置，用于操作人员设置控制命令，并显示水下张力腿平台的过程参数及曲线。所述光电复合缆为水下张力腿平台输送电力和提供水上和水下以太网数据传输通道，用于水面集控台和平台位姿控制器通信，水上至水下的数据流为平台潜浮控制信号，水下至水上的数据流为平台姿态、深度等状态反馈信号。

本发明中，所述平台位姿控制器根据水面集控台发送来的控制命令，以及倾角传感器反馈的平台姿态信息和深度传感器反馈的平台深度信息，实时解算出各台液压绞车收放缆速度，生成液压绞车速度控制指令，发送给绞车控制器；

本发明中，所述绞车控制器接收到平台位姿控制器发送来的液压绞车速度控制指令之后，控制各液压绞车实时高精度地跟踪各自的速度指令，构成液压绞车速度闭环控制，驱动水下张力腿平台平稳下潜或上浮。

本发明的一种水下张力腿平台潜浮控制方法，其特点是将多输入-多输出的潜浮控制系统解耦成2个单变量控制系统，即深度控制和姿态控制。水下张力腿平台以一定的速度下潜至设定工作深度或从水下以一定的速度上浮至水面，并且在下潜和上浮的过程中保证平台的横倾角≤3°、纵倾角≤2°，实际上是一个深度控制结合姿态调整的过程。平台位姿控制器按照设定工作深度及潜浮速度给定各液压绞车收放缆速度，进行深度定值控制；按照平台实际倾角实时解算平台4个角相对于水平状态时的位置偏差，依据位置偏差对液压绞车收放缆速度进行动态调整。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，具有以下有益效果：本发明通过实时采集深度、姿态等信息，并利用控制器进行解算并反馈给液压绞车控制器，实现对液压绞车运行速度的控制，从而可以实时控制缆索拖动重力锚的移动速度，实现对走锚、液压系统干扰等不确定因素有较好的适应能力，可以在实现平台按照给定速度下潜或上浮的同时，兼顾平台姿态控制，使平台运动平稳，保证了平台及设备的安全。

附图说明

图1为按照本发明实施例的水下张力腿平台潜浮控制系统结构图；

图2为按照本发明实施例的水下张力腿平台潜浮控制系统布置图；

图3为按照本发明实施例的水下张力腿平台潜浮控制原理图；

图4为按照本发明实施例的水下张力腿平台潜浮控制流程图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，下面结合附图和具体实施方式对本发明的技术方案作进一步具体说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

图1是本发明实施例的水下张力腿平台潜浮控制系统结构图，系统分水上和水下两部分，光电复合缆提供水下和水上的以太网通信通道。水面集控台是潜浮控制系统的人机接口，集控台上有开关、自动按钮、电控手柄、触摸屏、显示屏等控制和显示装置，用于操作人员设置控制命令，并显示水下张力腿平台的过程参数及曲线。自动按钮包括自动放锚、自动下潜、自动上浮、自动收锚等过程的自动控制，操作人员在触摸屏上设置控制参数，比如下潜速度、下潜深度等，按下自动按钮后，平台位姿控制器就按照水上的命令自动完成水下张力腿平台的运动控制。水下部分包括平台位姿控制器、绞车控制器、倾角传感器、深度传感器、液压绞车等，平台位姿控制器监控平台的倾角和深度，是水下部分的核心控制器，绞车控制器接收平台位姿控制器的控制命令，对4台液压绞车进行闭环伺服控制。

图2是本发明实施例的水下张力腿平台潜浮控制系统布置图，系统的水下部分包括平台位姿控制器41、绞车控制器42、艉右液压绞车11、艉左液压绞车12、艏左液压绞车13、艏右液压绞车14、艉右深度传感器21、艉左深度传感器22、艏左深度传感器23、艏右深度传感器24、倾角传感器31、艉右钢缆61、艉左钢缆62、艏左钢缆63、艏右钢缆64、艉右重力锚71、艉左重力锚72、艏左重力锚73、艏右重力锚74。

所述艉右液压绞车11通过艉右钢缆61与艉右重力锚71连接，用于控制艉右钢缆61的收放；艉左液压绞车12通过艉左钢缆62与艉左重力锚72连接，用于控制艉左钢缆62的收放；艏左液压绞车13通过艏左钢缆63与艏左重力锚73连接，用于控制艏左钢缆63的收放；艏右液压绞车14通过艏右钢缆64与艏右重力锚74连接，用于控制艏右钢缆64的收放。所有的液压绞车、钢缆、重力锚，构成水下张力腿平台的张力腿系统。

所述倾角传感器31安装在矩形甲板中心点处，用于测量水下平台的横倾角和纵倾角，优选通过RS-232通道与平台位姿控制器41相连接；艉右深度传感器21、艉左深度传感器22、艏左深度传感器23、艏右深度传感器24分别安装在矩形甲板艉右、艉左、艏左、艏右的位置，用于测量平台4个角的深度值，优选通过RS-485通道与平台位姿控制器41相连接。

所述平台位姿控制器41安装在左舷耐压浮筒51舱内，控制器硬件优选具有较高可靠性的PLC，例如西门子S7-400H系列PLC，平台位姿控制器根据倾角传感器31反馈的平台姿态信息和深度传感器21、22、23和24反馈的平台深度信息，实时解算出各液压绞车收放缆速度，生成液压绞车速度控制指令，并优选通过工业以太网(例如西门子S7)发送液压绞车控制指令到绞车控制器42；所述绞车控制器42安装在右舷耐压浮筒52舱内，控制器硬件可以优选具有较高可靠性的PLC，例如西门子S7-400H系列PLC。绞车控制器42通过以太网(优选西门子S7工业)接收平台位姿控制器41发送来的液压绞车速度控制指令，液压绞车通过各自的速度编码器反馈形成速度伺服，实时高精度地跟踪各自的速度指令，驱动水下张力腿平台平稳下潜和上浮。

图3是本发明实施例的水下张力腿平台潜浮控制原理图，水下张力腿平台以一定的速度下潜至设定工作深度或从水下以一定的速度上浮至水面，并且在下潜和上浮的过程中保证平台的横倾角≤3°、纵倾角≤2°，实际上是一个深度控制结合姿态调整的过程。针对平台下潜过程，设计了面向控制对象的液压绞车速度伺服双闭环同步控制下潜策略。平台下潜时，同步控制4台液压绞车按照同一速度收缆，驱动平台从水面下潜至水下设定工作深度；平台上浮时，同步控制4台液压绞车按照同一速度放缆，平台在正浮力的作用下上浮。4台液压绞车的同步控制策略采用同等控制方式，液压绞车通过各自的速度编码器反馈形成速度伺服。然而，走锚现象、液压绞车不同步使得平台出现倾斜，设定当平台横倾角大于1.5°或纵倾角大于1°时，将进行平台姿态调整控制。

水下张力腿平台潜浮控制系统实际为一个多输入多输出系统，为了便于工程实现，该方法将水下张力腿平台的下潜和上浮过程解耦为深度常值控制和姿态调整控制，在平台位姿控制器内部包括深度控制器和姿态控制器。深度控制器监控平台深度，根据深度传感器反馈的平台当前深度和设定下潜深度之间的误差，生成4台液压绞车同步速度命令：当深度值未达到设定深度时，液压绞车同步速度设定为平台潜浮速度；当深度值达到设定深度时，液压绞车同步速度清零，并关闭姿态控制器的控制输出，平台下潜或上浮过程完成。所述姿态控制器监控平台的横倾角和纵倾角，根据倾角传感器测量的平台姿态，解算出各台液压绞车的补偿速度值。对液压绞车进行速度补偿的目的是调整平台姿态趋于水平状态。

图4是本发明实施例的水下张力腿平台潜浮控制流程图，当按下自动下潜或上浮按钮后，下潜或上浮自动控制过程开始。平台位姿控制器首先判断平台姿态，如果横倾角和纵倾角在设定阈值内，例如横倾角≤1.5°且纵倾角≤1.0°时，此时平台姿态良好，暂不需调整，各台液压绞车按照同一设定速度收放缆；如果横倾角和纵倾角超过安全阈值，例如横倾角≥3.0°或纵倾角≥2.0°时，此时平台姿态已超过安全范围，需要停止自动控制而进行手动干预调整；在这之间的范围内，可根据姿态信息解算各台液压绞车的补偿速度，调整平台的姿态。

液压绞车补偿速度的解算方法为：通过平台的姿态信息进行平台运动学反解，以获得此时平台4个角相对于水平状态时的位置偏差，进而根据各个角的位置偏差对相应位置处的液压绞车的初始给定速度分别进行补偿，位置偏差大的补偿速度大，使平台快速向水平状态趋近。最终，平台位姿控制器将潜浮设定速度与各台液压绞车的补偿速度相加，生成液压绞车的速度控制指令发送给绞车控制器，绞车控制器控制各液压绞车实时高精度地跟踪各自的速度指令，从而实现驱动水下张力腿平台平稳下潜和上浮。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种水下张力腿平台潜浮控制系统，用于实现在控制水下张力腿平台按照给定速度从水面平稳下潜至水下工作深度，并在平台作业完成后控制水下张力腿平台按照给定速度从水下平稳上浮至水面的过程中速度和姿态的稳定，其中，该水下张力腿平台包括分别安装在平台甲板表面艏左、艏右、艉左和艉右以用于控制张力腿钢缆收放的液压绞车，以及通过所述钢缆悬挂在平台艏左、艏右、艉左和艉右四个角下方的重力锚；其特征在于，该控制系统包括：

倾角传感器，其安装在平台甲板表面几何中心点处，用于测量平台姿态信息，包括平台的横倾角和纵倾角；

深度传感器，其分别安装在平台甲板表面艏左、艏右、艉左和艉右，用于测量平台四角的深度值；

平台位姿控制器，其设置在左舷耐压浮筒舱内，用于接收所述倾角传感器测得的平台姿态信息以及所述深度传感器测得的平台深度值，并进行处理以获得各台液压绞车的收放缆速度，从而以用于生成液压绞车速度控制指令；以及

绞车控制器，其设置在右舷耐压浮筒内，用于接收所述平台位姿控制器生成的液压绞车速度控制指令，液压绞车通过各自的速度编码器反馈形成速度伺服以控制各液压绞车实时高精度地跟踪各自的速度指令，构成液压绞车速度闭环控制，获得液压绞车的运行速度，从而带动钢缆以控制平台的姿态，实现水下张力腿平台的平稳下潜或上浮。

2.根据权利要求1所述的一种水下张力腿平台潜浮控制系统，其中，所述平台位姿控制器内部包括深度控制器和姿态控制器，其中所述深度控制器用于监控平台深度，其根据深度传感器测得的平台当前深度和设定下潜深度之间的误差，生成液压绞车同步速度命令；所述姿态控制器用于控制平台的横倾角和纵倾角，其根据倾角传感器测得的平台姿态，解算出各台液压绞车的补偿速度值，根据该补偿值获得液压绞车的运行速度，从而带动钢缆以控制平台姿态。

3.根据权利要求1或2所述的一种水下张力腿平台潜浮控制系统，其中，所述平台位姿控制器对液压绞车补偿速度的具体解算过程为：通过平台的姿态信息进行平台运动学反解，获得平台4个角相对于水平状态时的位置偏差，进而根据各个角的位置偏差对相应位置处的液压绞车的初始给定速度分别进行补偿，位置偏差大的补偿速度大，以获得对应液压绞车的速度。

4.根据权利要求1-3中任一项所述的一种水下张力腿平台潜浮控制系统，其中，所述张力腿平台在下潜和上浮的过程中平台姿态满足：横倾角≤3°、纵倾角≤2°。

5.一种水下张力腿平台潜浮控制方法，用于实现在控制水下张力腿平台按照给定速度从水面平稳下潜至水下工作深度，并在平台作业完成后控制水下张力腿平台按照给定速度从水下平稳上浮至水面的过程中速度和姿态的稳定，其中，该水下张力腿平台包括分别安装在平台甲板表面艏左、艏右、艉左和艉右以用于控制张力腿钢缆收放的液压绞车，以及通过所述钢缆悬挂在平台艏左、艏右、艉左和艉右四个角下方的重力锚；其特征在于，该控制方法包括：

利用安装在平台甲板表面几何中心点处的倾角传感器测量平台姿态信息，具体包括平台的横倾角和纵倾角；

利用分别安装在平台甲板表面艏左、艏右、艉左和艉右的深度传感器测量平台四角的深度值；

通过设置在左舷耐压浮筒舱内的平台位姿控制器接收所述倾角传感器测得的平台姿态信息以及所述深度传感器测得的平台深度值，并进行处理后后获得各台液压绞车的收放缆速度，进而生成液压绞车速度控制指令；以及

通过设置在右舷耐压浮筒内的绞车控制器接收所述平台位姿控制器生成的液压绞车速度控制指令，并利用液压绞车通过各自的速度编码器反馈形成速度伺服以控制各液压绞车实时高精度地跟踪各自的速度指令，构成液压绞车速度闭环控制，获得液压绞车的运行速度，从而带动钢缆以控制平台的姿态，实现水下张力腿平台的平稳下潜或上浮。

6.根据权利要求5所述的一种水下张力腿平台潜浮控制方法，其中，平台位姿控制器内部包括深度控制器和姿态控制器，其中所述深度控制器用于监控平台深度，其根据深度传感器测得的平台当前深度和设定下潜深度之间的误差，生成液压绞车同步速度命令；所述姿态控制器用于控制平台的横倾角和纵倾角，其根据倾角传感器测得的平台姿态，解算出各台液压绞车的补偿速度值，根据该补偿值获得液压绞车的运行速度，从而带动钢缆以控制平台的姿态。

7.根据权利要求5或6所述的一种水下张力腿平台潜浮控制方法，其中，所述平台位姿控制器对液压绞车补偿速度的具体解算过程为：通过平台的姿态信息进行平台运动学反解，获得平台4个角相对于水平状态时的位置偏差，进而根据各个角的位置偏差对相应位置处的液压绞车的初始给定速度分别进行补偿，位置偏差大的补偿速度大，以获得对应液压绞车的速度。

8.根据权利要求5-7中任一项所述的一种水下张力腿平台潜浮控制方法，其中，所述张力腿平台在下潜和上浮的过程中平台姿态满足：横倾角≤3°、纵倾角≤2°。