CN107091727B - 一种空气中主动控制系泊试验装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种空气中主动控制系泊试验装置，包括连接系泊线顶点和底点的两个支架，控制顶点和底点运动的六个液压缸，数据采集系统及伺服控制计算机。对截断水深和全水深系泊线模型顶点同时施加三维运动，PID控制系统对截断点处的测量信息和被截断系泊线数值模拟信息进行处理，对截断点达到测量+反馈+控制的闭环控制。本发明所提供的装置能够在空气中快速、准确的进行主动式系泊系统混合模型试验，并同时与全水深系泊线模型进行比较，确定可靠的设备和控制参数，为在后续海洋工程水池进行模型试验打下良好基础。

Description

一种空气中主动控制系泊试验装置

技术领域

本发明涉及一种空气中主动控制系泊试验装置，属于海洋工程模型试验技术领域。

背景技术

海洋工程模型试验是检验平台系统设计和理论分析结果准确性与可靠性的重要手段之一。然而，随着海洋油汽的开发生产向越来越深海域发展，现有的海洋工程水池尺寸有限，对于深水平台系泊系统，无法在合理的缩尺比范围内对整个平台及其系泊系统进行模型试验。目前常用的办法就是对系泊线进行等效截断设计，然后进行水池试验、数值重构、数值外推的被动式混合模型试验。但如何对系泊线进行等效截断设计，并准确模拟截断后系泊线的动力特性，保证截断前后系泊系统的动力特性相似，正确预报系泊线的受力和平台的总体性能，如何合理的开展截断系泊系统模型试验，仍然是业界研究的难点之一。更为理想且有效的一种方法是采用主动式混合模型试验技术，即在截断点处设置由计算机控制的伺服系统，将未截断系泊线(试验模拟)和被截断系泊线(数值模拟)的运动都实时反馈给控制系统，并及时对未截断系泊线采取控制措施，如此进行模型试验，可以更加准确地获得系泊线的动力特性，预报全水深系泊系统的总体响应。但是，对于主动式混合模型试验，只有少数学者从理论上进行了初步的可行性研究，对单根系泊线在指定的简单运动情况下，进行了数值模拟分析，对于更复杂海况下系泊系统的主动控制效果和水池模型试验技术还有待于深入研究。主动式混合模型试验技术仍面临着巨大的挑战。

经文献检索发现，中国专利公开号为CN 200810036552.2，专利名称为：主动式海洋平台混合模型试验装置，该专利发明的是对海洋平台及其整个系泊系统进行主动式模型试验的装置，提出了具体的实施流程。但存在以下不足之处：(1)被截断点处的系泊线与滑块连接，滑块只进行平动，而不进行垂向运动。这与系泊线的实际运动情况(系泊线上任一点都同时有平面运动和垂向运动)不相符，降低了试验的可靠性和准确性。(2)通过非接触式光学测量系统和系泊线顶端的拉力传感器测得平台运动的时历信息，对整个系泊系统进行数值模拟分析，然后将数值分析结果传递给系泊线下端截断点处进行实时控制。即截断点处的运动是根据数值计算得到的，而不是实时测量的。但是，数值模拟分析方法是否得当，各水动力参数设置是否合理，都将直接影响试验结果的可靠性和准确性。(3)系泊线下端模型处未见安装拉力传感器和位移传感器，也就是不能实时得到系泊线下端模型的运动和受力情况，也不能与数值模拟计算相结合，进行实时数据反馈与控制。这是一种间接的控制方法，不能真正实现对系泊线下端模型的主动控制，很难保证试验结果的准确性。(4)同时对多根系泊线在水下进行主动控制，安装水密设施，整套试验装置成本极高。而且，同时对多根系泊线进行控制的系统还需要同时进行各方面参数的调试，才能保证试验的顺利进行，整个试验周期很长。

本发明专利的装置与公开号为CN 200810036552.2专利的装置在结构形式、局部原理、方法和具体技术方案上有明显不同。

发明内容

本发明的目的是为了提供一种具有较高精度和效率的空气中主动控制系泊试验装置，能同时对单根系泊线进行全水深和截断水深模型试验，并准确预报系泊线的动力特性。从而确定精准的主动截断系泊控制系统。

本发明的目的是这样实现的：包括固定在地面上的第一支架、第二支架和固定铁块，第一支架上设置有一对X轴向槽道一，每个X轴向槽道一的端部设置有X轴向驱动缸一，两个X轴向驱动缸一的输出端共同连接有Y轴向槽道一，Y轴向槽道一的端部设置有Y轴向驱动缸一，Y轴向驱动缸一的输出端连接有Z轴向驱动缸一，Z轴向驱动缸一的输出端设置有连接板，连接板的两端对称设置有拉力传感器，

所述第二支架上设置有一对X轴向槽道二，每个X轴向槽道二的端部设置有X轴向驱动缸二，两个X轴向驱动缸二的输出端共同连接有Y轴向槽道二，Y轴向槽道二的端部设置有Y轴向驱动缸二，Y轴向驱动缸二的输出端连接有Z轴向驱动缸二，Z轴向驱动缸二的输出端设置有位移传感器，两个拉力传感器中的一个拉力传感器通过全水深系泊线与固定铁块连接、另一个拉力传感器通过截断全水深系泊线与位移传感器连接。

本发明还包括这样一些结构特征：

1.还包括电源、与电源连接的计算机、同时与电源和计算机连接的数据采集与处理器，X轴向驱动缸一、Y轴向驱动缸一、Z轴向驱动缸一、X轴向驱动缸二、Y轴向驱动缸二、Z轴向驱动缸二、拉力传感器、位移传感器连接分别与数据采集与处理器连接。

2.第一支架和第二支架均是可升降的支架结构。

3.所述X轴向驱动缸一、Y轴向驱动缸一、Z轴向驱动缸一、X轴向驱动缸二、Y轴向驱动缸二、Z轴向驱动缸二均是液压缸。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：(1)在空气中进行试验，操作方便，水深可以根据需要进行调节，适用性广。并且能够将全水深系泊线与截断水深系泊线同时进行试验，验证主动截断控制方法的正确性。(2)在相同的外部激励作用下，通过将全水深系泊线试验结果与截断水深系泊线试验结果进行分析与比较，调试出合理的控制系统和控制参数，真正实现对截断系泊线的主动控制。(3)对截断点处的位移和受力进行实时测量，并结合被截断系泊线的动力分析结果，对截断点进行主动控制，是一个测量+反馈+控制的闭环控制系统，能够准确得到系泊线的动力特性。(4)在空气中进行试验，所需资金要比在水下进行试验低5倍以上。(5)按照该方法调试好的主动控制系统，再安装到海洋工程水池，对整个系泊系统进行模型试验，只需加上水密系统，即可进行深入试验，大大提高了试验效率。因此，该装置具有重要的实用价值。

附图说明

图1是本发明的空气中主动控制系泊试验装置结构总图；

图2是本发明的第一支架的顶部具体结构示意图；

图3是本发明的第二支架的顶部具体结构示意图；

图4是本发明的主动系泊控制系统流程图。

图中：(1)第一支架，(2)X轴向液压缸一，(3)X轴向槽道一，(4)Y轴向液压缸一，(5)Y轴向槽道一，(6)Z轴向液压缸一，(7)X轴向液压缸二，(8)X轴向槽道二，(9)Y轴向液压缸二，(10)Y轴向槽道二，(11)Z轴向液压缸二，(12)固定铁块，(13)位移传感器，(14)拉力传感器，(15)第二支架，(16)全水深系泊线，(17)截断全水深系泊线，(18)数据线，(19)电线，(20)数据采集与处理器，(21)伺服控制计算机，(22)电源。

具体实施方式

下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步详细描述。

本发明所述的一种空气中主动控制系泊试验装置包括系泊线顶部连接部分、系泊线底部连接部分、数据采集及主动控制系统。系泊线顶部连接部分包括：第一支架(可升降)，X轴向液压缸一、Y轴向液压缸一、Z轴向液压缸一。全水深系泊线和截断水深系泊线均与支架上的滑动机构相连接。连接点到地面的距离为按照试验缩尺比计算后的全水深深度。三个液压缸控制滑动机构上两根系泊线模型做相同的三维运动。

全水深系泊线底部直接与地面固定铁块连接。截断水深系泊线与第二支架上相连接。连接点到第一支架上的滑动机构连接点的距离为缩尺比后的截断水深深度。支架高度可调，可对不同需求的截断水深系泊线进行试验。根据主动控制系统传递的信息，X轴向液压缸二、Y轴向液压缸二、Z轴向液压缸二控制截断点的三维运动，从而带动未截断系泊线按照实际情况运动。

数据采集及主动控制系统是对采集到的运动信息进行实施转换和处理，传递给控制系统。控制系统根据采集到的信息和被截断系泊线数值模拟部分的计算信息，通过PID控制算法，提出对系泊线截断点的控制方案，并实时传递到执行机构，控制截断点的运动，如此循环进行。

因此，整个主动式截断系泊系统是由模型试验+数值模拟+控制系统三部分组成的复杂系统，也是循环过程。本试验装置在空气中运行，试验场地可根据水深需求进行选择，并对全水深系泊线与截断水深系泊线施加同样的外力，将截断水深系泊线的试验结果与全水深系泊线的试验结果进行比较，从而对控制程序和时域动力分析程序进行调试，确定相关重要参数，保证系泊线时域动力分析程序和控制程序的正确性，验证主动式截断方法的可靠性，为后续的水池试验工作打下基础。试验进行的每个时间步，测得系泊线截断点处的运动，并传递给数据采集系统，处理后再传递给控制系统。控制系统根据实时测量结果和被截断系泊线数值模拟计算的结果，根据PID方法计算分析后提出截断点处新的运动要求，并传递给上部未截断的系泊线(试验部分)和下部被截断的系泊线(数值部分)。如此循环进行，真正实现对系泊线的主动控制。

结合图1中图4，本发明的一种空气中主动控制系泊试验装置，包括：(1)第一支架，(2)X轴向液压缸一，(3)X轴向槽道一，(4)Y轴向液压缸一，(5)Y轴向槽道一，(6)Z轴向液压缸一，(7)X轴向液压缸二，(8)X轴向槽道二，(9)Y轴向液压缸二，(10)Y轴向槽道二，(11)Z轴向液压缸二，(12)固定铁块，(13)位移传感器，(14)拉力传感器，(15)第二支架，(16)全水深系泊线，(17)截断全水深系泊线，(18)数据线，(19)电线，(20)数据采集与处理器，(21)伺服控制计算机，(22)电源。

第一支架(1)固定于地面，其高度可根据不同模型试验所需水深要求进行调节。全水深系泊线和截断水深系泊线顶点与支架上两点并行连接，X轴向液压缸一(2)、Y轴向液压缸一(4)、Z轴向液压缸一(6)驱动两根系泊线模型在平面方向和垂向同时进行各种三维运动，包括规则的正弦余弦运动、不规则的随机运动。全水深系泊线(16)、截断全水深系泊线(17)顶部与拉力传感器(14)相连，测量系泊线的受力。也即拉力传感器与全水深系泊线和截断水深系泊线的顶点连接，实时测量系泊线受力，将二测量结果进行比较，验证主动截断系统的可靠性，如有问题及时对控制参数进行调整。

第二支架(15)固定于地面，用于连接截断水深系泊线(17)的截断点，支架高度可根据不同模型试验所需水深要求进行调节。也即全水深系泊线底部直接与地面的固定铁块相连，截断水深系泊线的截断点与固定于地面的第二支架相连，其与第一支架的水平距离根据试验要求进行确定，第一支架高度根据截断水深要求进行调整。X轴向液压缸二(7)、Y轴向液压缸二(9)、Z轴向液压缸二(11)控制截断点在平面方向和垂向的三维运动，并由位移传感器(13)测量截断点的位移，并通过数据线将数据实时传递给数据采集系统。

全水深系泊线底部固定铁块(12)置于地面，具有足够重量，铁块上有挂钩，用来连接全水深系泊线(16)的底点。

全水深系泊线底部固定铁块(12)、第二支架(15)、第一支架(1)三者之间的水平距离根据试验设计要求进行确定。

数据采集与处理器(20)同拉力传感器(14)和位移传感器(13)相连，同时与伺服控制计算机(21)相连，伺服控制计算机可同时进行被截断部分系泊线数值模拟计算和PID控制计算。数据采集系统与伺服控制计算机相连，将截断点处测得的位移和数值模拟计算得到的位移进行比较，通过PID控制算法计算得到截断点处新的位移，并通过X轴向液压缸二、Y轴向液压缸二、Z轴向液压缸二实时控制截断点的运动。

对采集到的截断水深系泊线截断点处的运动信息通过数据采集系统传递给伺服控制计算机(21)，被截断部分系泊线数值模拟计算的截断点处的运动信息也传递给PID控制系统，确定截断点新的运动方案，并将该运动数据实时传递给X轴向液压缸二(7)、Y轴向液压缸二(9)、Z轴向液压缸二(11)，控制截断点在平面方向和垂向的三维运动。同时，新的运动数据也传递给被截断部分系泊线数值模拟程序进行下一时间步的计算。如此循环进行。也即被截断部分系泊线数值模拟系统通过系泊线动力分析程序对被截断掉的系泊线进行数值模拟，该系统安装于伺服控制计算机上，控制系统将截断点的最新控制信息传递给动力分析程序，通过数值计算得到下一时刻截断点处新的位移，并实时反馈给控制系统。

综上，本发明提供一种可在空气中对截断水深系泊线和全水深系泊线同时进行试验的主动控制系泊试验装置。包括连接系泊线顶点和底点的两个支架，控制顶点和底点运动的六个液压缸，数据采集系统及伺服控制计算机。对截断水深和全水深系泊线顶点同时施加三维运动，PID控制系统对截断点处的测量信息和被截断系泊线数值模拟信息进行处理，对截断点达到测量+反馈+控制的闭环控制。本发明所提供的装置能够在空气中快速、准确的进行主动式系泊系统混合模型试验，并同时与全水深系泊线进行比较，确定可靠的设备和控制参数，为在后续海洋工程水池进行模型试验打下良好基础。

Claims (5)

1.一种空气中主动控制系泊试验装置，其特征在于：包括模型试验、数值模拟、数据采集控制系统三大部分，通过数据采集系统及伺服控制计算机对截断水深和全水深系泊线模型顶点同时施加三维运动，PID控制系统对截断点处的测量信息和被截断系泊线数值模拟信息进行处理，对截断点达到测量+反馈+控制的闭环控制实现对系泊模型的主动截断式控制试验；

模型试验部分包括固定在地面上的第一支架、第二支架和固定铁块，第一支架上设置有一对X轴向槽道一，每个X轴向槽道一的端部设置有X轴向驱动缸一，两个X轴向驱动缸一的输出端共同连接有Y轴向槽道一，Y轴向槽道一的端部设置有Y轴向驱动缸一，Y轴向驱动缸一的输出端连接有Z轴向驱动缸一，Z轴向驱动缸一的输出端设置有连接板，连接板的两端对称设置有拉力传感器，

所述第二支架上设置有一对X轴向槽道二，每个X轴向槽道二的端部设置有X轴向驱动缸二，两个X轴向驱动缸二的输出端共同连接有Y轴向槽道二，Y轴向槽道二的端部设置有Y轴向驱动缸二，Y轴向驱动缸二的输出端连接有Z轴向驱动缸二，Z轴向驱动缸二的输出端设置有位移传感器，两个拉力传感器中的一个拉力传感器通过全水深系泊线与固定铁块连接、另一个拉力传感器通过截断全水深系泊线与位移传感器连接。

2.根据权利要求1所述的一种空气中主动控制系泊试验装置，其特征在于：还包括电源、与电源连接的计算机、同时与电源和计算机连接的数据采集与处理器，X轴向驱动缸一、Y轴向驱动缸一、Z轴向驱动缸一、X轴向驱动缸二、Y轴向驱动缸二、Z轴向驱动缸二、拉力传感器、位移传感器连接分别与数据采集与处理器连接。

3.根据权利要求1或2所述的一种空气中主动控制系泊试验装置，其特征在于：第一支架和第二支架均是可升降的支架结构。

4.根据权利要求1或2所述的一种空气中主动控制系泊试验装置，其特征在于：所述X轴向驱动缸一、Y轴向驱动缸一、Z轴向驱动缸一、X轴向驱动缸二、Y轴向驱动缸二、Z轴向驱动缸二均是液压缸。

5.根据权利要求3所述的一种空气中主动控制系泊试验装置，其特征在于：所述X轴向驱动缸一、Y轴向驱动缸一、Z轴向驱动缸一、X轴向驱动缸二、Y轴向驱动缸二、Z轴向驱动缸二均是液压缸。