CN108646798A - 一种基于切换控制系统的海洋平台振动控制策略 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于切换控制系统的海洋平台振动控制策略，针对基于APTMD的海洋平台设计切换控制策略，主要包括：在计算机数字采样下的切换振动控制，含不完全传感器测量数据的切换振动控制，含参数不确定的切换振动控制，含输入时延的切换振动控制以及多目标切换振动控制，并以海洋平台为研究对象，设计海洋平台—APTMD结构模型在波浪力、风力、地震波等环境激励下的振动台试验，研究主动与被动切换振动控制的减振效果，验证切换系统理论应用于海洋平台振动控制的合理性和有效性。

Description

一种基于切换控制系统的海洋平台振动控制策略

技术领域

本发明涉及一种基于切换控制系统的海洋平台振动控制策略，属于海洋平台振动控制领域。

背景技术

当前世界能源危机日益严重，石油资源供求将长期偏紧。从1993年开始，我国石油产品处于供不应求状态。而且进入21世纪以后，随着我国国民经济的快速发展，我国石油产品的对外依存度不断增加，这一现状迫使我们尽一切办法寻找更多的石油，如今海上油田开采比例明显增加。海洋平台作为海洋油气资源开发的基础性设施，自1947年墨西哥Couissana海域建造第一座钢制海洋石油开采平台以来，世界上已建造近6000座海洋石油开采平台。我国自20世纪60年代起开始在渤海勘探和开发海上石油以来，目前已建成海洋平台100余座。随着我国渤海油田的大开发，还有大量海洋平台将要建造。

大型柔性海洋平台一般表现为以下特征：(1)固有频率低；(2)本质上的分布参数系统，具有强耦合性和非线性；(3)结构复杂，参数易变，所受外载荷具有不确定性。海洋平台作为海洋资源开发的基础性设施、海洋生产生活的基地，会受到风、浪、流、冰和地震等环境载荷的作用。海洋平台结构造价昂贵、失效后果严重，其运行安全状况受到了人们的普遍关注。

海洋平台的冰激振动控制属于大型结构的振动控制，对控制装置的要求是需要提供很大的控制力，同时需要考虑到在环境作用下有很高的可靠性能。目前采用的结构控制方法主要分为被动控制，主动控制和半主动控制。被动控制系统指所有的振动结构消耗能量都是通过内力、摩擦、裂纹和塑性变形等等来实现的，其中包括调谐质量阻尼器(TMD)。主动控制系统是基于某种控制算法由采集的输入或(和)输出信息来确定控制力，并由驱动器借助外界能源将控制力施加于结构上以达到减振的目的，其中包括主动质量阻尼系统(AMD)。半主动控制系统是指利用控制机构来主动调节结构内部的参数，使结构参数处于最优状态，所需的外部能量比控制力型小得多。比起主动控制，结构性能可变性主动控制更容易实施而且更为经济，但仍具有主动控制的缺点。

将切换控制的思想引入海洋平台的振动控制中，可以使主动控制和被动控制协调起来共同工作，这种控制系统充分利用了被动控制与主动控制各自的优点，它既可以通过被动控制系统大量耗散振动能量，有可以利用主动控制系统来保证控制效果，比单纯的主动控制能节省大量的能量。因此，本发明提出了一种基于切换控制系统的海洋平台振动控制策略。

发明内容

针对上述问题，提出的具体技术方案如下：

一种基于切换控制系统的海洋平台振动控制策略，其特征在于,包括以下步骤：

步骤1：使用主动-被动复合调谐质量阻尼器(APTMD)对海洋平台振动进行控制并采用在AMD和TMD间进行切换的振动控制策略；

步骤2：切换律准则研究；

步骤3：在计算机数字采样下切换振动控制；

步骤4：含不完全传感器测量数据的切换振动控制；

步骤5：含不确定参数的切换振动控制；

步骤6：含输入时延的切换振动控制；

步骤7：多目标的切换振动控制；

步骤8：海洋平台主动与被动切换振动控制。

更进一步的，所述步骤1具体为：当有输入到作动器时，APTMD控制结构表现为一个AMD，当作动器输入为0时则表现为一个TMD；可以通过作动器的控制输入信号来控制AMD和TMD之间的切换，实现主动与被动切换振动控制。

更进一步的，所述步骤2具体为：从能量角度和Lyapunov函数角度设计控制率，如下：

动力学模型为：

上式中，位移x₂＝lθ，刚度k₂是由摆长l、质量m₂和重力加速度g导出的，即k₂＝m₂g/l，u是给执行器的输入力矩，是地震加速度。

基于振动结构的动力学模型设计切换控制律：

上式中δ_k和δ_m分别代表动能和机械能的阈值；

M:＝diag[m₁ m₂]∈R^2×2，K:＝diag[k₁ k₂]∈R^2×2

依据Lyapunov函数设计切换律：

在主动质量阻尼系统(AMD)和被动质量阻尼系统(TMD)都稳定且它们各自的Lyapunov函数的导数均由状态向量x和地震扰动计算所得的情况下，比较两者的值，选择其中小的一个作为控制律；

选取AMD的Lyapunov函数为V_AMD＝x^TPx，其中P＞0是黎卡提方程(A^TP+PA-PBR^-1B^TP+Q＝0)的正定解，定义P_L＞0为TMD系统矩阵的Lyapunov方程解，其权重矩阵为Q，导出状态反馈控制律；TMD和AMD的Lyapunov函数的导数分别为：

上式中W代表状态空间表示中的扰动矩阵；得出和中更小的一个具有较快的收敛速度；

根据动能P_L(K.E.)的导数和机械能P_L(M.E.)的导数来选择：

通过使用线性矩阵不等式(LMI)可以导出一般Lyapunov函数满足x^TP_commonx＞0；

上式中，A和A-BR^-1B^TP分别表示TMD和AMD的系统状态矩阵，求解LMI可得一般的Lyapunov函数。

更进一步的，所述步骤4具体为：

考虑如下线性定常系统：

上式中x∈Rⁿ是系统的状态，w∈R^l是干扰，A,B,D是适当维数的系统矩阵，设{t_i},i∈{1,2,...}为采样时刻序列，当传感器含有数据丢失时，状态反馈控制可以表示如下：

u(t_k)＝γ_kKx(t_k)

上式中中γ_k是服从伯努利分布的0,1随机序列，且满足

Prob{γ_k＝1}＝E{γ_k}＝β，Prob{γ_k＝0}＝1-E{γ_k}＝1-β

这样闭环系统变为

由于随机变量γ_k的存在，得出该系统是一个随机系统；

对于系统，考虑如下测量数据丢失问题：

u(t_k)＝Ξ_kKx(t_k)

上式中Ξ_k＝diag{γ_1k,...,γ_nk}，γ_ik服从伯努利分布，均值为β_i，方差为

本发明有如下积极技术效果：

1)本发明将切换系统理论应用于海洋平台振动控制研究，结合主动与被动两种振动控制的优点，是一种新型的振动控制策略，有望提高海洋平台的振动抑制效果。

2)与主动控制策略相比，切换振动控制可以极大程度上的节约能量，通过设计合理的切换控制率，达到预期的控制效果。

研究在计算机数字采样下的、含参数不确定以及含输入时延的切换控制问题，充分考虑了海洋平台的实际运行情况。

附图说明

图1为本发明海总体设计框图

图2为本发明数字采样控制框图

图3为本发明振动系统结构框图

图4为本发明APTMD切换振动控制试验系统结构框图

具体实施方式

下面结合附图具体说明如何实施。

1.基于APTMD的海洋平台振动控制系统

图3为基于APTMD的海洋平台振动控制系统，包括主动质量阻尼器和被动质量阻尼器，其表现出不同的控制性能，主动质量阻尼器对于风和小地震引起的结构振动具有较好的振动抑制效果，相反地，对于大地震被动质量阻尼器更有效。因此，采用主动-被动复合调谐质量阻尼器(APTMD)对海洋平台振动进行控制，提出了在AMD和TMD间进行切换的振动控制策略，具体表现为：当有输入到作动器时，这种APTMD控制结构表现为一个AMD，当作动器输入为0时则表现为一个TMD。因此可以通过作动器的控制输入信号来控制AMD和TMD之间的切换，实现主动与被动切换振动控制。

2.切换律准则研究

考虑到主动振动控制与被动振动控制都能使海洋平台的振动能量衰减下来，从而达到抑制振动的目的。这里的控制目标是使平台振动快速地被抑制住，即海洋平台的振动能量快速地衰减。为此，分别从能量角度和Lyapunov函数角度设计控制率，具体操作如下：

图3的动力学模型为：

其中位移x₂＝lθ，刚度k₂是由摆长l、质量m₂和重力加速度g导出的，即k₂＝m₂g/l，u是给执行器的输入力矩，是地震加速度。

依据能量设计切换律：

当动力学或机械能量小于某一个阈值时，启动主动质量阻尼系统(AMD)，而当能量大于某一个阈值时，启动被动质量阻尼系统(TMD)，因为主动质量阻尼系统在大地震时表现不明显。基于振动结构的动力学模型设计切换控制律：

其中δ_k和δ_m分别代表动能和机械能的阈值，由实际情况决定。M:＝diag[m₁m₂]∈R^2×2，K:＝diag[k₁k₂]∈R^2×2。

依据Lyapunov函数设计切换律：

选择黎卡提方程的正定解的二次型作为主动控制律。Lyapunov函数的导数作为切换的影响因子。在主动质量阻尼系统(AMD)和被动质量阻尼系统(TMD)都稳定且它们各自的Lyapunov函数的导数均由状态向量x和地震扰动计算所得的情况下，比较两者的值，选择其中小的一个作为控制律，这种情况下就不存在类似于(2)中的误差区间了。

选取AMD的Lyapunov函数为V_AMD＝x^TPx，其中P＞0是黎卡提方程(A^TP+PA-PBR^-1B^TP+Q＝0)的正定解，用于状态反馈控制。定义P_L＞0为TMD系统矩阵的Lyapunov方程解，其权重矩阵为Q，用来导出状态反馈控制律。TMD和AMD的Lyapunov函数的导数分别为：

其中W代表状态空间表示中的扰动矩阵。比较和其中更小的一个具有较快的收敛速度。

在机械系统中，能量函数也是Lyapunov函数的候选函数之一，因此，另外一种切换方法是根据动能P_L(K.E.)的导数和机械能P_L(M.E.)的导数来选择。

在切换控制中，考虑系统的稳定性是非常必要的。如果一般的Lyapunov函数可以导出TMD和AMD，那么切换控制系统的稳定性就能够得以证明。事实上，通过使用线性矩阵不等式(LMI)可以导出一般Lyapunov函数满足x^TP_commonx＞0。

其中，A和A-BR^-1B^TP分别表示TMD和AMD的系统状态矩阵。通过求解LMI可以得到一个一般的Lyapunov函数。

3.在计算机数字采样下的切换振动控制

在海洋平台实际系统中，计算机通常被用来采用和量化一个连续时间信号，进而把它转换成离散信号，作为输入控制信号，再通过零阶保持器又将其转化为连续时间信号其框图如图2所示。

该问题的控制难点在于系统同时包含连续时间信号和离散时间信号，传统的控制方法往往十分受限。输入时延方法是采样控制问题常采用的处理方法，该方法是将采样系统转化为一个时变时滞的连续时间系统，然后利用连续时间系统的研究方法设计控制器。

4.含不完全传感器测量数据的切换振动控制

海洋平台的状态观测是通过传感器网络实现的，传感器测量数据不完全或丢失问题是网络控制中普遍存在的问题，测量数据不完全或丢失可能造成海洋平台振动控制系统性能下降甚至导致振动一直完全失效。考虑如下线性定常系统：

其中x∈Rⁿ是系统的状态，w∈R^l是干扰，A,B,D是适当维数的系统矩阵，设{t_i},i∈{1,2,...}为采样时刻序列，当传感器含有数据丢失时，状态反馈控制可以表示如下

u(t_k)＝γ_kKx(t_k) (10)

其中γ_k是服从伯努利分布的0,1随机序列，且满足

Prob{γ_k＝1}＝E{γ_k}＝β，Prob{γ_k＝0}＝1-E{γ_k}＝1-β

这样闭环系统变为

由于随机变量γ_k的存在，因此该系统是一个随机系统。

由于实际系统中，传感器网络包含众多传感器，由于传感器的种类、参数和所处环境存在差异，可能导致传感器对不同测量状态的丢失率不同，此外，传感器测量的数据可能是部分丢失的(非绝对的全丢失或全未丢失)，即传感器测量的数据是真实值的一部分，因此更一般地，对于系统(9)，考虑如下测量数据丢失问题

u(t_k)＝Ξ_kKx(t_k) (12)

其中Ξ_k＝diag{γ_1k,...,γ_nk}，γ_ik服从伯努利分布，均值为β_i，方差为

综合随机系统的处理方法可解决含传感器测量数据不完全或丢失的海洋平台切换振动控制问题。

5.含参数不确定的切换振动控制

模型和参数的不确定性是实际工程中普遍存在的一种现象。海洋平台振动控制系统的不确定性主要来自以下几个方面：(1)海洋平台结构的几何尺寸的不确定性；(2)海洋平台结构的材料特性和物理参数的不确定性，如结构的弹性模量、质量密度、阻尼比、摩擦系数、强度、泊松比、疲劳极限等参数具有不确定性；(3)海洋平台载荷的不确定性，即由于海洋平台所处环境的动荷载、风力荷载、波浪力荷载、冰荷载、地震力等都会随年份、季节、时间的变化存在不同程度的不确定性；(4)对海洋平台计算模型的简化。

有关以上海洋平台振动控制系统中存在的不确定性，虽然多数情况下这些误差或不确定性很好，但是累加在一起就可能对结构的整体状态产生比较大的影响，可以融合鲁棒控制的思想来设计控制律使其达到抑制效果。

6.含输入时延的切换振动控制

输入时延问题是振动控制中普遍存在的问题，在主动与被动切换振动控制中也不可避免。对于采用状态反馈的海洋平台振动控制问题，时延最终表现为状态时延，因此可以采用切换时滞系统的研究方法来解决该问题。

7.多目标切换振动控制

为了使海洋平台振动控制效果更好，往往需要考虑如下几个控制目标：

(1)要求由外界载荷力的干扰输入到平台加速度输出，不论是时域还是频域，越小越好。

(2)提高海洋平台对外界载荷干扰的抑制能力。

(3)克服执行机构饱和所带来的硬约束。

结合已有的H₂和H_∞控制理论可以实现目标(1)和(2)，借鉴现有公开发表的有关饱和控制的研究方法可实现目标(3)，从而提高海洋平台振动控制的效果。

8.海洋平台主动与被动切换振动控制试验研究

海洋平台基于APTMD的切换振动控制试验系统由以下几部分组成：海洋平台结构模型、振动台、能源(电源和/或油泵)、ATMD控制装置、传感器、数据采集与存储系统、控制器及有关的软件组成。其中，数据采集与存储系统和控制器分别采用PC机，APTMD控制装置包括惯性质量、作动器、刚度元件和阻尼元件以及其他机械元件。试验系统的软件包括数据采集与传输软件(安装在数据采集C机内)、控制算法软件、控制器驱动作动器软件(安装在控制器PC机内)，上述软件可以采用Matlab、C语言、Basic或宏语言编写。控制算法软件安装在控制器内，它可以根据海洋平台的反应与切换律设计准则计算出切换信号，即确定APTMD下一时刻的工作状态是AMD还是TMD，并计算出APTMD的驱动力和相应的驱动电压(TMD工作下驱动电压为0)，然后由安装在控制器内的驱动软件驱动电源将该电压施加在APTMD控制装置的作动器的伺服系统上。海洋平台基于APTMD的切换振动控制试验系统的结构框图如图4所示。

APTMD切换振动控制试验中的控制过程是：首先，由加速度传感器测量海洋平台的反应，并将其传输至DSP信号处理器；其次，DSP将加速度模拟信号转变为数字信号，并分别将海洋平台传输至数据采集与存储PC机和控制器PC机内，在控制器内，该加速度信号经过积分和滤波，得到结构的位移反应和速度反应，并按照设定的算法计算出APTMD系统的驱动力；第三，根据作动器伺服阀特性，驱动力信号经D/A转换为电压信号，并由控制器驱动APTMD系统的电机，给海洋平台施加作用力，从而控制海洋平台的反应。

Claims (4)

1.一种基于切换控制系统的海洋平台振动控制策略，其特征在于,包括以下步骤：

步骤1：使用主动-被动复合调谐质量阻尼器(APTMD)对海洋平台振动进行控制并采用在AMD和TMD间进行切换的振动控制策略；

步骤2：切换律准则研究；

步骤3：在计算机数字采样下切换振动控制；

步骤4：含不完全传感器测量数据的切换振动控制；

步骤5：含不确定参数的切换振动控制；

步骤6：含输入时延的切换振动控制；

步骤7：多目标的切换振动控制；

步骤8：海洋平台主动与被动切换振动控制。

2.根据权利要求1所述的一种基于切换控制系统的海洋平台振动控制策略，其特征在于：所述步骤1具体为：当有输入到作动器时，APTMD控制结构表现为一个AMD，当作动器输入为0时则表现为一个TMD；可以通过作动器的控制输入信号来控制AMD和TMD之间的切换，实现主动与被动切换振动控制。

3.根据权利要求1所述的一种基于切换控制系统的海洋平台振动控制策略，其特征在于：所述步骤2具体为：从能量角度和Lyapunov函数角度设计控制率，如下：

动力学模型为：

上式中，位移x₂＝lθ，刚度k₂是由摆长l、质量m₂和重力加速度g导出的，即k₂＝m₂g/l，u是给执行器的输入力矩，是地震加速度。

基于振动结构的动力学模型设计切换控制律：

上式中δ_k和δ_m分别代表动能和机械能的阈值；

M:＝diag[m₁ m₂]∈R^2×2，K:＝diag[k₁ k₂]∈R^2×2

依据Lyapunov函数设计切换律：

在主动质量阻尼系统(AMD)和被动质量阻尼系统(TMD)都稳定且它们各自的Lyapunov函数的导数均由状态向量x和地震扰动计算所得的情况下，比较两者的值，选择其中小的一个作为控制律；

选取AMD的Lyapunov函数为V_AMD＝x^TPx，其中P＞0是黎卡提方程(A^TP+PA-PBR^-1B^TP+Q＝0)的正定解，定义P_L＞0为TMD系统矩阵的Lyapunov方程解，其权重矩阵为Q，导出状态反馈控制律；TMD和AMD的Lyapunov函数的导数分别为：

上式中W代表状态空间表示中的扰动矩阵；得出和中更小的一个具有较快的收敛速度；

根据动能P_L(K.E.)的导数和机械能P_L(M.E.)的导数来选择：

通过使用线性矩阵不等式(LMI)可以导出一般Lyapunov函数满足x^TP_commonx＞0；

上式中，A和A-BR^-1B^TP分别表示TMD和AMD的系统状态矩阵，求解LMI可得一般的Lyapunov函数。

4.根据权利要求1所述的一种基于切换控制系统的海洋平台振动控制策略，其特征在于：所述步骤4具体为：

考虑如下线性定常系统：

上式中x∈Rⁿ是系统的状态，w∈R^l是干扰，A,B,D是适当维数的系统矩阵，设{t_i},i∈{1,2,...}为采样时刻序列，当传感器含有数据丢失时，状态反馈控制可以表示如下：

u(t_k)＝γ_kKx(t_k)

上式中中γ_k是服从伯努利分布的0,1随机序列，且满足

Prob{γ_k＝1}＝E{γ_k}＝β，Prob{γ_k＝0}＝1-E{γ_k}＝1-β

这样闭环系统变为

由于随机变量γ_k的存在，得出该系统是一个随机系统；

对于系统，考虑如下测量数据丢失问题：

u(t_k)＝Ξ_kKx(t_k)

上式中Ξ_k＝diag{γ_1k,...,γ_nk}，γ_ik服从伯努利分布，均值为β_i，方差为