CN109025843B - 针对海洋柔性立管系统在确定负载下的三维振动抑制方法 - Google Patents

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    • E21B17/1078—Stabilisers or centralisers for casing, tubing or drill pipes

Abstract

本发明公开了针对海洋柔性立管系统在确定负载下的三维振动抑制方法，该方法包括：建立海洋柔性立管系统的三维动力学模型；根据三维动力学模型，设计在确定负载下的边界控制器；获得海洋柔性立管系统的实时参数；根据边界控制器和实时参数，向驱动装置发送控制命令，以使驱动装置对柔性立管施加作用力，以抑制立管振动。采用本发明技术方案能在确定负载的情况下，实现对柔性海洋立管系统的三维振动抑制。

Description

针对海洋柔性立管系统在确定负载下的三维振动抑制方法
技术领域
本发明涉及自动控制技术领域，尤其涉及针对海洋柔性立管系统在确定负载下的三维振动抑制方法。
背景技术
海洋柔性立管作为海底油井与海平面上石油钻井平台间的连接装置，是整个海洋油气田开发中的生命线工程。当海洋柔性立管运输石油的过程中，在内流(管内流体)和海流的共同耦合作用下，不可避免地将产生立振动形变。过多的振动将严重影响柔性立管系统的性能，降低立管的使用寿命，甚至可能使立管疲劳破损，造成严重的经济损失与环境污染。因此，对柔性海洋立管系统的振动进行抑制对深海油气开发有着重要意义。
为了抑制海洋立管的振动，大量专家与学者对柔性海洋立管振动问题进行了研究。目前对海洋立管的研究主要包括被动控制和主动控制。被动控制仅局限于机械结构与材料属性的优化，这种控制方式并不能从根本上解决立管的振动问题；主动控制则是设计控制器来抑制海洋立管的振动，这种控制方式的控制效果较为显著。然而，在所有主动控制方案中，控制器设计都仅仅局限于一个垂直平面上，即只对立管横向振动进行控制。而在实际海洋环境中，立管的振动是在三维空间的。因此，对海洋柔性立管系统进行三维空间上的主动控制研究对深海油气开发具有现实意义。
发明内容
本发明实施例提出针对海洋柔性立管系统在确定负载下的三维振动抑制方法，在确定负载的情况下，实现对柔性海洋立管系统的三维振动抑制。
本发明实施例提供针对海洋柔性立管系统在确定负载下的三维振动抑制方法，包括：
建立海洋柔性立管系统的三维动力学模型；
根据所述三维动力学模型，设计在确定负载下的边界控制器；其中，所述三维动力学模型用于分析所述海洋柔性立管系统；
获得所述海洋柔性立管系统的实时参数；
根据所述边界控制器和所述实时参数，向驱动装置发送控制命令，以使所述驱动装置对柔性立管施加作用力，以抑制立管振动。
进一步的，所述海洋柔性立管系统的三维动力学模型包括：立管的动能、势能、作用在立管上的总功、控制方程和边界条件；
其中，定义L为立管的长度，x(s,t)，y(s,t)和z(s,t)分别为X，Y，Z方向上在t时刻的横向、纵向和轴向偏移量，s和t分别为位移和时间变量；dx(t)、dy(t)、dz(t)分别为在X、Y、Z方向上位于顶部有效载荷的未知时变边界扰动；fx(t)、fy(t)、fz(t)分别为在X、Y、Z方向上沿着立管的未知分布式海流负载；ux(t)、uy(t)、uz(t)分别为在X、Y、Z方向上位于立管顶部有效载荷的控制器的控制输入；
则所述立管的Ek(t)动能为：
Figure GDA0002366165850000031
其中，M为有效载荷的质量；ρ为柔性海洋立管的密度；
所述势能Ep(t)为：
Figure GDA0002366165850000032
其中，EA为立管轴向刚度，T为拉力；
所述作用在立管上的总功δW(t)为：δW(t)＝δWf+δWm(t)；其中，δWf为外界干扰和时变洋流对立管所做虚功；δWm(t)为控制器对柔性立管系统做的虚功；
当
Figure GDA0002366165850000033
时，所述边界条件为：
x(0，t)＝y(0，t)＝z(0，t)＝0；
x″(0，t)＝y″(0，t)＝z″(0，t)＝0；
x″(L，t)＝y″(L，t)＝z″(L，t)＝0；
Figure GDA0002366165850000034
Figure GDA0002366165850000035
Figure GDA0002366165850000036
进一步的，所述边界控制器使用以下控制律：
Figure GDA0002366165850000037
其中，k1，k2，k3为正权重小常数；sgn为符号函数。
进一步的，在所述根据所述三维动力学模型，设计在确定负载下的边界控制器之后，还包括：
通过Lyapunov函数，验证所述边界控制器的稳定性。
进一步的，所述通过Lyapunov函数，验证所述边界控制器的稳定性，具体为：
定义Lyapunov函数V(t)＝V1(t)+V2(t)+V3(t)；
其中，V1(t)为能量项，V2(t)为交叉项，V3(t)为附加项；
Figure GDA0002366165850000041
Figure GDA0002366165850000042
Figure GDA0002366165850000043
α，β是正常数；
则通过验证以下不等式来确定所述边界控制器的稳定性：
Figure GDA0002366165850000044
进一步的，所述获得所述海洋柔性立管系统的实时参数，具体为：
获取立管顶端的激光位移传感器测量的x(L，t)，y(L，t)，z(L，t)；
获取倾角计测量的x′(L，t)，y′(L，t)，z′(L，t)；
获取加速度计测量的
Figure GDA0002366165850000051
对x(L，t)，y(L，t)，z(L，t)进行后向差分算法计算得到
Figure GDA0002366165850000052
实施本发明实施例，具有如下有益效果：
本发明实施例提供的针对海洋柔性立管系统在确定负载下的三维振动抑制方法，在确定负载的情况下，对海洋柔性立管系统进行三维耦合动力学分析，通过边界控制实现对柔性海洋立管系统的三维振动抑制，所需的传感器少，工程量小且实用性高。
附图说明
图1是本发明提供的针对海洋柔性立管系统的三维振动抑制方法的一种实施例的流程示意图；
图2是本发明提供的柔性海洋立管系统模型的一种实施例的示意图；
图3是本发明提供的未施加控制时柔性立管X方向振动幅值的一种实施例的分析示意图；
图4是本发明提供的未施加控制时柔性立管Y方向振动幅值的一种实施例的分析示意图；
图5是本发明提供的施加控制后柔性立管Z方向振动幅值的一种实施例的分析示意图；
图6是本发明提供的施加控制后柔性立管X方向振动幅值的一种实施例的分析示意图；
图7是本发明提供的施加控制后柔性立管Y方向振动幅值的一种实施例的分析示意图；
图8是本发明提供的未施加控制时柔性立管Z方向振动幅值的一种实施例的分析示意图；
图9是本发明提供的输入控制的一种实施例的控制示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
参见图1，是本发明提供的针对海洋柔性立管系统的三维振动抑制方法的一种实施例的流程示意图，该方法包括步骤101至步骤104，各步骤具体如下：
步骤101：建立海洋柔性立管系统的三维动力学模型。
在本实施例中，参见图2，图2是本发明提供的柔性海洋立管系统模型的一种实施例的示意图。本发明的柔性海洋立管系统的三维动力学模型包括：立管的动能、势能、作用在立管上的总功、控制方程和边界条件。
其中，定义L为立管的长度，x(s，t)，y(s，t)和z(s，t)分别为X，Y，Z方向上在t时刻的横向、纵向和轴向偏移量，s和t分别为位移和时间变量；dx(t)、dy(t)、dz(t)分别为在X、Y、Z方向上位于顶部有效载荷的未知时变边界扰动；fx(t)、fy(t)、fz(t)分别为在X、Y、Z方向上沿着立管的未知分布式海流负载；ux(t)、uy(t)、uz(t)分别为在X、Y、Z方向上位于立管顶部有效载荷的控制器的控制输入；
则所述立管的Ek(t)动能为：
Figure GDA0002366165850000071
其中，M为有效载荷的质量；ρ为柔性海洋立管的密度；
所述势能Ep(t)为：
Figure GDA0002366165850000072
其中，EA为立管轴向刚度，T为拉力；
所述作用在立管上的总功δW(t)为：δW(t)＝δWf+δWm(t)；其中，δWf为外界干扰和时变洋流对立管所做虚功；δWm(t)为控制器对柔性立管系统做的虚功；
外界干扰和时变洋流对立管所做虚功为：
Figure GDA0002366165850000073
控制器对柔性立管系统做的虚功表示为：
δWm(t)＝ux(t)δx(L，t)+uy(t)δy(L，t)+uz(t)δz(L，t)；
所述控制方程为：
Figure GDA0002366165850000081
Hamilton原理可以表示为：
Figure GDA0002366165850000082
其中：δ为变分操作符，t1和t2是两个时刻点，t1～t2为操作间隔时间段。
所述控制方程为：
Figure GDA0002366165850000083
当
Figure GDA0002366165850000088
时，所述边界条件为：
x(0，t)＝y(0，t)＝z(0，t)＝0；
x″(0，t)＝y″(0，t)＝z″(0，t)＝0；
x″(L，t)＝y″(L，t)＝z″(L，t)＝0；
Figure GDA0002366165850000084
Figure GDA0002366165850000085
Figure GDA0002366165850000086
步骤102：根据三维动力学模型，设计在确定负载下的边界控制器；其中，三维动力学模型用于分析所述海洋柔性立管系统。
在本实施例中，边界控制器使用以下控制律：
Figure GDA0002366165850000087
其中，k1，k2，k3为正权重小常数；sgn为符号函数。
作为本实施例的一种举例，在设计完边界控制器后，通过Lyapunov函数，验证边界控制器的稳定性，具体为：
定义Lyapunov函数V(t)＝V1(t)+V2(t)+V3(t)；
其中，V1(t)为能量项，V2(t)为交叉项，V3(t)为附加项；
Figure GDA0002366165850000091
Figure GDA0002366165850000092
Figure GDA0002366165850000093
α，β是正常数；
则通过验证以下不等式来确定所述边界控制器的稳定性：
Figure GDA0002366165850000094
步骤103：获得海洋柔性立管系统的实时参数。
在本实施例中，步骤103具体为：获取立管顶端的激光位移传感器测量的x(L，t)，y(L，t)，z(L，t)；获取倾角计测量的x′(L，t)，y′(L，t)，z′(L，t)；获取加速度计测量的
Figure GDA0002366165850000095
对x(L，t)，y(L，t)，z(L，t)进行后向差分算法计算得到
Figure GDA0002366165850000101
步骤104：根据边界控制器和实时参数，向驱动装置发送控制命令，以使驱动装置对柔性立管施加作用力，以抑制立管振动。
在本实施例中，步骤104具体为根据实时参数和控制律公式，获得t时刻的边界控制律，驱动装置根据边界控制律向柔性立管施加作用力，以抑制立管振动。
为了更好的说明本发明技术方案的效果，参见图3至图9，其中，图3至图5分别是未施加控制时柔性立管X、Y、Z方向振动幅值分析示意图。图6至图8分别是施加控制后立管X、Y、Z方向振动幅值分析示意图。图9是本发明的输入控制示意图。比较上述效果图可知，在没有本发明的控制时，振动幅值较大，在加入本发明的控制时，振动幅值减小，抑制振动的效果显著。
由上可见，本发明实施例提供的针对海洋柔性立管系统在确定负载下的三维振动抑制方法，在确定负载的情况下，对海洋柔性立管系统进行三维耦合动力学分析，通过边界控制实现对柔性海洋立管系统的三维振动抑制，所需的传感器少，工程量小且实用性高。
本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例方法中的全部或部分流程，是可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成，所述的程序可存储于一计算机可读取存储介质中，该程序在执行时，可包括如上述各方法的实施例的流程。其中，所述的存储介质可为磁碟、光盘、只读存储记忆体(Read-Only Memory，ROM)或随机存储记忆体(Random AccessMemory，RAM)等。
以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种针对海洋柔性立管系统在确定负载下的三维振动抑制方法，其特征在于，包括：
建立海洋柔性立管系统的三维动力学模型；
根据所述三维动力学模型，设计在确定负载下的边界控制器；其中，所述三维动力学模型用于分析所述海洋柔性立管系统；
获得所述海洋柔性立管系统的实时参数；
根据所述边界控制器和所述实时参数，向驱动装置发送控制命令，以使所述驱动装置对柔性立管施加作用力，以抑制立管振动；
其中，所述海洋柔性立管系统的三维动力学模型包括：立管的动能、势能、作用在立管上的总功、控制方程和边界条件；
其中，定义L为立管的长度，x(s,t)，y(s,t)和z(s,t)分别为X，Y，Z方向上立管位于s位置处在t时刻的横向、纵向和轴向偏移量，s和t分别为位移和时间变量；dx(t)、dy(t)、dz(t)分别为在X、Y、Z方向上位于立管顶部有效载荷的未知时变边界扰动；fx(t)、fy(t)、fz(t)分别为在X、Y、Z方向上沿着立管的未知分布式海流负载；ux(t)、uy(t)、uz(t)分别为在X、Y、Z方向上位于立管顶部有效载荷的控制器的控制输入；
则所述立管的Ek(t)动能为：
Figure FDA0002392613610000011
其中，M为有效载荷的质量；ρ为柔性海洋立管的密度；
所述势能Ep(t)为：
Figure FDA0002392613610000021
其中，EA为立管轴向刚度，T为拉力；
所述作用在立管上的总功δW(t)为：δW(t)＝δWf+δWm(t)；其中，δWf为外界干扰和时变洋流对立管所做虚功；δWm(t)为控制器对柔性立管系统做的虚功；
当
Figure FDA0002392613610000022
时，所述边界条件为：
x(0,t)＝y(0,t)＝z(0,t)＝0；
x″(0,t)＝y″(0,t)＝z″(0,t)＝0；
x″(L,t)＝y″(L,t)＝z″(L,t)＝0；
Figure FDA0002392613610000023
Figure FDA0002392613610000024
Figure FDA0002392613610000025
2.根据权利要求1所述的针对海洋柔性立管系统在确定负载下的三维振动抑制方法，其特征在于，所述边界控制器使用以下控制律：
Figure FDA0002392613610000026
其中，k1,k2,k3为正权重小常数；sgn为符号函数。
3.根据权利要求2所述的针对海洋柔性立管系统在确定负载下的三维振动抑制方法，其特征在于，在所述根据所述三维动力学模型，设计在确定负载下的边界控制器之后，还包括：
通过Lyapunov函数，验证所述边界控制器的稳定性。
4.根据权利要求3所述的针对海洋柔性立管系统在确定负载下的三维振动抑制方法，其特征在于，所述通过Lyapunov函数，验证所述边界控制器的稳定性，具体为：
定义Lyapunov函数V(t)＝V1(t)+V2(t)+V3(t)；
其中，V1(t)为能量项，V2(t)为交叉项，V3(t)为附加项；
Figure FDA0002392613610000031
Figure FDA0002392613610000032
Figure FDA0002392613610000033
α，β是正常数；
则通过验证以下不等式来确定所述边界控制器的稳定性：
Figure FDA0002392613610000041
5.根据权利要求2所述的针对海洋柔性立管系统在确定负载下的三维振动抑制方法，其特征在于，所述获得所述海洋柔性立管系统的实时参数，具体为：
获取立管顶端的激光位移传感器测量的x(L,t),y(L,t),z(L,t)；
获取倾角计测量的x′(L,t),y′(L,t),z′(L,t)；
获取加速度计测量的
Figure FDA0002392613610000042
对x(L,t),y(L,t),z(L,t)进行后向差分算法计算得到
Figure FDA0002392613610000043
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