CN109029210B - 浮式海洋平台气隙测量系统及其方法 - Google Patents

浮式海洋平台气隙测量系统及其方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种浮式海洋平台气隙测量系统及其方法,所述测量系统包括固定板、底板和控制单元,固定板和底板之间设置有三根竖直控制杆:包括两根可调长度控制杆和一根固定长度控制杆,可调长度控制杆的两端与底板和固定板通过球铰连接,固定长度控制杆与固定板双向铰接连接、与底板垂直固定连接,底板的下方还设置有一与固定长度控制杆共线的波高仪固定杆,固定板和底板上均设置有姿态位移传感器;并通过对控制单元进行设计,通过姿态检测及前馈补偿,结合姿态‑位移转换等实现控制杆长度实时调节,保证底板始终处于水平状态,实现对真实气隙值的测量,在浮式平台模型试验及工程实践中具有较高应用价值。

Description

浮式海洋平台气隙测量系统及其方法
技术领域
本发明涉及一种浮式海洋平台气隙测量系统及其方法。
背景技术
随着我国海洋油气开采不断向南海深水海区进军,浮式平台(如半潜式平台、Spar平台、张力腿平台等)在我国的应用越来越广泛,其将迎来前所未有的发展机遇,同时也面临严峻的安全挑战。其中气隙(海洋平台下甲板底部与波浪表面的垂直距离)是深海浮式平台设计过程中的安全指标之一,也是浮式平台设计中需要重点考虑的要素之一。
气隙的设计与平台建造难度和成本直接相关:如果气隙设计过大,将导致海洋平台甲板高度增大、平台重心升高,稳性变差,设计、建造成本剧增;但如果气隙设计不够,在波浪的作用下将会产生甲板砰击或上浪现象,导致结构破坏甚至平台倾覆。因此,气隙响应的设计对于浮式平台而言十分重要。
由于气隙响应的强非线性特征,目前的数值计算方法模拟精度尚难以满足工程需求,模型试验或现场实测是气隙响应的重要研究手段。现阶段,模型试验或现场测试中对气隙的测量主要是采用直接在平台上固定波高仪的方法,但该方法存在以下缺陷:1)平台发生摇动后,甲板的目标测点和波面测点不再是竖直对应关系;2)测得的气隙是甲板目标测点和波面测点的斜向直线距离,并非垂向距离,导致气隙测量值偏大,结构设计存在安全隐患。
如何在模型试验或现场测试中实时得到浮式海洋平台真实、可靠的气隙响应数据,是目前本领域的主要障碍。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于针对现有直接在平台上固定波高仪进行气隙测量方法存在测点不对应、测量结果可靠性差的缺陷,提出一种浮式海洋平台气隙测量系统及其方法,能够精确测量平台甲板测点与其实时对应波面的垂向距离,即实现真实气隙的测量。
本发明是采用以下的技术方案实现的:一种浮式海洋平台气隙测量系统,包括固定板、底板及控制单元;
所述固定板与浮式平台固定连接,固定板和底板之间设置有三根竖直控制杆:包括一根固定长度控制杆和两根可调长度控制杆,三根竖直控制杆呈三角形排布;可调长度控制杆采用电动推杆,电动推杆的执行器与控制单元电连接,可调长度控制杆与固定板和底板之间均通过球铰连接,固定长度控制杆与固定板双向球铰连接、与底板固定连接,固定长度控制杆与固定板的连接节点即为气隙测量点;
所述底板的下方还设置有波高仪固定杆,所述波高仪固定杆与固定长度控制杆位于同一直线上、且与底板垂直,以保证波高仪与固定长度控制杆共线且垂直于底板;固定板和底板上均布设有与控制单元相连的姿态传感器,分别用以监测固定板和底板的倾斜状态,底板上还设置有气泡式水平仪,用以辅助调整底板的水平状态;
所述控制单元包括卡尔曼滤波器、执行器延迟前馈补偿单元、鲁棒控制器以及姿态-位移转换模块;所述卡尔曼滤波器与姿态位移传感器的输出端相连,以对检测的姿态信号进行降噪处理,获得真实的姿态数据;卡尔曼滤波器的输出依次经执行器延迟前馈补偿单元、鲁棒控制器与姿态-位移转换模块相连,通过数据解析获得两根可调长度控制杆的提前控制量,进而控制其对应的执行器实现可调长度控制杆的伸缩,实现对底板的实时水平状态控制。
进一步的,所述执行器延迟前馈补偿单元用以根据接收的卡尔曼滤波信号及系统动力分析模型建立史密斯补偿模型,以对电动推杆执行过程中的滞后性进行补偿;
所述系统动力分析模型根据底板与浮式平台的六自由度位移、速度和加速度参数建立,系统动力分析模型为:
式中,M、C、K是系统参数,分别为质量、阻尼和刚度矩阵,其中阻尼和刚度矩阵包括系泊系统的贡献;F为荷载向量,即系统所受风、浪、流等环境荷载;和X为系统运动学参数,分别为加速度、速度和位移向量;
所述史密斯补偿模型为:
P(s)=G0(s)-G0(s)e-st
其中,G0(s)为系统无延迟直接控制数值模型,G0(s)e-st为线性延迟模型的延迟量,t为延迟时间,P(s)为系统延迟控制的传递函数,通过补偿信号实时修正传感器检测和传输带来的控制性能下降,提高系统稳定余量。
进一步的,所述姿态-位移转换模块包括坐标系建立模块、控制杆实时长度分析模块、控制杆目标长度分析模块和控制杆调节量分析模块:
坐标系建立模块,用以建立大地坐标系O-XYZ、随体平动坐标系o-xyz、固定板局部坐标系和底板局部坐标系/>四套坐标系统,并做如下定义:
在初始时刻,四套坐标系统重合,坐标原点位于固定长度控制杆与固定板的连接节点处,坐标轴与固定板姿态传感器、底板姿态传感器的坐标轴对应同向;
在测量过程中,随体平动坐标系原点与固定板一起平动,但不发生任何转动,即随体平动坐标系的坐标轴始终与大地坐标系的对应坐标轴平行、同向;固定板局部坐标系随固定板一起平动和转动,底板局部坐标系随底板和固定长度控制杆一起平动和转动,固定板上姿态传感器的坐标轴和底板上姿态传感器的坐标轴分别与固定板局部坐标系、底板局部坐标系的三个坐标轴对应平行且同向;
控制杆实时长度分析模块,用以获得测量过程中某时刻t可调长度控制杆的实时长度,具体采用以下原理:
(1)根据已知固定长度控制杆的长度,确定初始时刻在随体平动坐标系中三根竖直控制杆分别与底板和固定板的各个连接节点的位置坐标;
(2)在测量过程中,对于某时刻t,通过固定板姿态传感器和底板姿态传感器检测数据分别确定固定板相对于随体平动坐标系的转角卡尔丹角(α111),以及底板相对于随体平动坐标系的转角卡尔丹角(α222);
(3)获得固定板局部坐标系和底板局部坐标系向随体平动坐标系的转换矩阵:
式中,c、s分别代表余弦函数cos和正弦函数sin;
(4)依据上述转换矩阵得到当前时刻各个连接节点在随体平动坐标系中的坐标,进而得到当前时刻t可调长度控制杆的长度l1(t)和l2(t);
控制杆目标长度分析模块,用以获得在底板始终保持水平状态下的可调长度控制杆目标长度,具体采用以下原理:
(1)底板需要通过调整两根可调长度控制杆的长度来达到目标水平状态,这个过程则认为底板做了如下两个转换:
1)绕固定板局部坐标系的轴旋转某一个角度,设为θ1,转换矩阵为:
2)绕底板局部坐标系的轴旋转某一个角度,设为θ2,转换矩阵为:
经过上述两次转动过程后,底板坐标系的轴竖直向上,与随体平动坐标系z轴方向相同,底板局部坐标系向随体平动坐标系的转换矩阵则为:
TB-V=(T2 -1Tm2)-1T1(T1 -1Tm1)-1
(2)基于转换矩阵TB-V的第三列为(0,0,1)T),可得到θ1、θ2,最终可求得TB-V
(3)根据转换矩阵TB-V即可得到底板处于水平状态时可调长度控制杆与底板的连接节点在随体平动坐标中的坐标,进而得到两根可调长度控制杆的目标长度L1(t)和L2(t);
控制杆调节量分析模块,用以根据控制杆实时长度分析模块和控制杆目标长度分析模块得到的结果,获得两根调长度控制杆对应执行器的调整长度:Δl1(t)=L1(t)-l1(t),Δl2(t)=L2(t)-l2(t)。
本发明另外还提出一种浮式海洋平台气隙测量方法,包括以下步骤:
步骤A、根据底板与浮式平台的运动学参数建立系统动力分析模型,所述运动学参数包括六自由度位移、速度和加速度参数:
其中,M、C、K是系统参数,分别为质量、阻尼和刚度矩阵,F为荷载向量,和X为系统运动学参数,分别为加速度、速度和位移向量;
根据姿态传感器实时采集底板与浮式海洋平台的姿态信息,基于系统动力分析模型进行不同激励条件下的数值模型分析,并建立系统输入-输出数据库,通过数据分析修正卡尔曼滤波器的结构和参数,保证卡尔曼滤波器收敛并实时获得噪声信号中的最优姿态估计值,平滑输出姿态滤波信号;
步骤B、在滤波信号的基础上结合上述系统动力分析模型,通过执行器延迟前馈补偿单元进行定长延迟前馈补偿,补偿信号实时修正姿态传感器检测和传输延迟误差,提高系统稳定裕量,同时通过上述动力分析模型预报系统未来时刻状态用于鲁棒控制器设计;
步骤C、通过数学建模分析确定姿态传感器信号传输时间延迟、动力分析模型对响应预报误差的上下界限,分析系统输出对边界范围内上述误差参数的敏感性分析,根据输出的敏感性设置不同参数权重,优化设计H控制器,控制输出在姿态-位移转换模块完成坐标变换后直接作用在对应的电动推杆执行器,以控制底板的运动,保持底板始终水平。
进一步的,所述步骤B中,通过执行器延迟前馈补偿单元进行定长延迟前馈补偿时,建立史密斯补偿模型进行补偿,所述史密斯补偿模型为:
P(s)=G0(s)-G0(s)e-st
其中,G0(s)为系统无延迟直接控制数值模型,G0(s)e-st为线性延迟模型的延迟量,t为延迟时间,P(s)为系统延迟控制的传递函数,通过补偿信号实时修正传感器检测和传输带来的控制性能下降,提高系统稳定余量。
进一步的,所述步骤C中,姿态-位移转换模块进行坐标变换时采用如下方式:
步骤C1、建立坐标系:建立大地坐标系O-XYZ、随体平动坐标系o-xyz、固定板局部坐标系和底板局部坐标系/>四套坐标系统,并做如下定义:
在初始时刻,四套坐标系统重合,坐标原点位于固定长度控制杆与固定板的连接节点处,坐标轴与固定板姿态传感器、底板姿态传感器的坐标轴对应同向;
在测量过程中,随体平动坐标系原点与固定板一起平动,但不发生任何转动,即随体平动坐标系的坐标轴始终与大地坐标系的对应坐标轴平行、同向;固定板局部坐标系随固定板一起平动和转动,底板局部坐标系随底板和固定长度控制杆一起平动和转动,固定板上姿态传感器的坐标轴和底板上姿态传感器的坐标轴分别对应的与固定板局部坐标系、底板局部坐标系的三个坐标轴对应平行且同向;
步骤C2、测量过程中某时刻t,可调长度控制杆长度分析:
(1)根据已知固定长度控制杆的长度为,确定初始时刻在随体平动坐标系中三根竖直控制杆分别与底板和固定板的各个连接节点的位置坐标;
(2)在测量过程中,对于某时刻t,通过固定板姿态传感器和底板姿态传感器检测数据分别确定固定板相对于随体平动坐标系的转角卡尔丹角(α111),以及底板相对于随体平动坐标系的转角卡尔丹角(α222);
(3)获得固定板局部坐标系和底板局部坐标系向随体平动坐标系的转换矩阵:
式中,c、s分别代表余弦函数cos和正弦函数sin;
(4)依据上述转换矩阵得到当前时刻各个连接节点在随体平动坐标系中的坐标,进而得到当前时刻t可调长度控制杆的长度l1(t)和l2(t);
步骤C3、可调长度控制杆目标长度分析:
(1)转动转换:底板需要通过调整两根可调长度控制杆的长度来达到目标水平状态,这个过程则认为底板做了如下两个转换:
1)绕固定板局部坐标系的轴旋转某一个角度,设为θ1,转换矩阵为:
2)绕底板局部坐标系的轴旋转某一个角度,设为θ2,转换矩阵为:
经过上述两次转动过程后,底板坐标系的轴竖直向上,与随体平动坐标系z轴方向相同,底板局部坐标系向随体平动坐标系的转换矩阵则为:
TB-V=(T2 -1Tm2)-1T1(T1 -1Tm1)-1
(2)基于转换矩阵TB-V的第三列为(0,0,1)T),可得到θ1、θ2,最终可求得TB-V
(3)根据转换矩阵TB-V即可得到底板处于水平状态时可调长度控制杆与底板的连接节点在随体平动坐标中的坐标,进而得到两根可调长度控制杆的目标长度L1(t)和L2(t);
步骤C4、根据步骤C2和步骤C3获得的可调长度控制杆的长度数据,进而得到两根调长度控制杆对应执行器的调整长度:Δl1(t)=L1(t)-l1(t),Δl2(t)=L2(t)-l2(t)。
与现有技术相比,本发明的优点和积极效果在于:
本发明提出的浮式海洋平台气隙测量系统及其方法,通过设计固定板与底板结构形式及连接关系,结合控制单元的结构设计,在降低传感器噪声、信号传输处理延迟、建模误差带来的控制问题的同时,能够有效提高控制系统的控制性能;
控制单元可依据平台倾斜状态与底板倾斜状态实时计算两根电动推杆的长度变化,并发出指令控制其对应的执行器对控制杆长度进行实时调节,保证底板始终处于水平状态,基于数学建模和试验模拟,建立执行器延迟前馈史密斯补偿模型对电动推杆执行过程的滞后特性进行补偿,以保证底板的实时水平状态,实现浮式平台真实气隙的实时测量;
同时,针对该系统的非线性和不确定性,采用鲁棒控制器设计,保证整体系统协调稳定,并结合姿态-位移转换模块进行具体分析得到两个控制杆长度调整量的稳定值,浮式海洋平台和底板姿态信息及平台气隙数据还可实时传输至上位机,操控中心人员可进行实时查看。
附图说明
图1为本发明实施例所述气隙测量系统的结构示意图;
图2为本发明实施例所述气隙测量系统的原理框图;
图3为本发明实施例中所建立的坐标系统示意图,其中(a)为初始时刻坐标系示意图,(b)测量过程中任意时刻坐标系示意图;
其中:1-固定板;2、3、4、5-螺栓固定孔;6-控制单元;7、8、10、11-球铰连接节点;9-双向铰接节点(不可绕固定长度控制杆轴线转动);12、13-固定连接节点;14、15-可调长度控制杆;16-固定长度控制杆;17-底板;18、19-姿态传感器;20-气泡式水平仪;21、22-导线;23-波高仪固定杆。
具体实施方式
为了能够更加清楚地理解本发明的上述目的、特征和优点,下面结合附图及实施例对本发明做进一步说明。
实施例1、一种浮式海洋平台气隙测量系统,如图1所示,包括控制单元6、固定板1和底板17,所述固定板1与浮式海洋平台通过螺栓固定孔(2、3、4、5)固定连接,固定板1和底板17之间设置有三根竖直控制杆:包括一根固定长度控制杆16和两根可调长度控制杆14、15。从图1可以看出,三根竖直控制杆呈三角形布设,可调长度控制杆14、15与固定板1和底板17之间均通过球铰连接,球铰连接节点为7、8、10、11;固定长度控制杆16与固定板1双向铰接连接(不可绕固定长度控制杆轴线转动)、与底板17垂直固定连接,连接节点为图1中的9和12,固定长度控制杆16与固定板1的连接节点即为气隙测量点;底板17上还固定设置有波高仪固定杆23,其固定连接节点为13,所述波高仪固定杆23设置在底板17的下方,与固定长度控制杆16位于同一直线上、且与底板17垂直,以保证波高仪与固定长度控制杆共线且垂直于底板;固定板1和底板17上均布设有与控制单元通过导线21相连的姿态传感器18、19,分别用以检测固定板1和底板17的倾斜状态,本实施例中姿态传感器采用SC-MINS100传感器,底板17上还设置有气泡式水平仪20,在试验初始时刻用以辅助调整底板17的水平状态、并用来对计算控制单元控制参数进行校准。
另外,所述可调长度控制杆采用电动推杆或液压杆,所述电动推杆通过其对应的执行器与控制单元电连接,液压杆的控制阀与控制单元电连接,本实施例中,所述电动推杆采用LX700系列电动推杆,液压杆可采用国泰GT/QD型号系列,考虑到滞后性,本实施例优选采用电动推杆。
继续参考图2,为所述气隙测量系统的原理框图,所述控制单元包括卡尔曼滤波器、执行器延迟前馈补偿单元、鲁棒控制器以及姿态-位移转换模块;所述卡尔曼滤波器与姿态位移传感器的输出端相连,以对检测的姿态信号进行降噪处理,获得真实的姿态数据;卡尔曼滤波器的输出依次经执行器延迟前馈补偿单元、鲁棒控制器和姿态-位移转换模块获得两根可调长度控制杆的提前控制量,进而控制其对应的执行器实现可调长度控制杆的长度调节。
具体的,为了对电动推杆执行过程中的滞后性进行补偿,基于数值计算及试验模拟,通过执行器延迟前馈补偿单元建立史密斯补偿模型:
P(s)=G0(s)-G0(s)e-st
式中,G0(s)为系统无延迟直接控制数值模型;G0(s)e-st为线性延迟模型的延迟量,t为延迟时间,当系统无延迟时,控制器可忽略延迟项对系统进行直接控制;P(s)为考虑线性延迟的控制模型,也称为系统延迟控制的传递函数。
在传感器滤波信号的基础上结合动力学模型加入定长延迟前馈补偿,即延迟时间为常数t0,与电动推杆性能相关,由数值模拟和系统测试确定。此时,延迟补偿模型写为:
通过补偿信号实时修正传感器检测和传输带来的控制性能下降,提高系统稳定余量,同时基于动力分析模型预报系统未来时刻状态用于鲁棒控制器设计,根据传感器延迟、模型误差的上下界限及其对系统输出的影响规律设计鲁棒能力较强的H控制器。控制单元根据姿态传感器感知的平台与底板倾角数据,结合姿态-位移转换模块来分析两根电动推杆的伸缩长度,并将具体的位移控制量发送给对应的电动推杆执行器,实现两根可调长度控制杆的长度以保证波高固定板始终保持水平状态、波高仪始终处于竖直状态,且波高仪所在的直线通过甲板气隙测点位置;故可实时监测固定长度杆与固定板连接球铰正下方对应位置的波面高程,并进一步得到气隙测量点位置的真实气隙值。
具体的,所述姿态-位移转换模块包括坐标系建立模块、控制杆实时长度分析模块、控制杆目标长度分析模块和控制杆调节量分析模块:
坐标系建立模块,用以建立大地坐标系O-XYZ、随体平动坐标系o-xyz、固定板局部坐标系和底板局部坐标系/>四套坐标系统,并做如下定义:
在初始时刻,四套坐标系统重合,坐标原点位于固定长度控制杆与固定板的连接节点处,坐标轴与固定板姿态传感器、底板姿态传感器的坐标轴对应同向;
在测量过程中,随体平动坐标系原点与固定板一起平动,但不发生任何转动,即随体平动坐标系的坐标轴始终与大地坐标系的对应坐标轴平行、同向;固定板局部坐标系随固定板一起平动和转动,底板局部坐标系随底板和固定长度控制杆一起平动和转动,固定板上姿态传感器的坐标轴和底板上姿态传感器的坐标轴分别对应的与固定板局部坐标系、底板局部坐标系的三个坐标轴对应平行且同向;
控制杆实时长度分析模块,用以获得测量过程中某时刻t可调长度控制杆的实时长度,具体采用以下原理:
(1)根据已知固定长度控制杆的长度,确定初始时刻在随体平动坐标系中三根竖直控制杆分别与底板和固定板的各个连接节点的位置坐标;
(2)在测量过程中,对于某时刻t,通过固定板姿态传感器和底板姿态传感器检测数据分别确定固定板相对于随体平动坐标系的转角卡尔丹角(α111),以及底板相对于随体平动坐标系的转角卡尔丹角(α222);
(3)获得固定板局部坐标系和底板局部坐标系向随体平动坐标系的转换矩阵:
式中,c、s分别代表余弦函数cos和正弦函数sin;
(4)依据上述转换矩阵得到当前时刻各个连接节点在随体平动坐标系中的坐标,进而得到当前时刻t可调长度控制杆的长度l1(t)和l2(t);
控制杆目标长度分析模块:用以获得在底板始终保持水平状态下的可调长度控制杆目标长度,具体采用以下原理:
(1)底板需要通过调整两根可调长度控制杆的长度来达到目标状态——水平状态,这个过程可以看做两个转换过程:
1)底板绕固定板局部坐标系的轴旋转某一个角度,设为θ1,转换矩阵为:
2)底板绕底板局部坐标系的轴旋转某一个角度,设为θ2,转换矩阵为:
经过上述两次转动过程后,底板坐标系的轴竖直向上,与随体平动坐标系z轴方向相同,底板局部坐标系向随体平动坐标系的转换矩阵则为:
TB-V=(T2 -1Tm2)-1T1(T1 -1Tm1)-1
(2)基于转换矩阵TB-V的第三列为(0,0,1)T,可得到θ1、θ2,最终可求得TB-V
(3)根据转换矩阵TB-V即可得到底板处于水平状态时可调长度控制杆与底板的连接节点在随体平动坐标中的坐标,进而得到两根可调长度控制杆的目标长度L1(t)和L2(t);
制杆调节量分析模块,用以根据控制杆实时长度分析模块和控制杆目标长度分析模块得到的结果,获得两根调长度控制杆对应执行器的调整长度:Δl1(t)=L1(t)-l1(t),Δl2(t)=L2(t)-l2(t)。
可见,本实施例提出的气隙测量系统,克服传统思维限制,通过设计固定板与底板结构形式及连接关系,结合控制单元的结构设计,在降低传感器噪声、信号传输处理延迟、建模误差带来的控制问题的同时,能够有效提高控制系统的控制性能。
实施例2、基于实施例1所述浮式海洋平台气隙测量系统的测量方法,具体实施如下:
在浮式平台处于正浮状态时的初始时刻,启动控制单元6,控制单元根据底板所承载的姿态传感器19的测量数据,控制两根可调长度控制杆14、15的伸缩以调整底板17的水平状态,并以气泡式水平仪20辅助观测;在风/浪/流等海洋环境荷载作用下,浮式海洋平台会产生六自由度运动,对应的气隙测量系统也会相应地发生姿态变化,姿态传感器18、19则会实时感知固定板1、底板17的水平姿态,并通过导线21将信号传输至控制单元,控制单元6则实时分析两根电动推杆14、15的长度调整方案,并发出调整命令对电动推杆14、15长度进行调整以保证底板17时刻处于水平状态。
因此,波高仪将时刻都处于竖直状态,且所在直线始终通过甲板测点(即固定长度控制杆16与固定板1连接的球铰节点9位置),即可得到甲板测点正下方的实时波面高程,并进一步分析得到该测点的真实气隙值。姿态传感器量测的浮式平台及气隙测量装置底板姿态信号通过卡尔曼滤波器进行噪声处理,得到二者真正的姿态数据,进一步通过执行器延迟前馈补偿单元和姿态-位移转换模块得到提前控制量(位移控制量1、2),控制对应的电动推杆执行器对两个可调长度控制杆进行长度调节,实现对底板姿态的实时控制,实现底板的实时水平状态控制。
具体的,控制单元在进行数据分析与处理的具体原理如下:
步骤(1)根据底板与浮式平台的六自由度位移、速度和加速度等运动学参数建立系统动力分析模型:
式中,M、C、K是系统参数,分别为质量、阻尼和刚度矩阵,其中阻尼和刚度矩阵包括系泊系统的贡献;F为荷载向量,即系统所受风、浪、流等环境荷载;和X为系统运动学参数,分别为加速度、速度和位移向量。
根据姿态传感器实时采集底板与浮式海洋平台的姿态信息,基于系统动力分析模型开展不同激励条件下的数值模型计算,建立系统输入-输出数据库,通过数据分析修正卡尔曼滤波器的结构和参数,保证卡尔曼滤波器收敛并实时获得噪声信号中的最优姿态估计值,平滑输出姿态滤波信号;
步骤(2)在滤波信号的基础上结合上述系统动力分析模型,通过执行器延迟前馈补偿单元进行定长延迟前馈补偿,补偿信号实时修正姿态传感器检测和传输延迟误差,提高系统稳定裕量,同时通过上述动力分析模型预报系统未来时刻状态用于鲁棒控制器设计;
步骤(3)通过理论推导和数值模拟确定姿态传感器信号传输时间延迟、动力分析模型对响应预报误差的上下界限,开展系统输出对边界范围内上述误差参数的敏感性分析,根据输出的敏感性设置不同参数的权重,优化设计鲁棒能力较强的H控制器,控制输出在姿态-位移转换模块完成坐标变换后直接作用在电动推杆的执行器,以控制底板的运动,保持底板始终水平。
其中,步骤(3)中,在进行具体的姿态-位移转换时,通过以下方式实现:
首先、建立四套坐标系统,即大地坐标系O-XYZ,随体平动坐标系o-xyz,气隙测量系统固定板局部坐标系气隙测量系统底板局部坐标系/>初始时刻,四套坐标系统重合,坐标原点位于固定长度控制杆16与固定板1的连接节点9处,坐标轴与固定板姿态传感器18、底板姿态传感器19的坐标轴对应同向;运动过程中,固定板局部坐标系随固定板一起平动和转动,底板局部坐标系随底板和固定长度控制杆一起平动和转动;固定板上姿态传感器18、底板上姿态传感器19坐标轴分别与固定板局部坐标系、底板局部坐标系三个坐标轴对应平行且同向,具体如图3所示,图3中(a)为初始时刻的坐标系统示意图,(b)为测量过程中某一时刻的坐标系统示意图。
初始时刻,在随体平动坐标系中:连接节点9的坐标为(0,0,0),连接节点7和连接节点8的坐标分别为(x7,y7,0),(x8,y8,0);连接点10、连接点11和连接点12的坐标分别为(x10,y10,-L),(x11,y11,-L),(x12,y12,-L),其中L为固定长度控制杆16的杆长。
测量过程中,随体平动坐标系原点始终在固定长度控制杆16与固定板1连接节点9处,且三个坐标轴始终与大地坐标系对应坐标轴保持同向;固定板局部坐标系、底板局部坐标系则分别跟随固定板1、底板17一起平动和转动。某时刻t,固定板姿态传感器18和底板姿态传感器19可以分别给出固定板和底板对于随体平动坐标系的转角卡尔丹角(α111)、(α222)(用卡尔丹角(α,β,γ)描述刚体转动时:由初始状态绕x坐标轴旋转角度α,然后再绕旋转后的y轴旋转角度β,最后绕最新位置的z轴旋转角度γ,得到目标状态)。可以求得固定板和底板局部坐标系向随体平动坐标系的转换矩阵分别是:
式中,c、s分别代表余弦函数cos和正弦函数sin。
此时,连接节点7、8和10~12在随体平动坐标系的坐标分别为:
两根电动推杆的长度分别为l1(t)和l2(t):
底板需要通过调整两根电动推杆的长度来达到目标状态——水平状态,这个过程可以看做两个转换过程:
1)绕固定板局部坐标系的x轴旋转某一个角度(设为θ1),转换矩阵为:
2)绕底板局部坐标系的轴旋转某一个角度(设为θ2),转换矩阵为:
经过这两次转动过程后,底板局部坐标系向随体平动坐标系的转换矩阵则为:
TB-V=(T2 -1Tm2)-1T1(T1 -1Tm1)-1
最后的状态,底板坐标系的轴竖直向上,与随体平动坐标系z轴方向相同,通过这个条件(即TB-V的第三列为(0,0,1)T),可得到θ1、θ2,最终可求得TB-V。那么,即可得到底板处于水平状态时点10、11在随体平动坐标中的坐标为:
此时,可得到两根电动推杆的目标长度L1(t)和L2(t):
那么两根可调长度控制杆14、15的杆长需要通过其对应的执行器进行调整,调整长度为:
Δl1(t)=L1(t)-l1(t),Δl2(t)=L2(t)-l2(t)
其中,所得到的结果如果为正值,则代表需要伸长可调长度控制杆;为负值,则代表需要缩短可调长度控制杆。
而且,针对系统的非线性和不确定性,考虑不同不确定因素重要程度优化设计H鲁棒控制算法,保证整体系统协调稳定,并结合姿态-位移转换模块进行具体分析得到两个控制杆长度调整量的稳定值,浮式海洋平台和底板姿态信息及平台气隙数据可实时传输至上位机,操控中心人员可进行实时查看,实现真实气隙值的测量,在浮式平台模型试验及工程实践中具有较高应用价值。
以上所述,仅是本发明的较佳实施例而已,并非是对本发明作其它形式的限制,任何熟悉本专业的技术人员可能利用上述揭示的技术内容加以变更或改型为等同变化的等效实施例应用于其它领域,但是凡是未脱离本发明技术方案内容,依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与改型,仍属于本发明技术方案的保护范围。

Claims (3)

1.浮式海洋平台气隙测量系统,其特征在于,包括固定板、底板及控制单元;
所述固定板与浮式平台固定连接,固定板和底板之间设置有三根竖直控制杆:包括一根固定长度控制杆和两根可调长度控制杆,三根竖直控制杆呈三角形排布;可调长度控制杆采用电动推杆,电动推杆的执行器与控制单元电连接,可调长度控制杆与固定板和底板之间均通过球铰连接,固定长度控制杆与固定板双向球铰连接、与底板固定连接,固定长度控制杆与固定板的连接节点即为气隙测量点;
所述底板的下方还设置有波高仪固定杆,波高仪固定杆与固定长度控制杆位于同一直线上、且与底板垂直;固定板和底板上均布设有与控制单元相连的姿态传感器,分别用以监测固定板和底板的倾斜状态,底板上还设置有气泡式水平仪,用以辅助调整底板的水平状态;
所述控制单元包括卡尔曼滤波器、执行器延迟前馈补偿单元、鲁棒控制器以及姿态-位移转换模块;所述卡尔曼滤波器与姿态位移传感器的输出端相连,以对检测的姿态信号进行降噪处理;卡尔曼滤波器的输出依次经执行器延迟前馈补偿单元、鲁棒控制器与姿态-位移转换模块相连,通过数据解析获得两根可调长度控制杆的提前控制量,进而控制其对应的执行器实现可调长度控制杆的伸缩,实现对底板的实时水平状态控制;
所述执行器延迟前馈补偿单元用以根据接收的卡尔曼滤波信号及系统动力分析模型建立史密斯补偿模型;
所述系统动力分析模型根据底板与浮式平台的六自由度位移、速度和加速度参数建立,系统动力分析模型为:
式中,M、C、K是系统参数,分别为质量、阻尼和刚度矩阵,其中阻尼和刚度矩阵包括系泊系统的贡献;F为荷载向量,即系统所受风、浪、流环境荷载;和X为系统运动学参数,分别为加速度、速度和位移向量;
所述史密斯补偿模型为:
P(s)=G0(s)-G0(s)e-st
其中,G0(s)为系统无延迟直接控制数值模型,G0(s)e-st为线性延迟模型的延迟量,t为延迟时间,P(s)为系统延迟控制的传递函数;
所述姿态-位移转换模块包括坐标系建立模块、控制杆实时长度分析模块、控制杆目标长度分析模块和控制杆调节量分析模块:
坐标系建立模块:用以建立大地坐标系O-XYZ、随体平动坐标系o-xyz、固定板局部坐标系和底板局部坐标系/>四套坐标系统,并做如下定义:
在初始时刻,四套坐标系统重合,坐标原点位于固定长度控制杆与固定板的连接节点处,坐标轴与固定板姿态传感器、底板姿态传感器的坐标轴对应同向;
在测量过程中,随体平动坐标系原点与固定板一起平动,但不发生任何转动,即随体平动坐标系的坐标轴始终与大地坐标系的对应坐标轴平行、同向;固定板局部坐标系随固定板一起平动和转动,底板局部坐标系随底板和固定长度控制杆一起平动和转动,固定板上姿态传感器的坐标轴和底板上姿态传感器的坐标轴分别与固定板局部坐标系、底板局部坐标系的三个坐标轴对应平行且同向;
控制杆实时长度分析模块:用以获得测量过程中某时刻t可调长度控制杆的实时长度,具体采用以下原理:
(1)根据已知固定长度控制杆的长度,确定初始时刻在随体平动坐标系中三根竖直控制杆分别与底板和固定板的各个连接节点的位置坐标;
(2)在测量过程中,对于某时刻t,通过固定板姿态传感器和底板姿态传感器检测数据分别确定固定板相对于随体平动坐标系的转角卡尔丹角(α111),以及底板相对于随体平动坐标系的转角卡尔丹角(α222);
(3)获得固定板局部坐标系和底板局部坐标系向随体平动坐标系的转换矩阵:
式中,c、s分别代表余弦函数cos和正弦函数sin;
(4)依据上述转换矩阵得到当前时刻各个连接节点在随体平动坐标系中的坐标,进而得到当前时刻t可调长度控制杆的长度l1(t)和l2(t);
控制杆目标长度分析模块:用以获得在底板始终保持水平状态下的可调长度控制杆目标长度,具体采用以下原理:
(1)底板需要通过调整两根可调长度控制杆的长度来达到目标水平状态,将这个过程看作底板做了如下两个转换:
1)绕固定板局部坐标系的x轴旋转某一个角度,设为θ1,转换矩阵为:
2)绕底板局部坐标系的轴旋转某一个角度,设为θ2,转换矩阵为:
经过两次转动过程后,底板坐标系的轴竖直向上,与随体平动坐标系z轴方向相同,底板局部坐标系向随体平动坐标系的转换矩阵则为:
TB-V=(T2 -1Tm2)-1T1(T1 -1Tm1)-1
(2)基于转换矩阵TB-V的第三列为(0,0,1)T,得到θ1、θ2,最终求得TB-V
(3)根据转换矩阵TB-V即得到底板处于水平状态时可调长度控制杆与底板的连接节点在随体平动坐标中的坐标,进而得到两根可调长度控制杆的目标长度L1(t)和L2(t);
控制杆调节量分析模块:用以根据控制杆实时长度分析模块和控制杆目标长度分析模块得到的结果,获得两根调长度控制杆对应执行器的调整长度:△l1(t)=L1(t)-l1(t),△l2(t)=L2(t)-l2(t)正值代表需要调整控制杆伸长,负值代表调整控制杆缩短。
2.基于权利要求1所述的浮式海洋平台气隙测量系统的测量方法,其特征在于,包括以下步骤:
步骤A、根据底板与浮式平台的运动学参数建立系统动力分析模型,所述运动学参数包括六自由度位移、速度和加速度参数:
其中,M、C、K是系统参数,分别为质量、阻尼和刚度矩阵,F为荷载向量,和X为系统运动学参数,分别为加速度、速度和位移向量;
根据姿态传感器实时采集底板与浮式海洋平台的姿态信息,基于系统动力分析模型进行不同激励条件下的数值模型分析,并建立系统输入-输出数据库;
通过数据分析修正卡尔曼滤波器的结构和参数,保证卡尔曼滤波器收敛并实时获得噪声信号中的最优姿态估计值,平滑输出姿态滤波信号;
步骤B、在滤波信号的基础上结合上述系统动力分析模型,通过执行器延迟前馈补偿单元进行定长延迟前馈补偿,补偿信号实时修正姿态传感器检测和传输延迟误差,提高系统稳定裕量,同时通过上述系统动力分析模型预报系统未来时刻状态用于鲁棒控制器设计;
步骤C、通过数学建模分析确定姿态传感器信号传输时间延迟、动力分析模型对响应预报误差的上下界限,分析系统输出对边界范围内上述误差参数的敏感性分析,根据输出的敏感性设置不同参数权重,优化设计H控制器,控制输出在姿态-位移转换模块完成坐标变换后直接作用在对应的电动推杆执行器,以控制底板的运动,保持底板始终水平。
3.根据权利要求2所述的浮式海洋平台气隙测量系统的测量方法,其特征在于:所述步骤C中,姿态-位移转换模块进行坐标变换时采用如下方式:
步骤C1、建立坐标系:建立大地坐标系O-XYZ、随体平动坐标系o-xyz、固定板局部坐标系和底板局部坐标系/>四套坐标系统,并做如下定义:
在初始时刻,四套坐标系统重合,坐标原点位于固定长度控制杆与固定板的连接节点处,坐标轴与固定板姿态传感器、底板姿态传感器的坐标轴对应同向;
在测量过程中,固定板局部坐标系随固定板一起平动和转动,底板局部坐标系随底板和固定长度控制杆一起平动和转动,固定板上姿态传感器的坐标轴和底板上姿态传感器的坐标轴分别与固定板局部坐标系、底板局部坐标系的三个坐标轴对应平行且同向;
步骤C2、测量过程中某时刻t,可调长度控制杆长度分析:
(1)根据已知固定长度控制杆的长度,确定初始时刻在随体平动坐标系中三根竖直控制杆分别与底板和固定板的各个连接节点的位置坐标;
(2)在测量过程中,对于某时刻t,通过固定板姿态传感器和底板姿态传感器检测数据分别确定固定板相对于随体平动坐标系的转角卡尔丹角(α111),以及底板相对于随体平动坐标系的转角卡尔丹角(α222);
(3)获得固定板局部坐标系和底板局部坐标系向随体平动坐标系的转换矩阵:
式中,c、s分别代表余弦函数cos和正弦函数sin;
(4)依据上述转换矩阵得到当前时刻各个连接节点在随体平动坐标系中的坐标,进而得到当前时刻t可调长度控制杆的长度l1(t)和l2(t);
步骤C3、可调长度控制杆目标长度分析:
(1)底板通过调整两根可调长度控制杆的长度来达到水平目标状态,这个过程中认为底板做了如下两个转换:
1)绕固定板局部坐标系的轴旋转某一个角度,设为θ1,转换矩阵为:
2)绕底板局部坐标系的轴旋转某一个角度,设为θ2,转换矩阵为:
经过上述两次转动过程后,底板坐标系的轴竖直向上,与随体平动坐标系z轴方向相同,底板局部坐标系向随体平动坐标系的转换矩阵则为:
TB-V=(T2 -1Tm2)-1T1(T1 -1Tm1)-1
(2)基于转换矩阵TB-V的第三列为(0,0,1)T,得到θ1、θ2,最终求得TB-V
(3)根据转换矩阵TB-V即得到底板处于水平状态时可调长度控制杆与底板的连接节点在随体平动坐标中的坐标,进而得到两根可调长度控制杆的目标长度L1(t)和L2(t);
步骤C4、根据步骤C2和步骤C3获得的可调长度控制杆的长度数据,进而得到两根调长度控制杆对应执行器的调整长度:△l1(t)=L1(t)-l1(t),△l2(t)=L2(t)-l2(t)。
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