CN112645228B - 深水动力定位原油输送装置的绞车控制装置及绞车系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及深水动力定位原油输送装置的绞车控制装置，通过对主控制器、液压变压器控制器以及直驱泵源控制器三个关键控制元器件进行设计，在作业平台上升时，直驱泵源卸荷，负载重力势能通过液压变压器回收进蓄能器；作业平台下沉时，直驱泵源和液压变压器一起给执行机构供油，释放回收的能量；可大大降低系统的功耗，也实现了直驱泵源和液压变压器的流量合理分配和平滑切换，解决了液压变压器的控制难题，基于以上，本发明能够为深水动力定位原油输送装置提供稳定可靠的绞车控制装置，进而实现深水动力定位原油输送装置的绞车系统的升沉补偿功能，为深水动力定位原油输送装置的绞车系统稳定运行提供保障。

Description

深水动力定位原油输送装置的绞车控制装置及绞车系统

技术领域

本发明涉及升沉补偿系统领域，尤其涉及深水动力定位原油输送装置的绞车控制装置及绞车系统。

背景技术

在国际原油价格低位徘徊、全球海洋石油公司大幅削减运营成本的背景下，为降低FPSO卸油成本的深水动力定位原油中转装置应运而生。全新概念的深水动力定位原油中转装置将对市场上传统的现有原油转运方式造成巨大挑战。

以前，穿梭油轮(Shuttle Tanker)是承担海上浮式生产储油卸油装置(FPSO)油料卸载任务的重要工具。相比于同吨位的常规油轮，穿梭油轮造价高，载重量仅在8-15万吨间，而常规油轮的载重量可达30-40万吨。因此，如何在大规模、远距离深海油气资源开发与运输中，充分发挥常规油轮数量多、造价低、载重大、运输成本低的优势，将现有原油轮不加改造就能从事深海油田的原油运输作业，是国际原油输送装备技术革命性方向和海上石油生产运输链实现安全高效生产、降低成本的客观需求。

绞车系统是深水动力定位原油输送装置所必须的系统，如何设计一个针对深水动力定位原油输送装置的绞车系统的绞车控制装置是急需解决的问题。

发明内容

本发明的目的是为了至少解决现有技术的不足之一，提供深水动力定位原油输送装置的绞车控制装置及绞车系统。

为了实现上述目的，本发明采用以下的技术方案：

具体的，提出深水动力定位原油输送装置的绞车控制装置，包括，

主控制器，所述主控制器包括，

流量控制器QC，用于获取目标作业平台的运动速度v、负载位移y以及负载期望位移y_i，并根据所述运动速度v、负载位移y和负载期望位移y_i以基于扰动前馈控制和反馈控制相结合的复合控制策略计算出驱动马达的流量q；

流量分配器QA，用于获取次级马达工作压力信号p₂，并根据计算出的驱动马达的流量q计算得出液压变压器的期望流量q₁和直驱泵源的期望流量q₂；

流量分配模块，用于根据液压变压器的期望流量q₁和直驱泵源的期望流量q₂控制进行对应的流量分配；

液压变压器控制器，所述液压变压器控制器包括，

L1环节计算模块，输入端连接深水动力定位原油输送装置的绞车上安装的主控制器、初级马达以及次级马达，用于根据主控制器、初级马达以及次级马达输入的数据计算初级马达的排量V₁，

L2环节计算模块，输入端连接所述L1环节计算模块的输出端，用于根据所述L1环节计算模块输出的数据计算液压变压器的转速差Δn，

L3环节计算模块，输入端连接所述L2环节计算模块的输出端，用于根据所述L2环节计算模块输出的数据计算液压变压器的转矩调节量ΔT，

L4环节计算模块，输入端连接所述L3环节计算模块的输出端，用于根据所述L3环节计算模块输出的数据计算次级马达的排量V₂，

控制模块，输入端连接所述L4环节计算模块的输出端，输出端连接初级马达以及次级马达，用于根据所述L4环节计算模块输出的数据对所述初级马达以及次级马达的排量进行控制；

直流泵源控制器，所述直流泵源控制器用于根据直驱泵源的期望流量q2以及直驱泵源输出流量信号q₃计算直流泵源控制器C2自身的伺服电机的转速n₂。

进一步，所述流量控制器QC具体包括以下，

扰动前馈控制器，用于根据输入的物理量运动速度v，相应的输出流量为q_a，所述q_a通过如下公式计算，

其中，v是作业平台的升沉速度，单位m/s；k_v是速度补偿系数；r为滚筒半径，单位为m；k_h为滑轮组倍率；V为绞车的驱动马达排量，单位为L/r；i为齿轮传动机构的传动比，

反馈控制器，用于根据输入的物理量负载位移y和负载期望位移y_i，经过通用的PID算法输出流量为q_b，

流量计算模块，用于计算流量q，即为q＝q_a+q_b；

所述流量分配器QA具体包括以下，

期望流量确定模块，用于根据如下公式确定液压变压器的期望流量q₁和直驱泵源的期望流量q₂，

其中，k_T为流量分配系数。

当q＞0即马达正转时，k_T的计算公式为如下公式；

其中，p_L、p_H为两个事先设定的压力阈值。

进一步，所述p_L＝200bar,p_H＝250bar。

进一步，所述L1环节计算模块具体通过以下公式计算初级马达的排量V₁，

其中V₁₀为初级马达的初始排量，V_1max为初级马达的最大调节排量，q_1max—液压变压器的最大流量，k_dp为差压-排量补偿系数；

所述L2环节计算模块具体通过以下公式计算液压变压器的转速差Δn，

其中n为液压变压器的转速；

所述L3环节计算模块具体通过以下公式计算液压变压器转矩调节量ΔT，

其中Δt为调节时间，能够人为设置；

所述L4环节计算模块具体通过以下公式计算次级马达的排量V₂，

其中，在能量回收阶段时，分子中间的符号取-；处于能量释放阶段时，则取+。

进一步，所述Δt具体为0.03s。

本发明还提出深水动力定位原油输送装置的绞车系统，应用了所述的深水动力定位原油输送装置的绞车控制装置，还包括，基于绞车控制装置控制的所述控制的绞车型升沉补偿系统，所述绞车型升沉补偿系统包括直驱泵源、驱动马达、液压变压器、蓄能器、滑轮组以及滚筒，

所述直驱泵源包括伺服电机以及液压泵，

所述液压变压器是由两个输出轴刚性连接的变量马达，具体为初级马达a以及次级马达b构成的传统型液压变压器，

所述驱动马达的输出轴通过齿轮与滚筒端面轮毂的内齿轮啮合，

所述深水动力定位原油输送装置的绞车控制装置通过信号线与所述绞车系统连接并控制所述升沉补偿系统运行。

本发明的有益效果为：

本发明提出深水动力定位原油输送装置的绞车控制装置及绞车系统，能够实现预期的升沉补偿功能，补偿精度满足设计要求，且具有能量回收功能：作业平台上升时，直驱泵源卸荷，负载重力势能通过液压变压器回收进蓄能器；作业平台下沉时，直驱泵源和液压变压器一起给执行机构供油，释放回收的能量；可大大降低系统的功耗，也实现了直驱泵源和液压变压器的流量合理分配和平滑切换，解决了液压变压器的控制难题，基于以上，本发明能够为深水动力定位原油输送装置提供稳定可靠的绞车控制装置，进而实现深水动力定位原油输送装置的绞车系统的升沉补偿功能，为深水动力定位原油输送装置的绞车系统稳定运行提供保障。

附图说明

通过对结合附图所示出的实施方式进行详细说明，本公开的上述以及其他特征将更加明显，本公开附图中相同的参考标号表示相同或相似的元素，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本公开的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图，在附图中：

图1所示为本发明提出的深水动力定位原油输送装置的绞车控制装置的控制原理框图；

图2所示为本发明提出的深水动力定位原油输送装置的绞车控制装置的主控制器的结构框图；

图3所示为深水动力定位原油输送装置的绞车控制装置的液压变压器控制器的结构框图

图4所示为主控制器的流量控制器QC的原理框图；

图5所示为深水动力定位原油输送装置的绞车控制装置的液压变压器C1的原理框图；

图6所示为深水动力定位原油输送装置的绞车控制装置的直流泵源控制器C2的原理框图；

图7所示为深水动力定位原油输送装置的绞车系统的结构原理图；

图8所示为深水动力定位原油输送装置在应用了本发明的绞车控制装置之后的示意图。

具体实施方式

以下将结合实施例和附图对本发明的构思、具体结构及产生的技术效果进行清楚、完整的描述，以充分地理解本发明的目的、方案和效果。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。附图中各处使用的相同的附图标记指示相同或相似的部分。

根据系统的工作原理可知，上升补偿时，驱动马达排出的液压流量需要通过液压变压器回收，控制液压变压器的流量即可控制绞车的转速。下沉补偿阶段时，需要液压变压器和直驱泵源一起给驱动马达供油。

基于此原理，参照图1、图2以及图3，实施例1，本发明提出深水动力定位原油输送装置的绞车控制装置，包括，

主控制器，所述主控制器包括，

流量控制器QC，用于获取目标作业平台的运动速度v、负载位移y以及负载期望位移yi，并根据所述运动速度v、负载位移y和负载期望位移y_i以基于扰动前馈控制和反馈控制相结合的复合控制策略计算出驱动马达的流量q；

流量分配器QA，用于获取次级马达工作压力信号p₂，并根据计算出的驱动马达的流量q计算得出液压变压器的期望流量q₁和直驱泵源的期望流量q₂；

流量分配模块，用于根据液压变压器的期望流量q₁和直驱泵源的期望流量q₂控制进行对应的流量分配；

液压变压器控制器，所述液压变压器控制器包括，

L1环节计算模块，输入端连接深水动力定位原油输送装置的绞车上安装的主控制器、初级马达以及次级马达，用于根据主控制器、初级马达以及次级马达输入的数据计算初级马达的排量V₁，

L2环节计算模块，输入端连接所述L1环节计算模块的输出端，用于根据所述L1环节计算模块输出的数据计算液压变压器的转速差Δn，

L3环节计算模块，输入端连接所述L2环节计算模块的输出端，用于根据所述L2环节计算模块输出的数据计算液压变压器的转矩调节量ΔT，

L4环节计算模块，输入端连接所述L3环节计算模块的输出端，用于根据所述L3环节计算模块输出的数据计算次级马达的排量V₂，

控制模块，输入端连接所述L4环节计算模块的输出端，输出端连接初级马达以及次级马达，用于根据所述L4环节计算模块输出的数据对所述初级马达以及次级马达的排量进行控制；

直流泵源控制器，所述直流泵源控制器用于根据直驱泵源的期望流量q₂以及直驱泵源输出流量信号q₃计算直流泵源控制器C2自身的伺服电机的转速n₂。

作为本发明的优选实施方式，主控制器C需要完成流量计算和流量分配的任务，因此它又由流量控制器QC和流量分配器QA组成，其内部结构如图2所示。

流量控制器QC根据钻井作业平台的运动速度v、负载位移y和负载期望位移y_i三个信号计算出驱动马达的流量q，其内部控制原理框图如图4所示。对于深水动力定位原油输送装置的绞车系统来说，平台的升沉运动就是一个扰动输入。考虑到补偿系统惯性大，而容积控制本身动态响应速度慢。为解决这一控制难题，流量控制器QC采用了基于扰动前馈控制和反馈控制相结合的复合控制策略。可见，流量控制器QC由扰动前馈控制器和反馈控制器两部分组成。

作为本发明的优选实施方式，所述流量控制器QC具体包括以下，

扰动前馈控制器，用于根据输入的物理量运动速度v，相应的输出流量为q_a，所述q_a通过如下公式计算，

其中，v是作业平台的升沉速度，单位m/s；k_v是速度补偿系数；r为滚筒半径，单位为m；k_h为滑轮组倍率；V为绞车的驱动马达排量，单位为L/r；i为齿轮传动机构的传动比；

k_v的引入是为了抵消各种参数误差带来的不利影响。尽管如此，开环的扰动前馈控制还是不可能实现完全同步补偿的。因此，加入闭环反馈控制器是很有必要的。闭环反馈控制器暂时采用常规的PID控制器，其输出为流量q_b，优选的，k_v＝1.05。

反馈控制器，用于根据输入的物理量负载位移y和负载期望位移y_i，经过通用的PID算法输出流量为q_b；

流量计算模块，用于计算流量q，即为q＝q_a+q_b。

作为本发明的优选实施方式，所述流量分配器QA具体包括以下，

期望流量确定模块，用于根据如下公式确定液压变压器的期望流量q₁和直驱泵源的期望流量q₂，

其中，k_T为流量分配系数。

当q＞0即马达正转时，k_T的计算公式为如下公式；

其中，p_L、p_H为两个事先设定的压力阈值。优选的，p_L＝200bar,p_H＝250bar。

由上式可知，系统根据蓄能器内的压力来分配流量。当蓄能器内的压力高于阈值p_H时，说明液压变压器内的储存的压力油比较多，这时就让液压变压器单独供油，即k_T＝1。当蓄能器内的压力慢慢下降低于阈值p_L时，说明蓄能器内的压力油不够了，就应该由直驱泵源单独供油，即k_T＝0。

当q＜0即马达反转时，回收能量，直驱泵源不工作，液压马达输出的液压油进入液压变压器，则k_T＝1。

作为本发明的优选实施方式，液压变压器具有初级马达排量V₁和次级马达排量V₂两个可调变量，并且这两个变量之间存在力矩耦合。由于液压变压器的流量实际上是初级马达的流量，因此本文采用如下设计思路：先根据期望流量q₁确定初级马达的排量V₁，然后通过调节次级马达的排量V₂来对液压变压器的转速进行闭环控制，其实质也是基于流量控制。其原理框图如图5所示。

所述L1环节计算模块具体通过以下公式计算初级马达的排量V₁，

其中V₁₀为初级马达的初始排量，V_1max为初级马达的最大调节排量，q_1max—液压变压器的最大流量，k_dp为差压-排量补偿系数。

所述L2环节计算模块具体通过以下公式计算液压变压器的转速差Δn，

其中n为液压变压器的转速；

所述L3环节计算模块具体通过以下公式计算液压变压器转矩调节量ΔT，

其中Δt为调节时间，能够人为设置。优选的，所述Δt具体为0.03s。

所述L4环节计算模块具体通过以下公式计算次级马达的排量V₂，

其中，在能量回收阶段时，分子中间的符号取-；处于能量释放阶段时，则取+。

直驱泵源的控制原理框图如图6所示，采用由开环前馈控制和闭环反馈控制组成的复合控制。因此，其控制器C2主要由前馈控制器和反馈控制器两部分组成。由于伺服电机的动态特性比较好，因此，本实施方式采用一个P控制器作为前馈控制器，采用一个常规的PID控制器作为反馈控制器，其中参数η_v1为初级马达的容积效率能够根据初级马达型号直接确定，η_m1为初级马达的机械效率能够直接读取，η_m2为次级马达的机械效率能够直接读取，I为液压变压器的转动惯量。

参照图7，本发明还提出深水动力定位原油输送装置的绞车系统，应用了所述的深水动力定位原油输送装置的绞车控制装置，还包括，基于绞车控制装置控制的所述控制的绞车型升沉补偿系统，所述绞车型升沉补偿系统包括直驱泵源(含伺服电机1和液压泵2)、驱动马达3、液压变压器4、蓄能器5、滑轮组6以及滚筒7，

所述直驱泵源包括伺服电机以及液压泵，

所述液压变压器是由两个输出轴刚性连接的变量马达，具体为初级马达a以及次级马达b构成的传统型液压变压器，

所述驱动马达的输出轴通过齿轮与滚筒端面轮毂的内齿轮啮合，

所述深水动力定位原油输送装置的绞车控制装置通过信号线与所述绞车系统连接并控制所述升沉补偿系统运行。

参照图8，100为深水动力定位原油输送装置的绞车控制装置，安装在机舱的电控区，通过信号线与绞车系统的相关零部件连接，能够实现绞车系统的稳定控制，200为绞车系统。

在应用了本发明的深水动力定位原油输送装置的绞车控制装置后，能够实现预期的升沉补偿功能，补偿精度满足设计要求，且具有能量回收功能：作业平台上升时，直驱泵源卸荷，负载重力势能通过液压变压器回收进蓄能器；作业平台下沉时，直驱泵源和液压变压器一起给执行机构供油，释放回收的能量；可大大降低系统的功耗，也实现了直驱泵源和液压变压器的流量合理分配和平滑切换，解决了液压变压器的控制难题，基于以上，本发明能够为深水动力定位原油输送装置提供稳定可靠的绞车控制装置，进而实现深水动力定位原油输送装置的绞车系统的升沉补偿功能，为深水动力定位原油输送装置的绞车系统稳定运行提供保障。

所述作为分离部件说明的模块可以是或者也可以不是物理上分开的，作为模块显示的部件可以是或者也可以不是物理模块，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络模块上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例中的方案的目的。

另外，在本发明各个实施例中的各功能模块可以集成在一个处理模块中，也可以是各个模块单独物理存在，也可以两个或两个以上模块集成在一个模块中。上述集成的模块既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能模块的形式实现。

所述集成的模块如果以软件功能模块的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本发明实现上述实施例方法中的全部或部分流程，也可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成，所述的计算机程序可存储于一计算机可读存储的介质中，该计算机程序在被处理器执行时，可实现上述各个方法实施例的步骤。其中，所述计算机程序包括计算机程序代码，所述计算机程序代码可以为源代码形式、对象代码形式、可执行文件或某些中间形式等。所述计算机可读介质可以包括：能够携带所述计算机程序代码的任何实体或装置、记录介质、U盘、移动硬盘、磁碟、光盘、计算机存储器、只读存储器(ROM，Read-Only Memory)、随机存取存储器(RAM，RandomAccess Memory)、电载波信号、电信信号以及软件分发介质等。

尽管本发明的描述已经相当详尽且特别对几个所述实施例进行了描述，但其并非旨在局限于任何这些细节或实施例或任何特殊实施例，而是应当将其视作是通过参考所附权利要求考虑到现有技术为这些权利要求提供广义的可能性解释，从而有效地涵盖本发明的预定范围。此外，上文以发明人可预见的实施例对本发明进行描述，其目的是为了提供有用的描述，而那些目前尚未预见的对本发明的非实质性改动仍可代表本发明的等效改动。

以上所述，只是本发明的较佳实施例而已，本发明并不局限于上述实施方式，只要其以相同的手段达到本发明的技术效果，都应属于本发明的保护范围。在本发明的保护范围内其技术方案和/或实施方式可以有各种不同的修改和变化。

Claims (4)

1.深水动力定位原油输送装置的绞车控制装置，其特征在于，包括，

主控制器，所述主控制器包括，

流量控制器QC，用于获取目标作业平台的运动速度v、负载位移y以及负载期望位移y_i，并根据所述运动速度v、负载位移y和负载期望位移y_i以基于扰动前馈控制和反馈控制相结合的复合控制策略计算出驱动马达的流量q；

流量分配器QA，用于获取次级马达工作压力信号p₂，并根据计算出的驱动马达的流量q计算得出液压变压器的期望流量q₁和直驱泵源的期望流量q₂；

流量分配模块，用于根据液压变压器的期望流量q₁和直驱泵源的期望流量q₂控制进行对应的流量分配；

液压变压器控制器，所述液压变压器控制器包括，

L1环节计算模块，输入端连接深水动力定位原油输送装置的绞车上安装的主控制器、初级马达以及次级马达，用于根据主控制器、初级马达以及次级马达输入的数据计算初级马达的排量V₁，

L2环节计算模块，输入端连接所述L1环节计算模块的输出端，用于根据所述L1环节计算模块输出的数据计算液压变压器的转速差Δn，

L3环节计算模块，输入端连接所述L2环节计算模块的输出端，用于根据所述L2环节计算模块输出的数据计算液压变压器的转矩调节量ΔT，

L4环节计算模块，输入端连接所述L3环节计算模块的输出端，用于根据所述L3环节计算模块输出的数据计算次级马达的排量V₂，

控制模块，输入端连接所述L4环节计算模块的输出端，输出端连接初级马达以及次级马达，用于根据所述L4环节计算模块输出的数据对所述初级马达以及次级马达的排量进行控制；

直流泵源控制器，所述直流泵源控制器用于根据直驱泵源的期望流量q₂以及直驱泵源输出流量信号q₃计算直流泵源控制器C2自身的伺服电机的转速n₂；

所述流量控制器QC具体包括以下，

扰动前馈控制器，用于根据输入的物理量运动速度v，相应的输出流量为q_a，所述q_a通过如下公式计算，

其中，v是作业平台的升沉速度，单位m/s；k_v是速度补偿系数；r为滚筒半径，单位为m；k_h为滑轮组倍率；V为绞车的驱动马达排量，单位为L/r；i为齿轮传动机构的传动比，

反馈控制器，用于根据输入的物理量负载位移y和负载期望位移y_i，经过通用的PID算法输出流量为q_b，

流量计算模块，用于计算流量q，即为q＝q_a+q_b；

所述流量分配器QA具体包括以下，

期望流量确定模块，用于根据如下公式确定液压变压器的期望流量q₁和直驱泵源的期望流量q₂，

其中，k_T为流量分配系数；

当q＞0即马达正转时，k_T的计算公式为如下公式；

其中，p_L、p_H为两个事先设定的压力阈值；

所述L1环节计算模块具体通过以下公式计算初级马达的排量V₁，

其中V₁₀为初级马达的初始排量，V_1max为初级马达的最大调节排量，q_1max—液压变压器的最大流量，k_dp为差压-排量补偿系数；

所述L2环节计算模块具体通过以下公式计算液压变压器的转速差Δn，

其中n为液压变压器的转速，η_v1为初级马达的容积效率；

所述L3环节计算模块具体通过以下公式计算液压变压器转矩调节量ΔT，

其中Δt为调节时间，能够人为设置，I为液压变压器的转动惯量；

所述L4环节计算模块具体通过以下公式计算次级马达的排量V₂，

其中，在能量回收阶段时，分子中间的符号取-；处于能量释放阶段时，则取+，η_m1为初级马达的机械效率能够直接读取，η_m2为次级马达的机械效率能够直接读取。

2.根据权利要求1所述的深水动力定位原油输送装置的绞车控制装置，其特征在于，所述p_L＝200bar,p_H＝250bar。

3.根据权利要求1所述的深水动力定位原油输送装置的绞车控制装置，其特征在于，所述Δt具体为0.03s。

4.深水动力定位原油输送装置的绞车系统，其特征在于，应用了上述权利要求1-3中所述的深水动力定位原油输送装置的绞车控制装置，还包括，基于绞车控制装置控制的所述控制的绞车型升沉补偿系统，所述绞车型升沉补偿系统包括直驱泵源、驱动马达、液压变压器、蓄能器、滑轮组以及滚筒，

所述直驱泵源包括伺服电机以及液压泵，

所述液压变压器是由两个输出轴刚性连接的变量马达，具体为初级马达a以及次级马达b构成的传统型液压变压器，

所述驱动马达的输出轴通过齿轮与滚筒端面轮毂的内齿轮啮合，

所述深水动力定位原油输送装置的绞车控制装置通过信号线与所述绞车系统连接并控制所述升沉补偿系统运行。

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