CN112799441B - 用于柔性海洋立管的振动抑制方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及柔性海洋立管的振动抑制技术领域，具体公开了一种用于柔性海洋立管的振动抑制方法，其中，包括：基于边界扰动力和空间分布扰动力对柔性海洋立管进行建模得到海洋立管模型；获取柔性海洋立管的边界状态信息；构建边界滑模抗饱和控制器；根据边界滑模抗饱和控制器的输出判断执行器控制值是否达到执行器饱和上限；若达到，则根据柔性海洋立管的边界状态信息以及超过饱和上限部分设计辅助系统；在确定柔性海洋立管稳定时，获取边界滑模抗饱和控制器的增益取值范围。本发明还公开了一种用于柔性海洋立管的振动抑制系统。本发明提供的用于柔性海洋立管的振动抑制方法能够消除执行器饱和非线性和外部未知扰动对柔性海洋立管稳定性的影响。

Description

用于柔性海洋立管的振动抑制方法及系统

技术领域

本发明涉及柔性海洋立管的振动抑制技术领域，尤其涉及一种用于柔性海洋立管的振动抑制方法及一种用于柔性海洋立管的振动抑制系统。

背景技术

柔性杆由于其具有质量轻、精度高、耗能低、操作空间大等优点被广泛应用于机器人领域、航天领域、海洋领域、工业领域，然而，由于柔性材料的刚度较小，当受到外力，易产生长时间持续的振动，不仅影响柔性系统的工作精度与效率，也会加速柔性结构的老化，缩短柔性材料的使用年限，造成安全隐患以及经济上的损失。因此，如何有效的抑制柔性系统的振动问题，对于使用柔性结构的航天航空、海洋油气开发、工业领域的应用具有重要意义。

在海洋油气开采领域，由于受到海洋复杂环境的影响，柔性海上立管可能会受到海浪、风、海流等影响，由柔性结构构成的海上立管会产生横向振动且持续时间较长，这样会影响工作精度及效率，也会加速结构的老化，缩短材料的使用年限，带来生产安全隐患以及经济损失。此外，海上油井开采也是庞大的工程作业，由于执行器物理条件的限制，执行器输出的力矩是有限的并不能按照理想的力矩输出，在此情况下，柔性海上立管的振动抑制可能会受到影响，无法实现理想的振动抑制效果破坏稳定性，甚至会使柔性杆长时间处于弹性形变中破坏柔性杆结构，从而影响实际工业操作进程。

发明内容

本发明提供了一种用于柔性海洋立管的振动抑制方法及一种用于柔性海洋立管的振动抑制系统，解决相关技术中存在的无法实现对海洋立管的振动抑制的问题。

作为本发明的第一个方面，提供一种用于柔性海洋立管的振动抑制方法，其中，包括：

基于边界扰动力和空间分布扰动力对柔性海洋立管进行建模得到海洋立管模型；

获取柔性海洋立管的边界状态信息；

根据所述柔性海洋立管的边界状态信息以及所述海洋立管模型构建边界滑模抗饱和控制器，所述边界滑模抗饱和控制器能够输出执行器控制值；

根据所述边界滑模抗饱和控制器的输出判断所述执行器控制值是否达到执行器饱和上限；

若达到，则根据所述柔性海洋立管的边界状态信息以及超过饱和上限部分设计辅助系统，所述辅助系统用于消除执行器的饱和非线性影响；

在确定所述柔性海洋立管稳定时，获取所述边界滑模抗饱和控制器的增益取值范围。

进一步地，所述基于边界扰动力和空间分布扰动力对柔性海洋立管进行建模得到海洋立管模型，包括：

根据拉格朗日方程和Hamilton原理对所述柔性海洋立管进行建模，得到Euler-Bernoulli梁的系统方程和边界条件。

进一步地，所述Euler-Bernoulli梁的系统方程的表达式为：

ρω_tt(x,t)+E_Iω_xxxx(x,t)-Tω_xx(x,t)-f(x,t)＝0，

所述边界条件的表达式为：

其中，ω(x,t):[0,L]×[0,+∞)→R表示柔性海洋立管在空间坐标x和时间坐标t上的横向位移，ρ,T,E_I,M和L分别表示柔性海洋立管的单位长度的单位质量、张力、弯曲刚度、尖端荷载的质量和立管的长度，ω_x(x,t)和ω_t(x,t)分别表示杆的横向位移ω(x,t)对空间x和对时间t的导数，f(x,t)和d(t)分别表示空间分布扰动和边界扰动，u(t)表示边界控制器；sat(u(t))表示饱和控制器，表示为：

其中，u_max和u_min分别表示执行器的上界和下界。

进一步地，所述获取柔性海洋立管的边界状态信息，包括：

获取柔性海洋立管的立管边界速度ω_t(L,t)，立管边界曲率ω_x(L,t)以及立管边界弯曲的速度ω_xt(L,t)。

进一步地，所述辅助系统的表达式为：

其中，z(t)表示辅助系统的状态，k_z,α,β,ε均为大于0的常数，sgn(z(t))表示符号函数；Δu(t)表示饱和死区函数，表示为Δu(t)＝sat(u(t))-u(t)。

进一步地，所述边界滑模抗饱和控制器的表达式为：

其中，k_a,k_b,k_c,k_d,k,k_s均表示大于0的控制器增益，

表示未知扰动d(t)的上界；s(t)表示滑模函数，表示为：

进一步地，所述在确定所述柔性海洋立管稳定时，获取所述边界滑模抗饱和控制器的增益取值范围，包括：

选取Lyapunov函数，表达式为：

V(t)＝V₁(t)+V₂(t)+V₃(t)+V₄(t)，

其中，α，β均大于0，V₁(t)表示由动能和势能组成的能量项，V₂(t)表示交叉项，V₃(t)表示与辅助系统状态相关的能量项，V₄(t)表示辅助项；

验证所述Lyapunov函数的正定性；

结合所述柔性海洋立管的边界状态信息和所述边界滑模抗饱和控制器验证所述Lyapunov函数对时间t的一阶导数负定性，同时得到所述边界滑模抗饱和控制器的增益取值范围。

作为本发明的另一个方面，提供一种用于柔性海洋立管的振动抑制系统，其中，包括：

传感器，用于获取柔性海洋立管的边界状态信息；

边界滑模抗饱和控制器，用于根据柔性海洋立管的边界状态信息输出执行器的控制信号；

辅助系统，用于根据柔性海洋立管的边界状态信息消除执行器的饱和非线性影响；

执行器，用于接收所述边界滑模抗饱和控制器的控制信号，并作用于柔性海洋立管。

进一步地，所述传感器包括：激光位移传感器、测斜仪和压力应变片。

本发明提供的用于柔性海洋立管的振动抑制方法，采用边界滑模抗饱和控制器消除执行器饱和非线性和外部未知扰动对柔性海洋立管稳定性的影响，使得柔性海洋立管的振动得到抑制并且具有较强的抗扰能力，从而提高操作精度。

附图说明

附图是用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与下面的具体实施方式一起用于解释本发明，但并不构成对本发明的限制。

图1为本发明提供的用于柔性海洋立管的振动抑制方法的流程图。

图2为本发明提供的柔性海洋立管的结构示意图。

图3为本发明提供的用于柔性海洋立管的振动抑制方法的具体实施过程流程图。

图4为本发明提供的用于柔性海洋立管的振动抑制系统的结构框图。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互结合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。

为了使本领域技术人员更好地理解本发明方案，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的实施例，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做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。

需要说明的是，本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本发明的实施例。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包括，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。

在本实施例中提供了一种用于柔性海洋立管的振动抑制方法，图1是根据本发明实施例提供的用于柔性海洋立管的振动抑制方法的流程图，如图1所示，包括：

S110、基于边界扰动力和空间分布扰动力对柔性海洋立管进行建模得到海洋立管模型；

S120、获取柔性海洋立管的边界状态信息；

S130、根据所述柔性海洋立管的边界状态信息以及所述海洋立管模型构建边界滑模抗饱和控制器，所述边界滑模抗饱和控制器能够输出执行器控制值；

S140、根据所述边界滑模抗饱和控制器的输出判断所述执行器控制值是否达到执行器饱和上限；

S150、若达到，则根据所述柔性海洋立管的边界状态信息以及超过饱和上限部分设计辅助系统，所述辅助系统用于消除执行器的饱和非线性影响；

S160、在确定所述柔性海洋立管稳定时，获取所述边界滑模抗饱和控制器的增益取值范围。

本发明实施例提供的用于柔性海洋立管的振动抑制方法，采用边界滑模抗饱和控制器消除执行器饱和非线性和外部未知扰动对柔性海洋立管稳定性的影响，使得柔性海洋立管的振动得到抑制并且具有较强的抗扰能力，从而提高操作精度。

具体地，所述基于边界扰动力和空间分布扰动力对柔性海洋立管进行建模得到海洋立管模型，包括：

根据拉格朗日方程和Hamilton原理对所述柔性海洋立管进行建模，得到Euler-Bernoulli梁的系统方程和边界条件。

如图2所示，为柔性海洋立管的结构示意图，结合图3所示，根据拉格朗日方程和Hamilton原理得到Euler-Bernoulli梁的系统方程和边界条件；获取所述柔性海上立管的边界状态信息；考虑在实际中柔性海上立管可能受到的海浪、风力等分布扰动、执行机构饱和等各种影响柔性海上立管振动与精准作业问题，设计辅助系统；利用所获得的边界状态信息构建相应的边界滑模抗饱和控制器；在保证系统稳定的情况下得到控制器增益的取值范围；判断控制值是否达到执行器饱和上限，若达到，则结合所设计的辅助系统来补偿饱和非线性。

具体地，所述Euler-Bernoulli梁的系统方程的表达式为：

ρω_tt(x,t)+E_Iω_xxxx(x,t)-Tω_xx(x,t)-f(x,t)＝0，

所述边界条件的表达式为：

其中，ω(x,t):[0,L]×[0,+∞)→R表示柔性海洋立管在空间坐标x和时间坐标t上的横向位移，ρ,T,E_I,M和L分别表示柔性海洋立管的单位长度的单位质量、张力、弯曲刚度、尖端荷载的质量和立管的长度，ω_x(x,t)和ω_t(x,t)分别表示杆的横向位移ω(x,t)对空间x和对时间t的导数，f(x,t)和d(t)分别表示空间分布扰动和边界扰动，u(t)表示边界控制器；sat(u(t))表示饱和控制器，表示为：

其中，u_max和u_min分别表示执行器的上界和下界。

具体地，所述获取柔性海洋立管的边界状态信息，包括：

获取柔性海洋立管的立管边界速度ω_t(L,t)，立管边界曲率ω_x(L,t)以及立管边界弯曲的速度ω_xt(L,t)。

具体地，所述辅助系统的表达式为：

其中，z(t)表示辅助系统的状态，k_z,α,β,ε均为大于0的常数，sgn(z(t))表示符号函数；Δu(t)表示饱和死区函数，表示为Δu(t)＝sat(u(t))-u(t)。

具体地，所述边界滑模抗饱和控制器的表达式为：

其中，k_a,k_b,k_c,k_d,k,k_s均表示大于0的控制器增益，

表示未知扰动d(t)的上界；s(t)表示滑模函数，表示为：

在本发明实施例中，滑模面表示为s(t)＝0。

具体地，所述在确定所述柔性海洋立管稳定时，获取所述边界滑模抗饱和控制器的增益取值范围，包括：

选取Lyapunov函数，表达式为：

V(t)＝V₁(t)+V₂(t)+V₃(t)+V₄(t)，

其中，α，β均大于0，V₁(t)表示由动能和势能组成的能量项，V₂(t)表示交叉项，V₃(t)表示与辅助系统状态相关的能量项，V₄(t)表示辅助项；

验证所述Lyapunov函数的正定性；

结合所述柔性海洋立管的边界状态信息和所述边界滑模抗饱和控制器验证所述Lyapunov函数对时间t的一阶导数负定性，同时得到所述边界滑模抗饱和控制器的增益取值范围。

在本发明实施例中，为了证明系统状态可以到达所设计的滑模面，选取Lyapunov函数如下：

代入边界条件以及所设计的边界滑模抗饱和控制器，得到系统状态可在有限时间内到达滑模面，并且所设计的滑模面可以使系统状态ω(x,t)→0也就是柔性立管的振动得到抑制。

作为本发明的另一实施例，提供一种用于柔性海洋立管的振动抑制系统，其中，如图4所示，包括：

传感器，用于获取柔性海洋立管的边界状态信息；

边界滑模抗饱和控制器，用于根据柔性海洋立管的边界状态信息输出执行器的控制信号；

辅助系统，用于根据柔性海洋立管的边界状态信息消除执行器的饱和非线性影响；

执行器，用于接收所述边界滑模抗饱和控制器的控制信号，并作用于柔性海洋立管。

本发明实施例提供的用于柔性海洋立管的振动抑制系统，采用边界滑模抗饱和控制器消除执行器饱和非线性和外部未知扰动对柔性海洋立管稳定性的影响，使得柔性海洋立管的振动得到抑制并且具有较强的抗扰能力，从而提高操作精度。

具体地，所述传感器用于测量柔性立管边界状态信息，包括激光位移传感器、测斜仪和压力应变片等；

所述执行器用于接收控制器传输的控制信号，作用于柔性海洋立管；

所述辅助系统用于消除执行器输入饱和非线性对系统产生的影响，通过判断控制输入是否在饱和范围内来决定辅助系统的输出；

所述边界滑模抗饱和控制器，针对执行器饱和以及边界未知扰动情况，结合辅助系统和滑模控制设计的边界滑模抗饱和控制器，不仅可以消除执行器饱和限制，并且对边界扰动有较好的鲁棒性。

综上，本发明提供的用于柔性海洋立管的振动抑制方法及系统，通过边界滑模抗饱和控制器结合所设计的辅助系统可以有效的消除执行器饱和受限带来的影响，保证了在执行器在受限情况下柔性海上立管的振动能得到很好的抑制；并且考虑外部未知扰动，结合滑模控制设计边界滑模抗饱和控制器，对外部未知扰动有较强的鲁棒性；另外所设计的边界滑模抗饱和控制器所用到的边界状态信息都是可得到的，因此在实际应用中是可行的。

可以理解的是，以上实施方式仅仅是为了说明本发明的原理而采用的示例性实施方式，然而本发明并不局限于此。对于本领域内的普通技术人员而言，在不脱离本发明的精神和实质的情况下，可以做出各种变型和改进，这些变型和改进也视为本发明的保护范围。

Claims (4)

1.一种用于柔性海洋立管的振动抑制方法，其特征在于，包括：

基于边界扰动力和空间分布扰动力对柔性海洋立管进行建模得到海洋立管模型；

获取柔性海洋立管的边界状态信息；

根据所述柔性海洋立管的边界状态信息以及所述海洋立管模型构建边界滑模抗饱和控制器，所述边界滑模抗饱和控制器能够输出执行器控制值；

根据所述边界滑模抗饱和控制器的输出判断所述执行器控制值是否达到执行器饱和上限；

若达到，则根据所述柔性海洋立管的边界状态信息以及超过饱和上限部分设计辅助系统，所述辅助系统用于消除执行器的饱和非线性影响；

在确定所述柔性海洋立管稳定时，获取所述边界滑模抗饱和控制器的增益取值范围；

其中，所述基于边界扰动力和空间分布扰动力对柔性海洋立管进行建模得到海洋立管模型，包括：

根据拉格朗日方程和Hamilton原理对所述柔性海洋立管进行建模，得到Euler-Bernoulli梁的系统方程和边界条件；

其中，所述Euler-Bernoulli梁的系统方程的表达式为：

所述边界条件的表达式为：

其中，ω(x,t):[0,L]×[0,+∞)→R表示柔性海洋立管在空间坐标x和时间坐标t上的横向位移，ρ,T,E_I,M和L分别表示柔性海洋立管的单位长度的单位质量、张力、弯曲刚度、尖端荷载的质量和立管的长度，ω_x(x,t)和ω_t(x,t)分别表示杆的横向位移ω(x,t)对空间x和对时间t的导数，f(x,t)和d(t)分别表示空间分布扰动和边界扰动，u(t)表示边界控制器；sat(u(t))表示饱和控制器，表示为：

其中，u_max和u_min分别表示执行器的上界和下界；

其中，所述获取柔性海洋立管的边界状态信息，包括：

获取柔性海洋立管的立管边界速度ω_t(L,t)，立管边界曲率ω_x(L,t)以及立管边界弯曲的速度ω_xt(L,t)；

其中，所述辅助系统的表达式为：

其中，z(t)表示辅助系统的状态，k_z,α,β,ε均为大于0的常数，sgn(z(t))表示符号函数；Δu(t)表示饱和死区函数，表示为Δu(t)＝sat(u(t))-u(t)；

其中，所述边界滑模抗饱和控制器的表达式为：

其中，k_a,k_b,k_c,k_d,k,k_s均表示大于0的控制器增益，

表示未知扰动d(t)的上界；s(t)表示滑模函数，表示为：

2.根据权利要求1所述的用于柔性海洋立管的振动抑制方法，其特征在于，所述在确定所述柔性海洋立管稳定时，获取所述边界滑模抗饱和控制器的增益取值范围，包括：

选取Lyapunov函数，表达式为：

V(t)＝V₁(t)+V₂(t)+V₃(t)+V₄(t)，

其中，α，β均大于0，V₁(t)表示由动能和势能组成的能量项，V₂(t)表示交叉项，V₃(t)表示与辅助系统状态相关的能量项，V₄(t)表示辅助项；

验证所述Lyapunov函数的正定性；

结合所述柔性海洋立管的边界状态信息和所述边界滑模抗饱和控制器验证所述Lyapunov函数对时间t的一阶导数负定性，同时得到所述边界滑模抗饱和控制器的增益取值范围。

3.一种用于柔性海洋立管的振动抑制系统，用于实现权利要求1或2所述的用于柔性海洋立管的振动抑制方法，其特征在于，包括：

传感器，用于获取柔性海洋立管的边界状态信息；

边界滑模抗饱和控制器，用于根据柔性海洋立管的边界状态信息输出执行器的控制信号；

辅助系统，用于根据柔性海洋立管的边界状态信息消除执行器的饱和非线性影响；

执行器，用于接收所述边界滑模抗饱和控制器的控制信号，并作用于柔性海洋立管。

4.根据权利要求3所述的用于柔性海洋立管的振动抑制系统，其特征在于，所述传感器包括：激光位移传感器、测斜仪和压力应变片。

Images