一種海洋立管橫向振動pd控制模擬方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于海洋輸油立管安全生產(chǎn)領(lǐng)域，具體涉及一種海洋立管橫向振動ro控 制模擬方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 海洋輸油管道是海上油氣集輸?shù)闹饕问?，具有連續(xù)、快捷、輸送量大、受氣候影 響小等優(yōu)點(diǎn)。它連接著海洋油氣田開發(fā)的上游和下游，是整個(gè)海洋油氣田開發(fā)中的生命線 工程。目前海洋油氣開發(fā)（特別是深水和超深水油氣資源勘探開發(fā)）已經(jīng)成為世界油氣開 采的重點(diǎn)領(lǐng)域。海洋油氣資源的安全生產(chǎn)對于我國打造可持續(xù)能源和資源面積，維護(hù)國家 經(jīng)濟(jì)安全具有重要意義。由于近海油氣生產(chǎn)的特點(diǎn)，海洋輸油管道多采用裸露敷設(shè)，掩埋管 線的海床受海水不斷沖刷，海底管線經(jīng)常出現(xiàn)懸空。輸油管道懸空段在海水渦旋激勵的作 用下，易產(chǎn)生周期性振動。其中由振動引起的立管疲勞破壞是影響海洋輸油安全的重要原 因，由此引起的原油泄漏，既給近海油氣生產(chǎn)帶來重大的經(jīng)濟(jì)損失，也給近海海域的生態(tài)環(huán) 境帶來災(zāi)難性的破壞。對海洋石油資源進(jìn)行開發(fā)利用，無論是從實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排目標(biāo)，還是從 能源需求、能源安全以及能源長遠(yuǎn)戰(zhàn)略目標(biāo)儲備上考量，都具有重要意義。
[0003] 國內(nèi)對海洋輸油管道振動問題的研宄還相對較少，主要集中在輸油管道穩(wěn)定性分 析、渦激振動分析等理論分析方面，尚無針對管道振動進(jìn)行問題建模及安全控制設(shè)計(jì)等方 面的深入研宄。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 為了克服現(xiàn)有技術(shù)存在的缺點(diǎn)與不足，本發(fā)明提供一種海洋立管橫向振動ro控 制模擬方法。
[0005] 本發(fā)明采用如下技術(shù)方案：
[0006] -種海洋立管橫向振動ro控制模擬方法，包括如下步驟：
[0007] S1利用差分離散化方法，對roEs方程進(jìn)行離散化處理；
[0008] S2離散處理S1得到的數(shù)據(jù)，時(shí)間離散點(diǎn)每次運(yùn)算7個(gè)，此離散迭代方法記為F7;
[0009] S3在PC機(jī)上建立Matlab⑶I界面，將第n次運(yùn)算的7個(gè)差分運(yùn)算結(jié)果用plot函 數(shù)畫出，顯示在界面窗口，同時(shí)將每次運(yùn)算的7個(gè)差分運(yùn)算結(jié)果由串口傳送到控制模塊；
[0010] S4控制模塊接收串口傳輸?shù)臄?shù)據(jù)，對數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)識符識別分類后，并判斷數(shù)據(jù)格 式是否正確，若正確，則提取這組數(shù)據(jù)中的w(L/2, t)、w(L，t)儲存，否則返回?cái)?shù)據(jù)，重新標(biāo) 識符分類，w(L/2, t)、w(L，t)分別指在t時(shí)刻海洋立管中部L/2位移處和末端L位移處的 振動偏移量，L為海洋立管的長度；
[0011] S5根據(jù)計(jì)算海洋立管中部橫向振動速度及海洋立管末端橫向振動速度設(shè)計(jì)ro邊 界控制算法；
[0012] S6將ro控制算法轉(zhuǎn)為電信號通過串口發(fā)回到PC機(jī)，PC機(jī)判斷是否有信號，若 判斷為有，加入控制信號，重復(fù)S1-S5,若判斷為無，則進(jìn)行n+1次的7個(gè)差分運(yùn)算即重復(fù) S3-S5, n為自然數(shù)，初始值為1。
[0013] 所述ro邊界控制算法如下：
[0014]
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種海洋立管橫向振動PD控制模擬方法，其特征在于，包括如下步驟： S1利用差分離散化方法，對roEs方程進(jìn)行離散化處理； S2離散處理S1得到的數(shù)據(jù)，時(shí)間離散點(diǎn)每次運(yùn)算7個(gè)，此離散迭代方法記為F7; S3在PC機(jī)上建立Matlab⑶I界面，將第n次運(yùn)算的7個(gè)差分運(yùn)算結(jié)果用plot函數(shù)畫 出，顯示在界面窗口，同時(shí)將每次運(yùn)算的7個(gè)差分運(yùn)算結(jié)果由串口傳送到控制模塊； S4控制模塊接收串口傳輸?shù)臄?shù)據(jù)，對數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)識符識別分類后，并判斷數(shù)據(jù)格式是 否正確，若正確，則提取這組數(shù)據(jù)中的w(L/2,t)、w(L，t)儲存，否則返回?cái)?shù)據(jù)，重新標(biāo)識符 分類，w(L/2,t)、w(L，t)分別指在t時(shí)刻海洋立管中部L/2位移處和末端L位移處的振動 偏移量，L為海洋立管的長度； S5根據(jù)計(jì)算海洋立管中部橫向振動速度及海洋立管末端橫向振動速度設(shè)計(jì)ro邊界控 制算法； S6將ro控制算法轉(zhuǎn)為電信號通過串口發(fā)回到pc機(jī)，pc機(jī)判斷是否有信號，若判斷為 有，加入控制信號，重復(fù)S1-S5,若判斷為無，則進(jìn)行n+l次的7個(gè)差分運(yùn)算即重復(fù)S3-S5,n 為自然數(shù)，初始值為1。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述ro邊界控制算法如下：
其中：ht=T/nt為將仿真時(shí)間T進(jìn)行nt，ntGZ等分后每段的步長，kpk2>0是調(diào)試后 選擇的最優(yōu)控制增益
分別是海洋立管振動的橫向位移函數(shù)w(x，t)在位 置L處和時(shí)間t' =bht,b= 1，2, 3,...時(shí)關(guān)于位移x和時(shí)間t一階偏導(dǎo)數(shù)。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，S2離散處理S1得到的數(shù)據(jù)，時(shí)間離散點(diǎn) 每次運(yùn)算7個(gè)，此離散迭代方法記為F7; S2. 1初始化各個(gè)參數(shù)，建立4個(gè)矩陣，即2個(gè)臨時(shí)儲存矩陣Df，Dlw和2個(gè)存儲矩陣DF，D1W; S2. 2當(dāng)t= 7n時(shí)，n初始值為1，的運(yùn)算的結(jié)果存入Df，利用Df中的數(shù)值離散計(jì)算w(x，t)，得到Dlw，同時(shí)將這2個(gè)矩陣?yán)锏闹捣謩e存入2個(gè)存儲矩陣； S2. 3再由Dlw算出柔性機(jī)械臂L處的值w(L，t)放入新建的D2w，此時(shí)得到了整個(gè)柔性機(jī) 械臂0到L處的狀態(tài)，然后由函數(shù)plot畫圖在顯示窗口顯示； S2. 4將運(yùn)算好的臨時(shí)儲存矩陣數(shù)據(jù)存入存儲矩陣，將臨時(shí)矩陣清零，然后當(dāng)判斷到t=(n+l)X7時(shí)再繼續(xù)以上3個(gè)步驟； S2. 5當(dāng)判定t=Timeout時(shí)結(jié)束循環(huán)。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述控制模塊位于ARM板上。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述MatlabGW界面設(shè)置暫停按鈕及流 速輸入窗口。
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種海洋立管橫向振動PD控制模擬方法，包括對偏微分方程進(jìn)行離散化處理，然后在PC機(jī)上建立Matlab GUI界面動態(tài)模擬立管振動，采集立管振動的數(shù)據(jù)，通過串口傳輸控制模塊，控制模塊根據(jù)數(shù)據(jù)設(shè)計(jì)PD控制算法，并將算法轉(zhuǎn)為電信號輸出到PC機(jī)，發(fā)明的界面能及時(shí)接收控制模塊發(fā)出的控制信號并快速對控制信號進(jìn)行響應(yīng)。
【IPC分類】G06F17-50
【公開號】CN104573259
【申請?zhí)枴緾N201510032927
【發(fā)明人】劉嶼, 趙志甲, 許冰霜
【申請人】華南理工大學(xué)
【公開日】2015年4月29日
【申請日】2015年1月22日