面向具有内流动力学和输入输出约束的深海输油柔性立管的鲁棒自适应边界控制研究

Flexible marine risers are the key components between the offshore platform and seabed wellhead. Long-term vortex-induced vibration caused by the ocean disturbances has become the main factor in leading fatigue failure of the flexible marine risers. It will be theoretically and practically significant to develop an advanced vibration control system for extending service life of riser, improving productivity and ensuring the production safety. According to the requirements of energy development on 13th Five-Year Plan, in this project we focus on the key problems of the flexible riser in the deep-sea oil and gas development system. Firstly, the effects of internal fluid dynamics, characteristics of nonlinear coupled vibration, relations between the input and output constraints and vibration offset are studied, and the objective is to further establish the spatial nonlinear dynamical model of riser system. Secondly, the algorithms of handling the input and output constraints, robust adaptive boundary control strategies and disturbance observer are designed. Finally, the software and hardware semi-physical experiment platform is developed to verify the effectiveness of our control algorithms. The successful implementation of this project will provide further theoretical supports and feasible solutions to settle generic technologies and methodological issues for the active vibration suppression of riser system, and lay solid bases for the development and industrialization of the vibration control system of flexible riser in future.

柔性立管作为连接海面业平台与海床井口的关键构件，海洋扰动引起的长期涡激振动是造成柔性立管疲劳破损的主要原因，开展先进的振动控制系统研究，对延长立管使用寿命、提高生产效率和保证海洋油气生产安全具有重要的理论和实际意义。本项目基于能源发展“十三五”规划要求，以深海油气开发系统中的柔性立管为研究对象。首先，拟分析内流动力学、非线性振动耦合特性、输入输出约束与振动偏移量之间联系等对立管动力学响应的影响，进一步建立立管的空间耦合非线性动力学模型；其后，拟设计输入输出约束处理算法、鲁棒自适应边界控制策略和扰动观测器；最后，拟开发硬/软件半实物实验平台进行实验研究，验证控制算法的正确性、有效性和可靠性。本项目的研究和成功实施将为解决我国深海油气开发工程中柔性立管振动主动抑制的共性技术和方法难题提供进一步理论支持和切实可行的解决方案，并为将来深海柔性立管振动控制系统的研发和产业化打下坚实的理论基础。

本项目将抗干扰控制、抗约束控制以及自适应鲁棒控制技术有机结合，研究了在系统不确定性、未知扰动和非线性约束作用下海洋柔性立管系统的空间建模和振动边界控制问题。为海洋柔性立管系统建立了耦合非线性空间动力学模型，设计了易于工程实现的边界控制方案，提呈了严格的理论分析框架，解决了基于降阶模型进行控制设计的传统控制方法将带来溢出稳定性、无限维增益矩阵计算困难和难以实际应用等问题，并搭建半实物物理系统验证了所设计控制器的有效性。本项目已完成了如下研究：1) 基于内流动力学、外部载荷动力学、非线性振动耦合特性、以及输入输出约束与振动偏移量之间关系等的解析，建立了表征立管振动特性的无限维分布参数空间动力学模型；2）设计了基于干扰观测器、追踪边界扰动一阶时间微分、有限时间收敛、鲁棒自适应等的边界抗干扰控制四种控制策略，对立管振动进行主动控制；3）针对受限的海洋柔性立管系统，提出了抗饱和、抗反向间隙、抗死区、抗饱和死区、抗饱和间隙、抗输出约束、抗输入输出约束以及抗输入约束和模型不确定性的自适应边界控制策略，以抑制海洋立管系统的振动、补偿结构参数/外部载荷的不确定性并实现抗约束的控制；4）采用数学手段，对上述所设计的边界控制策略稳定性进行了严格的理论分析和数学证明；5）搭建了一个基于MATLAB-C++-ANDROID-ARM的海洋立管系统振动主动控制的半实物物理仿真实验平台，进一步验证所设计控制的有效性。.项目执行三年以来，达到了预期的研究目标，共发表/录用SCI/EI期刊论文31篇，其中Automatica和IEEE Transactions系列论文22篇（10篇论文入选ESI高被引论文、2篇论文入选热点论文）, EI会议论文6篇；授权发明专利共7项；培养人才10人。研究的实施，不仅为我国深海油气开发工程中柔性立管系统振动主动控制提供一些新的、有效的方法和理论依据，同时也推动深海输油柔性立管振动控制系统研发和产业化的发展。研究成果除了在柔性立管应用外，还可以推广到其他柔性结构中。