海洋钻井平台分布式任务空间协同控制策略研究

Offshore oil development is an effective manner to reduce the crude oil imports and improve energy security in China. The offshore drilling platforms have played the key roles in oil engineering. From the system and control perspective, the semi-submersible drilling platform is a class of strongly coupled, multiple input and multiple output nonlinear system, which requires the moving parts to work cooperatively in the task space. Towards this type of complex nonlinear dynamical system, the proposal will carry out the applicable basic theory research and construct a new distributed task space cooperative control framework for offshore semi-submersible drilling platform to cope with the system uncertainty and stochastic disturbance. Finally, it will achieve the high quality control for these systems. It will be explored deeply in the following areas: the new definitions of cooperative error and cross coupling error in task space, the theory of synthesis and analysis for distributed task space cooperative control, the experiments and applications in the offshore semi-submersible drilling platform experimental device provided by the "Petroleum Engineering Key Laboratory of Ministry of Education". The purpose of this proposal is to solve the frontier control theory in the distributed cooperative control for offshore semi-submersible drilling platform. It will have some generality and can reveal the general rules in the design of the distributed cooperative control, which has the positive scientific significance and long-term practical value.

海洋石油开发是减少中国原油进口、提高能源安全的重要措施。海洋钻井平台在海洋石油工程中发挥了关键作用。从系统与控制角度看，它是一类强耦合、多输入多输出的非线性系统，生产中需要多个运动部件在任务空间中协同工作。本课题面向这类复杂的非线性动力学系统，开展应用基础理论研究，拟构建一种全新的海洋半潜式钻井平台任务空间分布式协同控制理论框架，克服系统不确定性和随机干扰影响，实现系统高品质控制。课题将深入探索任务空间协同误差和交叉耦合误差定义新方法；研究钻井平台系统任务空间分布式协同跟踪控制器综合与分析理论；依托"石油工程教育部重点实验室"开展实验研究，将所得理论成果应用于大型海洋钻井平台实验装置，验证理论方法的正确性和有效性。本课题以解决半潜式钻井平台分布式协同控制前沿理论问题为目标，预期研究结果具有一定的普适性，能够揭示钻井平台系统分布式协同控制设计的一般规律，具有较高学术价值和应用前景。

本项目提出了一种海洋半潜式钻井平台任务空间分布式协同控制方法，克服系统不确定性和随机干扰影响，可实现系统高品质定位控制。.1、研究了非线性辨识方法。提出了一种适用于海洋钻井平台的非线性多项式模型，该方法采用控制器设计导向的非线性模型辨识方法，可得到一类NARMAX模型，基于这种模型，可依据U模型控制方法设计离散海洋钻井平台分布式协同控制；设计了一种增强Kalman滤波器，可估计复杂非线性系统动力学参数。这个方法可以用于海洋钻井平台动力学系统辨识，得到一类非线性有理模型。.2、研究了自适应有限时间稳定的滑模观测器设计方法。该方法可以在有限时间内在线估计不匹配不确定参数，具有较强的鲁棒性，能够有效克服匹配不确定性的影响，在此基础上能够在有限时间内估计海洋平台的速度和加速度估计等状态以及集总参数不确定性，可用于平台的各种控制算法。.3、研究了海洋钻井平台滑模控制方法。提出了非奇异终端滑模控制，具有较强的鲁棒性和抗干扰能力；设计了一种鲁棒自适应滑模控制算法，能够在线估计系统不确定性的边界，运用了一种新的微分器，可在线估计系统的速度和加速度；研究了一种具有终端收敛能力快速、饱和自适应滑模控制方法，能够保证控制器输出始终在执行器输出能力范围内；开发了一种基于状态观测器的输出反馈滑模控制算法，无需测量系统速度，具有较高的鲁棒性和跟踪精度；设计了一种基于低通滤波器的滑模控制算法，降低了系统的抖振。.4、研究了分布式协同控制算法。提出了一种任务空间分布式协同控制策略，可以协调驱动器之间的相互干涉，运用自适应控制的方法可以在线估计运动学和动力学参数；研究了一类时变通讯拓扑结构协同控制算法，可以协同驱动器的运动，实现整体一致控制；研究了一种分散鲁棒滑模控制方法，可以有效处理驱动器之间的耦合，实现系统协调控制。.5、提出了一种海洋钻井平台动力定位控制实验方法，完成了海洋钻井平台动力定位控制仿真平台，可验证本课题提出的各类算法。