科研動(dòng)態(tài)
立管反沖的離散魯棒H∞/H2最優(yōu)保性能控制?
中文題目：立管反沖的離散魯棒H∞/H2最優(yōu)保性能控制
論文題目：Discrete-time robust H∞/H2 optimal guaranteed performance control for riser recoil
錄用期刊/會(huì)議：【Ocean Engineering】 (中科院二區(qū))
原文DOI：【https://doi.org/10.1016/j.oceaneng.2024.117699】
錄用/見(jiàn)刊時(shí)間：2024年3月27日
作者列表：
1） 岳元龍 中國(guó)石油大學(xué)（北京）人工智能學(xué)院 自動(dòng)化系教師
2） 孫世龍 中國(guó)石油大學(xué)（北京）人工智能學(xué)院 控制科學(xué)與工程專(zhuān)業(yè) 碩22級(jí)
3） 左 信 中國(guó)石油大學(xué)（北京）人工智能學(xué)院 自動(dòng)化系教師
摘要:
本文提出了一種新型的離散魯棒H∞/H2最優(yōu)保性能控制器，旨在解決具有模型不確定性的海洋立管的反沖問(wèn)題。針對(duì)現(xiàn)有質(zhì)量塊-彈簧-阻尼模型，本文重點(diǎn)考慮了因張緊器機(jī)械性能退化和安裝傾角變化導(dǎo)致的控制輸入矩陣參數(shù)攝動(dòng)，由此引入了模型不確定性因素。通過(guò)構(gòu)建離散時(shí)間狀態(tài)空間模型，設(shè)計(jì)基于線性矩陣不等式的控制器，以約束立管反沖過(guò)程中的速度與加速度的平均值和峰值。仿真結(jié)果表明，所提出的控制器在應(yīng)對(duì)立管反沖時(shí)表現(xiàn)優(yōu)于傳統(tǒng)控制方法，尤其在控制輸入發(fā)生攝動(dòng)和復(fù)雜海況條件下，展現(xiàn)出卓越的魯棒性。
背景與動(dòng)機(jī):
深水鉆井立管系統(tǒng)是平臺(tái)與海底井口的關(guān)鍵連接組件。當(dāng)海上定位系統(tǒng)故障或遇到惡劣天氣時(shí)，需要將海洋立管下部與海底基座分離。在分離瞬間，立管頂部張緊器儲(chǔ)存在立管內(nèi)部的彈性勢(shì)能會(huì)迅速釋放，導(dǎo)致立管反沖，嚴(yán)重危害生產(chǎn)安全，極易造成經(jīng)濟(jì)損失。目前，許多學(xué)者已經(jīng)將傳統(tǒng)控制方法應(yīng)用于立管反沖問(wèn)題，并取得了一定的控制效果。然而，現(xiàn)有的立管反沖模型未能充分考慮張緊器機(jī)械性能退化和安裝角度變化引發(fā)的控制輸入矩陣參數(shù)攝動(dòng)。為了更貼近實(shí)際工況，設(shè)計(jì)一種能夠有效應(yīng)對(duì)這些不確定性因素并具備卓越性能的控制策略顯得尤為重要。
圖1 (a)立管反沖示意圖;(b)立管反沖質(zhì)量塊-彈簧-阻尼模型
設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn):
首先，基于張緊器的機(jī)械性能退化和安裝角度變化，考慮了控制輸入矩陣的參數(shù)攝動(dòng)，建立了具有不確定性的增量式離散立管反沖狀態(tài)空間模型。
圖2 張緊器示意圖
為了約束立管反沖過(guò)程中的速度和加速度，本文通過(guò)設(shè)計(jì)狀態(tài)權(quán)重矩陣Q和輸入權(quán)重矩陣R，構(gòu)建了性能輸出方程Y2(K)。離散化后立管反沖模型的狀態(tài)模型為
設(shè)計(jì)使閉環(huán)系統(tǒng)穩(wěn)定的狀態(tài)反饋控制律U滿足如下性能指標(biāo)
1. 閉環(huán)系統(tǒng)是漸進(jìn)穩(wěn)定的；
2. H∞性能指標(biāo)：從W(K)到Y(K)的閉環(huán)傳遞函數(shù)滿足
3. H2性能指標(biāo)：閉環(huán)系統(tǒng)性能指標(biāo)J(K)滿足
為滿足以上目標(biāo)，建立如下的線性矩陣不等式求解控制律U
實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析:
本文使用南海某鉆井平臺(tái)的立管數(shù)據(jù)進(jìn)行仿真測(cè)試，對(duì)比了魯棒H∞/H2控制器(DRHGPC)與LQR控制器在四種不同海況下的性能。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，所提出的控制器在應(yīng)對(duì)立管反沖時(shí)，響應(yīng)速度快，反沖幅度小，優(yōu)于傳統(tǒng)的LQR控制器，尤其在控制輸入矩陣發(fā)生攝動(dòng)與極端海況下表現(xiàn)更為優(yōu)越，有效減少了設(shè)備損壞風(fēng)險(xiǎn)。
圖3 LQR和DRHGPC控制下的立管反沖的位移與速度
圖4 張緊器不同機(jī)械性能時(shí)質(zhì)量塊一DRHGPC和LQR控制效果對(duì)比
圖5 等效彈簧形變對(duì)比
結(jié)論:
本文針對(duì)海洋立管反沖控制問(wèn)題，考慮張緊器安裝傾角變化和性能退化引發(fā)的不確定性，建立了新的立管反沖的動(dòng)態(tài)模型。在此基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了一種基于H∞/H2理論的魯棒控制器，能夠約束立管反沖過(guò)程中位移和速度的最大值及其平均值。通過(guò)結(jié)合工程現(xiàn)場(chǎng)采集的離散信號(hào)與控制信號(hào)，利用線性矩陣不等式（LMI）方法求解控制器參數(shù)，仿真結(jié)果驗(yàn)證了該控制器在不確定條件下的優(yōu)越性能，有效提升了系統(tǒng)的穩(wěn)定性與抗干擾能力。
作者簡(jiǎn)介:
岳元龍，高級(jí)工程師。博士，中國(guó)石油大學(xué)（北京）人工智能學(xué)院自動(dòng)化系高級(jí)工程師，從事深海油氣水下控制系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)研究、數(shù)據(jù)融合和嵌入式硬件開(kāi)發(fā)。
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