半潜式海洋平台主动波浪补偿系统开发(附件)【字数：12621】
2、以上一～四项由指导教师填写摘 要2、以上一～四项由指导教师填写摘 要波浪补偿系统是一种通过主动或被动技术，对由于波浪运动引起的工作母船或者海洋平台上作业设备的不规则运动进行补偿的系统。本文针对一种新型半潜式海洋钻井平台，结合其波浪补偿运动学模型，开发了适用于该平台的主动波浪补偿控制系统。本文首先对主动波浪补偿系统、操控系统及监测系统程序进行了总体方案设计，并建立了基于主动波浪补偿的液压系统数学模型。在充分考虑比例阀死区对液压缸位置控制效果影响的情况下，对建立的液压系统传递函数采用PID控制器进行仿真与分析，得出其电液比例位置控制系统信号跟踪误差为20%。此外，为了降低建立液压系统传递函数带来的误差，本文在AMESim里对单个液压系统进行仿真，通过使用其模块化建模库，快速得到系统数学模型，分析单个液压缸的响应曲线，得出其信号跟踪误差为11%。在此基础上，本文又在AMESim里面使用反向死区元件对比例阀死区进行补偿，通过仿真分析，得出其信号跟踪误差仅为7%。最后，本文搭建了主动波浪补偿试验平台，采用经典PID控制器对液压缸进行位置闭环控制，并对比例阀死区进行补偿，经过试验测试，得出其电液比例位置控制稳态误差小于±1mm，其信号跟踪误差仅为10%。此外，通过试验将钻井平台模型上部工作甲板倾角曲线与下船体运动倾角曲线进行对比分析，得出试验模型工作甲板的稳定性提高了70%以上，验证了主动波浪补偿控制系统的正确性。关键词主动波浪补偿；PID控制器；AMESim；死区；电液比例控制
目 录
第一章 绪论 1
1.1 研究背景 1
1.2 波浪补偿技术研究现状 2
1.3 本文主要研究内容 3
第二章 半潜式海洋平台主动波浪补偿系统设计 4
2.1 半潜式海洋平台主动波浪补偿系统总体方案设计 4
2.1.1 新型半潜式海洋钻井平台介绍 4
2.1.2 半潜式海洋平台主动波浪补偿系统方案设计 5
2.2 半潜式海洋平台主动波浪补偿液压系统设计 5
2.2.1 主动波浪补偿液压系统方案设计 5
2.2.2 主动波浪补偿液压系统建模 6
2.3 半潜式海洋平台主动波浪补偿监控系统设计 12
*好棒文|www.hbsrm.com +Q: @351916072@
2.3.1 半潜式海洋平台主动波浪补偿操控系统设计 12
2.3.2 半潜式海洋平台主动波浪补偿监视系统设计 13
第三章 半潜式海洋平台主动波浪补偿控制技术研究 14
3.1 半潜式海洋平台主动波浪补偿控制算法设计 14
3.1.1 PID控制原理 14
3.1.2 PID控制器参数的确定 15
3.2 基于Simulink的主动波浪补偿控制算法仿真与分析 16
3.2.1 Simulink仿真模型的建立 16
3.2.2 Simulink仿真结果分析 17
3.3 基于AMESim的主动波浪补偿控制算法仿真与分析 18
3.3.1 AMESim软件介绍 18
3.3.2 AMESim仿真模型的建立 18
3.3.3 AMESim仿真结果分析 20
3.3.4 基于AMESim的单缸死区补偿仿真分析 21
第四章 半潜式海洋平台主动波浪补偿试验系统研究 23
4.1 试验系统简介 23
4.2 试验平台搭建 24
4.2.1 试验系统工作原理及其电气原理图的绘制 24
4.2.2 试验系统硬件选型 24
4.3 试验平台监控程序开发 26
4.3.1 试验平台触摸屏控制程序开发 26
4.3.2 试验平台监视程序开发 28
4.4 试验平台控制效果与分析 30
4.4.1 单个液压缸的PID位置闭环控制 31
4.4.2 单个液压缸的死区补偿控制 33
4.4.3 平台工作甲板调节效果 35
结 语 38
致 谢 39
参考文献 40
第一章 绪论
研究背景
（1）半潜式海洋钻井平台的发展
随着海洋资源开采范围的日益增大，深海油气资源开发已成为当今石油工业重要的前沿阵地。20世纪70年代以前，世界海洋油气开采的钻井平台仅建在低于100m水深的海域，到80年代初期水深达到300m，到目前为止海洋石油作业水深已经超过3000m。同时，随着陆上以及浅海石油资源的日趋枯竭也迫切要求我们尽快发展深海开采技术。因而，深海平台技术已经成为石油工业发展的必然趋势。
坐底式平台、重力式平台、导管架平台和自升式钻井平台等主要作业于浅海区域，并且随着油气勘探开发日益向深海推进，张力腿平台也慢慢显示出其局限性，钻井船和半潜式钻井平台也越来越成为主要选择。而与钻井船相比，半潜式钻井平台在波浪中的运动响应、对恶劣海况的适应性、甲板可变载荷、自持力等方面有一定的优越性[1],因而其在深海能源开采中具有其他形式平台无法比拟的优势。
近些年来，海洋科技也已经成为世界各国关注的焦点。2011年9月，国家发展改革委等4部委下发《关于印发海洋工程装备产业创新发展战略（2011－2020）的通知》，2012年8月，国务院发布《“十二五”国家战略性新兴产业发展规划》，将海洋工程装备产业创新发展上升为国家战略，并列入七大战略性新兴产业[2]。
（2）波浪补偿系统介绍
波浪补偿系统是一种通过主动或被动技术，对由于波浪运动引起的工作母船或者海洋平台上作业设备的不规则运动进行补偿的系统[3]。目前波浪补偿技术使用的领域主要集中在海洋平台钻采作业、海上货物起吊、潜器回收吊放、大洋采矿、舰船间物资转运（如航行时的燃油、弹药、食品、补给）等方面[3]。
并且，随着海上作业的日益发达和繁荣，波浪补偿系统也越来越被广泛应用于国内外的舰船以及海上作业平台上的吊装作业等。通过波浪补偿，能够大大提高海上作业的安全性、可靠性和高效性。波浪补偿技术核心的研究内容为波浪补偿系统控制，控制系统所具有的良好的控制性能以及可操作性，是整个波浪补偿控制系统能够高效并且安全作业的前提条件。
因而，对主动波浪补偿系统开展研究，并研制新型半潜式海洋钻井平台主动波浪补偿控制系统，减小平台工作甲板因风浪作用而产生的大幅度晃动，对提升平台工作甲板稳定性以及增加平台上工作设备的使用寿命具有重要意义。
波浪补偿技术研究现状
随着人类不断勘探和开采各种海洋资源，各国在海洋资源开发装备方面的研究现已经进入了一个新的阶段。波浪补偿技术作为海上石油钻采、海上设备回收以及海洋装备物品吊放等重要作业中的关键技术，也日益得到广泛的研究和应用。
（1）国内波浪补偿技术的研究
在潜器收放方面，杨文林等[4]对水下机器人升沉补偿系统进行了研究，采用液压绞车主动补偿形式实现水下机器人的补偿；吴开塔[5]对Rov被动式升沉补偿系统进行了研究，根据“海洋六号”4500m Rov吊放方案，确定了以串联补偿器的形式进行被动补偿。
目 录
第一章 绪论 1
1.1 研究背景 1
1.2 波浪补偿技术研究现状 2
1.3 本文主要研究内容 3
第二章 半潜式海洋平台主动波浪补偿系统设计 4
2.1 半潜式海洋平台主动波浪补偿系统总体方案设计 4
2.1.1 新型半潜式海洋钻井平台介绍 4
2.1.2 半潜式海洋平台主动波浪补偿系统方案设计 5
2.2 半潜式海洋平台主动波浪补偿液压系统设计 5
2.2.1 主动波浪补偿液压系统方案设计 5
2.2.2 主动波浪补偿液压系统建模 6
2.3 半潜式海洋平台主动波浪补偿监控系统设计 12
*好棒文|www.hbsrm.com +Q: @351916072@
2.3.1 半潜式海洋平台主动波浪补偿操控系统设计 12
2.3.2 半潜式海洋平台主动波浪补偿监视系统设计 13
第三章 半潜式海洋平台主动波浪补偿控制技术研究 14
3.1 半潜式海洋平台主动波浪补偿控制算法设计 14
3.1.1 PID控制原理 14
3.1.2 PID控制器参数的确定 15
3.2 基于Simulink的主动波浪补偿控制算法仿真与分析 16
3.2.1 Simulink仿真模型的建立 16
3.2.2 Simulink仿真结果分析 17
3.3 基于AMESim的主动波浪补偿控制算法仿真与分析 18
3.3.1 AMESim软件介绍 18
3.3.2 AMESim仿真模型的建立 18
3.3.3 AMESim仿真结果分析 20
3.3.4 基于AMESim的单缸死区补偿仿真分析 21
第四章 半潜式海洋平台主动波浪补偿试验系统研究 23
4.1 试验系统简介 23
4.2 试验平台搭建 24
4.2.1 试验系统工作原理及其电气原理图的绘制 24
4.2.2 试验系统硬件选型 24
4.3 试验平台监控程序开发 26
4.3.1 试验平台触摸屏控制程序开发 26
4.3.2 试验平台监视程序开发 28
4.4 试验平台控制效果与分析 30
4.4.1 单个液压缸的PID位置闭环控制 31
4.4.2 单个液压缸的死区补偿控制 33
4.4.3 平台工作甲板调节效果 35
结 语 38
致 谢 39
参考文献 40
第一章 绪论
研究背景
（1）半潜式海洋钻井平台的发展
随着海洋资源开采范围的日益增大，深海油气资源开发已成为当今石油工业重要的前沿阵地。20世纪70年代以前，世界海洋油气开采的钻井平台仅建在低于100m水深的海域，到80年代初期水深达到300m，到目前为止海洋石油作业水深已经超过3000m。同时，随着陆上以及浅海石油资源的日趋枯竭也迫切要求我们尽快发展深海开采技术。因而，深海平台技术已经成为石油工业发展的必然趋势。
坐底式平台、重力式平台、导管架平台和自升式钻井平台等主要作业于浅海区域，并且随着油气勘探开发日益向深海推进，张力腿平台也慢慢显示出其局限性，钻井船和半潜式钻井平台也越来越成为主要选择。而与钻井船相比，半潜式钻井平台在波浪中的运动响应、对恶劣海况的适应性、甲板可变载荷、自持力等方面有一定的优越性[1],因而其在深海能源开采中具有其他形式平台无法比拟的优势。
近些年来，海洋科技也已经成为世界各国关注的焦点。2011年9月，国家发展改革委等4部委下发《关于印发海洋工程装备产业创新发展战略（2011－2020）的通知》，2012年8月，国务院发布《“十二五”国家战略性新兴产业发展规划》，将海洋工程装备产业创新发展上升为国家战略，并列入七大战略性新兴产业[2]。
（2）波浪补偿系统介绍
波浪补偿系统是一种通过主动或被动技术，对由于波浪运动引起的工作母船或者海洋平台上作业设备的不规则运动进行补偿的系统[3]。目前波浪补偿技术使用的领域主要集中在海洋平台钻采作业、海上货物起吊、潜器回收吊放、大洋采矿、舰船间物资转运（如航行时的燃油、弹药、食品、补给）等方面[3]。
并且，随着海上作业的日益发达和繁荣，波浪补偿系统也越来越被广泛应用于国内外的舰船以及海上作业平台上的吊装作业等。通过波浪补偿，能够大大提高海上作业的安全性、可靠性和高效性。波浪补偿技术核心的研究内容为波浪补偿系统控制，控制系统所具有的良好的控制性能以及可操作性，是整个波浪补偿控制系统能够高效并且安全作业的前提条件。
因而，对主动波浪补偿系统开展研究，并研制新型半潜式海洋钻井平台主动波浪补偿控制系统，减小平台工作甲板因风浪作用而产生的大幅度晃动，对提升平台工作甲板稳定性以及增加平台上工作设备的使用寿命具有重要意义。
波浪补偿技术研究现状
随着人类不断勘探和开采各种海洋资源，各国在海洋资源开发装备方面的研究现已经进入了一个新的阶段。波浪补偿技术作为海上石油钻采、海上设备回收以及海洋装备物品吊放等重要作业中的关键技术，也日益得到广泛的研究和应用。
（1）国内波浪补偿技术的研究
在潜器收放方面，杨文林等[4]对水下机器人升沉补偿系统进行了研究，采用液压绞车主动补偿形式实现水下机器人的补偿；吴开塔[5]对Rov被动式升沉补偿系统进行了研究，根据“海洋六号”4500m Rov吊放方案，确定了以串联补偿器的形式进行被动补偿。
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