動(dòng)力定位系統(tǒng)模型預(yù)測(cè)控制與失效移位研究.pdf

1、我國南海油氣資源總量占全國的1/3，并且主要集中在500～3000m深水海域，隨著“建設(shè)海洋強(qiáng)國”、《中國制造2025》和“21世紀(jì)海上絲綢之路”國家戰(zhàn)略的逐步實(shí)施，越來越多深水作業(yè)的船舶或平臺(tái)將會(huì)配備動(dòng)力定位系統(tǒng)?，F(xiàn)在海洋行業(yè)對(duì)動(dòng)力定位船舶或平臺(tái)作業(yè)的安全性和可靠性要求越來越高，為了確保動(dòng)力定位船舶或平臺(tái)的作業(yè)安全，必須同時(shí)確保動(dòng)力定位系統(tǒng)的控制精度和一旦發(fā)生動(dòng)力定位系統(tǒng)失效后能及時(shí)、安全、有效地解脫。本文首先建立了動(dòng)力定位系統(tǒng)船舶數(shù)

2、學(xué)模型，按38∶1縮小比設(shè)計(jì)、制作了供給船船模用于海洋環(huán)境擾動(dòng)仿真平臺(tái)和預(yù)測(cè)模型控制算法的試驗(yàn)驗(yàn)證，然后搭建了海洋環(huán)境擾動(dòng)仿真平臺(tái)用于預(yù)測(cè)模型控制算法和鉆井平臺(tái)漂移曲線的仿真計(jì)算，并提出了基于狀態(tài)估計(jì)器的模型預(yù)測(cè)控制算法，開發(fā)了基于鉆井平臺(tái)漂移和驅(qū)離曲線的深水鉆井船或平臺(tái)動(dòng)力定位系統(tǒng)失效移位計(jì)算軟件，并通過了“海洋石油981”平臺(tái)實(shí)船驗(yàn)證。
　　本研究主要內(nèi)容包括：⑴描述船舶運(yùn)動(dòng)的坐標(biāo)系，并建立了動(dòng)力定位系統(tǒng)船舶數(shù)學(xué)模型，包括船舶

3、動(dòng)力學(xué)模型和船舶運(yùn)動(dòng)學(xué)模型，按38∶1縮小比設(shè)計(jì)、制作了海洋平臺(tái)供給船船模，通過大量的試驗(yàn)獲得了船模的水動(dòng)力參數(shù)，最后基于Matlab搭建了動(dòng)力定位系統(tǒng)船舶運(yùn)動(dòng)數(shù)學(xué)模型，為后續(xù)仿真、船模試驗(yàn)奠定了基礎(chǔ)。⑵從船舶動(dòng)力定位控制系統(tǒng)研究的核心問題----環(huán)境擾動(dòng)切入。為了有效地量化海洋環(huán)境對(duì)動(dòng)力定位船舶或平臺(tái)的作用，分別建立了精確的風(fēng)力、波浪和海流數(shù)學(xué)模型，基于Matlab/Simulink構(gòu)建了海洋環(huán)境風(fēng)力、波浪擾動(dòng)的仿真平臺(tái)，綜合研究風(fēng)力

4、、波浪擾動(dòng)的特性以及風(fēng)力、波浪擾動(dòng)對(duì)船舶的作用力/力矩和船舶位置的影響，最后利用所搭建的供給船船模進(jìn)行了水池驗(yàn)證試驗(yàn)，驗(yàn)證了所搭建海洋環(huán)境擾動(dòng)仿真平臺(tái)的準(zhǔn)確性、有效性和通用性。⑶針對(duì)動(dòng)力定位系統(tǒng)中存在狀態(tài)不完全可測(cè)時(shí)的控制問題，提出了基于狀態(tài)估計(jì)器的模型預(yù)測(cè)控制算法，實(shí)現(xiàn)了約束條件下的動(dòng)力定位系統(tǒng)精確控制，基于 Matlab/Simulink對(duì)有無約束及有無狀態(tài)估計(jì)器的模型預(yù)測(cè)控制進(jìn)行了仿真對(duì)比分析，最后進(jìn)行供給船船模水池試驗(yàn)，通過仿真

5、計(jì)算和船模試驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了基于狀態(tài)估計(jì)器的模型預(yù)測(cè)控制算法的有效性和準(zhǔn)確性。⑷針對(duì)深水鉆井船或平臺(tái)發(fā)生動(dòng)力定位系統(tǒng)失效移位時(shí)隔水管系統(tǒng)的解脫時(shí)間問題，統(tǒng)計(jì)分析了鉆井船或平臺(tái)動(dòng)力定位系統(tǒng)失效移位事故數(shù)據(jù)，分析了鉆井船或平臺(tái)動(dòng)力定位系統(tǒng)失效移位模式，研究深水鉆井船或平臺(tái)在動(dòng)力定位系統(tǒng)失效后的平臺(tái)移位運(yùn)動(dòng)規(guī)律，根據(jù)海洋環(huán)境擾動(dòng)仿真平臺(tái)仿真計(jì)算鉆井平臺(tái)漂移曲線，建立了深水鉆井船或平臺(tái)隔水管系統(tǒng)緊急解脫界限值的計(jì)算方法，開發(fā)了深水鉆井船或平臺(tái)動(dòng)力定