基于自适应控制算法的深海铺管船A&R绞车恒张力控制

摘要

目前世界上对海洋资源的利用与开发力度不断加大，开发海洋资源所需的新型机械装备的开发也愈发受到重视，使得海底油气输送管道的铺设技术和机械装备的研发也发展成了海底资源开采过程中的主要工作之一。目前海底油气管道的铺设工作主要由铺管船来完成，铺管船收放绞车，即Abandonment&Recovery Winch，简称A&R绞车，是铺管船进行铺管作业的重要机械设备组成部分。A&R绞车的功能可以总结为弃管、收管、应急和拖航。作业过程中为避免油气管道因弯曲应力过大而受到破坏，要求油气管道保持一定的轴向张力。因而，A&R绞车要在保证油气管道在某恒定轴向张力的作用下，以相对稳定的速度收放，其控制系统在整个过程中扮演着非常重要的角色。
　　针对本课题，本文以深水铺管船A&R系统为研究对象，设计的A&R绞车在结构上采用储缆绞车和牵引绞车分离的形式，其中牵引绞车采用双滚筒牵引方式，并对排缆机构进行优化。通过对牵引绞车卷筒及缆绳的受力分析，建立缆绳张力在风海流等扰动作用下的数学模型，使用MATLAB/SIMULINK仿真工具进行干扰模型的搭建与仿真，给出A&R绞车缆绳张力在海洋外部干扰的作用下的受到的影响。
　　本文A&R绞车采用电驱动方式，选用交流电机动力系统,通过坐标变换得出异步交流电机在两相旋转坐标系中的矢量变换模型，利用SIMLINK工具箱搭建了按转子磁链定向的A&R绞车电机的的矢量控制模型，实现了 A&R绞车电机的转速的无级平滑调控，并利用该模型分析绞车电机的输出转矩调控性能，以实现A&R绞车缆绳的恒张力控制。
　　根据收铺管船收弃管作业要求，设计模糊自适应PID控制器，由A&R绞车缆绳上的张力瞬时值与设定值的偏差，进行PID参数的自适应校正，通过调整绞车转速来补偿海洋外部干扰对绞车缆绳张力的影响，使A&R绞车缆绳的张力值稳定在安全作业需求范围内，最后利用MATLAB仿真工具搭建铺管船收弃管作业模型并进行仿真，对本文所设计的A&R绞车缆绳的张力控制系统进行分析验证。为了避免绞车作业时电机被较高频率的调整影响系统使用寿命，在设定的张参考值附近留有一定冗余，即使A&R绞车的缆绳张力保持在一定范围内即可，就可以有效的避免缆绳及油气管道发生损坏的现象的发生。