江苏省高校研究生科技创新计划项目结题书(已经填写完成)

江苏省普通高校研究生科研创新计划项目结题报告书项目批准编号：CXLX11-0285项目名称：半潜式海洋平台定位系统控制研究项目负责人：姜飞龙学校名称：江苏科技大学填报日期：2012.02.20江苏省学位委员会制表江苏省教育厅1项目名称半潜式海洋平台定位系统的控制系统研究项目类别A.人文社科项目□B.自然科学项目■项目负责人姜飞龙学科专业名称机械电子工程联系电话[e-mail]博/硕士硕士出生年月1985.09计划完成时间2012.03实际完成时间2012.03结题种类1.正常√2.提前3.延期4.申请撤销或中止导师姓名鄢华林联系电话137755463592一、项目计划实施工作报告（包括研究方法、技术路线和试验方案等实施情况）1、研究方法通过阅读文献了解国内外海洋平台定位的研究现状，采用数学推导的方法建立了海洋平台的数学模型，设计了马达速度控制、同步控制、恒张力控制的几种工况切换的液压系统，通过理论推导和仿真研究阀控马达稳定性、马达同步特性，伪微分（PDF）控制算法的优越性，采用实验的方法模拟海洋平台实际工况。2实验方案马达同步控制、恒张力控制进行理论方面的研究，通过三菱FN2X系列PLC主模块，以及4DA、4AD拓展模块、光耦等电气元器件以及各种液压元件搭建实验平台的硬件电路，利用计算机和软件GXDeveloper进行编程，对马达进行同步控制、恒张力控制，对海洋平台定位系统的系泊绞车的实际工况进行实验模拟。2、技术路线3、实验实施情况通过实验平台的搭建：软件的编写和硬件电路油路的连接，对两马达进行同步速度控制，模拟系泊绞车同步收揽；搭建恒张力实验平台，对马达恒张力进行研究。图1双马达同步控制试验系统图2恒张力液压实验平台海洋平台定位系统数学模型建立系泊定位绞车液压系统设计控制器参数推导、计算、优化马达恒张力理论研究马达恒张力试验系统马达同步理论研究马达同步试验系统3二、成果综述（该课题研究的目的和意义；研究成果的主要内容、重要观点或对策建议；学术上的创新和突破；成果的学术价值、应用价值，社会效益和经济效益等）1、研究的目的和意义随着人类对海洋的勘探和开发从浅海移向深海、由浅油气层转向深油气层、由简单地质层转向复杂地质层等,从而使得海洋钻井平台装备也随之由过去比较单一的固定式、自升式等装备发展到技术先进、控制性好、钻探能力强、适应范围广的钻探船、半潜式平台等勘探开发装备上来,并已成为当前和今后一段时间内世界海洋油气勘探开发的必然趋势。为了满足在深海的恶劣环境条件下进行钻探等工程作业的需要,必须在较长一段时间内精确地保持半潜式平台在海面上的位置,但是半潜式平台对于水平面内的运动不具有回复力,这就需要安装定位系统,平衡作用在浮体的外力,减小浮体的水平运动,使其不致发生位移。（2）研究的意义半潜式平台必须配备系泊自动定位系统，而深海平台主要采用动力定位系统，但也必须配有系泊自动定位系统，故系泊自动定位技术是海洋工程装备发展的关键技术。其研发、产业化势在必行，符合国家产业政策发展的方向，对社会经济发展具有重要意义。我国的系泊自动定位技术的研发相对滞后，尤其是系统的设计与制造更是国内空白，是制约我国海洋工程装备发展的瓶颈之一。目前我国海洋作业平台的系泊自动定位系统主要依赖英国的劳斯莱斯及丹麦的麦基嘉奔溯等少数几家外国公司。为了打破国外垄断，通过引进技术和自主创新，借助产学研相结合的技术创新体系，进行系泊自动定位系统的核心技术攻关，完成系泊自动定位技术的研发，实现系泊自动定位系统的产业化。系泊自动定位系统的研发，势在必行，既填补了国内空白，又缓解了我省及国内市场的需要，还将带动上游产业电机、减速机等配套件对新工艺和新技术的进一步研发，促进其国产化进程；同时推动下游产业海洋工程装备的迅速发展，形成完整的产业链，促进我省产业结构调整和提升产业整体水平，从而推动我省社会经济的发展。2、研究成果的主要内容、重要观点或对策建议本课题研究成果的内容分为两个部分：第一部分理论研究；第二部分实验系统研究。第一部分主要由三部分构成：（1）海洋平台的分析和研究：对海洋平台的系泊方式和钢缆系泊形式进行了分析，建立了半潜式海洋平台一阶阵型的数学模型，对系泊钢缆的受力进行了计算和分析，给出了海洋平台解耦计算的方法和实时预报的计算方法。（2）系泊绞车系统研究：通过比较确定了液压液压系统驱动方案，分析了液压系统的工作原理、以及常态定位与恒张力定位的油路切换实现的油路连接方式，接着研究了4绞车的排缆丝杆与卷筒马达之间保持同步所具有的关系，以及主要零部件，最后介绍了绞车性能测试原理。（3）系泊绞车速度控制算法研究：虽然经典控制算法中的PID在系泊绞车的速度控制上被广泛的应用。但是针对复杂的电液伺服系统，常常存在非线性、外部干扰的影响，使得在绞车的速度控制方面并不是那样稳定，本文提出了采用伪微分（PDF）控制算法控制系泊绞车的速度，推导了相关的参量。通过采用数学推导的方法，同时针对一阶被控对象的PI控制算法与PDF控制算法进行了仿真和负载响应进行了比较，对二阶被控对象采用了PID控制算法进行了相关的处理，说明了PDF控制算法具有很好的响应特性和较好的鲁棒性，同时针对在工程实践中，由于外界的干扰和控制器输出的限制，采用了抗积分饱和解决实际系泊绞车运行过程中可能出现的问题。本课题第二部分主要是实验部分研究包括理论研究和试验系统的研究（1）试验系统理论研究：介绍了马达同步控制理论，建立了阀控马达传递函数，通过采用计算机仿真的方法分析了系统的稳定性和两个马达的同步性能，最后，分析了产生同步误差的原因。（2）试验系统的实现：以PLC作为控制器，通过编程实现伪微分控制算法，来实现对系泊绞车的速度控制、同步控制、恒张力控制，简要分析了系统所采用的伪微分算法、速度检测反馈单元、多路阀、能量提供单元、计算机与通信等工作原理。在此基础上搭建了马达速度控制、同步控制、恒张力控制实验系统的模拟试验平台，编写了满足试验要求的系统软件。综上所述：本课题的重要观点或政策建议主要有：（1）建立了半潜式海洋平台一阶阵型的数学模型，对系泊钢缆的受力进行了计算和分析；（2）海洋平台在不同工况下切换的液压系统；（3）PDF控制算法参数的确定，PDF控制算法相对于PI、PID的优越性（4）阀控液压马达同步理论研究（5）马达速度控制、同步控制、恒张力控制实验系统。3、学术上的创新和突破本课题的创新和突破在于综合运用了多体系统动力学矩阵分析法、微积分、液压、PDF控制算法、试验系统等方面知识，研究了半潜式海洋平台定位过程中定位绞车的速度控制、同步控制、恒张力控制问题，分析了半潜式海洋平台定位绞车的不同工作状态,设计了不同工况下的液压系统，采用伪微分控制算法实现了对马达的控制。对我国半潜式海洋平台定位提出了一些富有见解的观点和建议，为我国在半潜式海洋平台定位提供了理论支持。5相关成果列表序号成果形式成果名称发表或应用单位及时间1论文一种新型波浪补偿系统研究中国造船，2011，52（2）：154-1602论文海洋平台吊机波浪补偿控制系统研究液压与气动，2011（2）：22-253论文半潜式海洋平台定位系统的控制系统研究海洋工程（已经录用）4论文拖曳收放系统的电液伺服研究机床与液压，（已经录用，稿件编号JY20112788）5论文某系留收放系统恒张力研究机床与液压，（已经录用，稿件编号JY20111798）6论文基于指标工程加权分配法的某电控绞车系统可靠性设计分析电子质量，2011（4）：25-27注：请附相关成果的复印件。三、经费使用情况：支出科目金额（万元）计算根据及理由1、调研费0.1486调研差旅费2、论文相关费0.27089邮寄论文原稿、论文保密资格审查论文审稿费、版面费3、参考资料费0.01899购置参考图书4、技术鉴定费0.06152技术鉴定费、校外专家鉴定资料邮寄费省资助经费0万元单位配套经费0.5万元自筹经费0万元合计使用经费0.5万元6四、研究生指导教师意见（包括课题的意义、已取得成果的鉴定、创新能力评价、经费使用情况及对项目结题的意见）：本课题属半潜式海洋平台定位的前沿课题，旨在解决在半潜式海洋平台定位过程中马达速度控制、同步控制、恒张力控制三种工况切换的问题。该生设计了半潜式海洋平台定位系统的液压系统，推导了半潜式海洋平台定位系统的数学模型和阀控马达的传递函数，对马达的同步控制和恒张力控制进行了理论研究，搭建了马达速度控制、同步控制、恒张力控制实验系统，包括编写了实验平台的软件系统，连接了实验平台的液压系统油路，通过采用MATLAB仿真的方法对控制器的参数进行了优化。实验和仿真结果均表明伪微分控制算法相对于PID控制算法具有响应快，无超调和震荡，受负载变化影响小，鲁棒性好等优点，完全满足马达速度控制、同步控制、恒张力控制的要求。在项目研究期间，该生作为第一作者或通讯作者在江苏科技大学指定权威期刊或中文核心发表学术论文4篇，作为第三作者发表论文1篇，作为第四作者发表论文1篇，完成科技总结报告1份，表明作者具有较高的理论水平，成果突出。研究工作中该生表现出较强的独立工作能力、创新能力、团队协作精神和论文写作水平；项目经费使用合理；基本完成了申请书提出的各项目标，符合项目结题的条件，同意结题。指导教师签名：年月日五、所在学位授权点意见该生提交的验收材料齐全，取得了具有创新性的成果，达到了项目申请书提出的既定目标；项目经费使用合理，符合结题条件，同意结题。学位授权点负责人签名：年月日7六、校外专家结题意见书姓名所在单位职务职称备注①研究方向8七、研究生管理部门审查意见：负责人签字：年月日八、省学位委员会审核意见：（公章）年月日①备注一栏如是院士填写A，长江学者奖励计划特聘教授填B，国家杰出青年基金获得者填C，国家突出贡献中青年专家填D，国务院学科评议组成员填E。9结题书另外附作者本人的硕士或者博士毕业论文作为具体研究内容和发表论文元件、录取论文录取证明和论文。