能源供应型海洋平台转动惯量驱动控制系统的制作方法

本发明涉及系统中振动的抑制领域，具体而言，涉及一种能源供应型海洋平台转动惯量驱动控制系统。

背景技术：

随着我国实施“海洋强国”战略，大型海洋装备如海洋平台、重型船舶等数量不断增多，海洋平台结构技术也发展迅速。海洋平台是为钻井、采油、集运、观测、导航、施工等活动提供生产和生活设施的构筑物，其安全稳定性是最重要的一项设计指标。此外，海洋平台在使用过程中往往会由于外部荷载的作用产生振动，严重的产生摇摆，甚至破坏。为了解决由结构物振动引起的各种问题，振动控制技术应运而生。结构振动控制技术主要分为以下四个方面：主动控制、被动控制、半主动控制以及混合控制。对于各种工程结构，恰当地安装振动控制装置能够有效地减轻结构的动力响应，减轻结构的破坏或者疲劳损伤。

然而，结构的运动通常由平动以及扭转摆动组合而成。研究表明由于平动调谐质量阻尼器、主动质量阻尼器/主动扭矩输出装置(英文名activemassdamper/driver，amd)控制装置在扭转摆动中需要提供向心力而大大减弱控制效果甚至完全失去作用，对回转摆振控制几乎无效。然而具有回转摆振运动特性的结构运动形式极为常见，如：海洋平台在海浪、风、冰等耦合作用下的扭转摆振等；悬吊结构的摆动；不规则建筑在风荷载作用下的扭转摆振；宇宙飞船、空间结构在运行过程中，由于自身姿势调整以及太阳能帆板打开引起的扭转摆振运动；高速铁路机车，由于微小激励引起的车身的扭转摆振运动等。因此需要一种特殊的控制装置，使其可以自动克服(或摆脱)重力场对控制装置自身的影响(离心力作用)，或者使控制装置自身的工作/运动规律与重力场解耦，系统自振不受重力影响，从而发挥控制装置有效控制作用。

目前，最为常见的海洋平台振动控制技术是隔震技术，即在海洋平台结构中合理设计隔震层，从而减小海洋平台上部结构的响应。但是隔震技术控制效果有限，尤其是针对回转摆振的运动形式控制效果不明显。其次是利用液体调频阻尼器等等措施，但依然存在控制效果不明显、针对回转摆振运动形式失效、安装设计复杂等诸多问题。另外，主动控制装置在现有技术中可以发挥出更好的控制效果，但是在海洋平台这种复杂的环境中，能源供应是致命的问题，导致常见的主动控制装置无法在海洋平台结构中使用。

总之，现有的海洋平台结构振动控制装置具有不可或缺的作用，但是主要表现出以下几方面的不足：第一，现有的海洋平台隔震技术控制效果有限，且设计复杂；第二，传统的tmd、tld、amd等控制装置只能控制海洋平台结构的平动运动而对回转摆振控制几乎无效；第三，被动转动惯量调谐阻尼器对回转摆振运动控制有效，但是其需要针对结构自身进行复杂的调频，对某些复杂结构控制效率较低，效果不佳，存在鲁棒性低，可控性低，适用范围小等缺点；第四，传统的主动控制装置虽然可以控制回转摆振，但是控制效率极低，无法满足使用要求，并且主动控制装置在海洋平台这种复杂的工作环境中无法保证能源供应，本发明就是在这样的背景下产生的。

技术实现要素：

本发明的主要目的在于提供一种能源供应型海洋平台转动惯量驱动控制系统，以解决现有技术中传统的tmd/tld/amd对回转摆振运动控制效率低、效果较差甚至失效；被动调谐转动惯量阻尼器控制适用鲁棒性低、调频技术复杂、适用范围小；传统的主动控制装置，能源供应无法保证的问题。

为了实现上述目的，本发明采用以下的技术方案：

一种能源供应型海洋平台转动惯量驱动控制系统，其包括环形固定板、主动控制模块、风力发电模块以及太阳能发电模块；

环形固定板内测带有安装板，环形固定板通过安装板固定在被控海洋平台外围，环形固定板上带有导轨，主动控制模块与导轨配合移动；

主动控制模块包括驱动器、变速器、固定基座、转轴、转轮以及电磁滑脚；固定基座下端连接有电磁滑脚，电磁滑脚形状与导轨相适应；固定基座上固定有驱动器，驱动器前端安装变速器，变速器通过输出转轴与转轮连接；

风力发电模块包括发电机、连接轴、离合片ⅰ以及离合片ⅱ，风力发电模块安装在变速器以及转轮之间，发电机固定在固定基座上，发电机与变速器相对的一侧安装有伸缩气缸，伸缩气缸的伸缩端安装有离合片ⅱ，发电机的另一侧通过连接轴与转轮连接，变速器的输出转轴端部安装有离合片ⅰ，通过伸缩气缸的伸缩，实现离合片的开合；

太阳能发电模块包括支架以及太阳能电池板，太阳能电池板通过支架固定在固定基座上，支架包括四个支柱，支柱固定在太阳能电池板的四个角上，前端两个支柱与太阳能电池板铰接，后面两个支柱底部安装有伸缩气缸。

进一步的，导轨内部设置有高强永磁铁和线圈，电磁滑脚内设有线圈，利用线性电机的基本原理与导轨配合，实现在导轨内移动。

进一步的，驱动器为伺服电机或者步进电机。

进一步的，所述转轮的转动平面与固定基座的安装平面垂直，转轴与转轮垂直连接。

进一步的，变速器为减速器。

进一步的，驱动器末端安装有编码器，编码器与驱动器、变速器同轴安装，被控海洋平台上安装有传感器。

进一步的，还包括控制器，控制器与编码器、传感器以及驱动器线路连接，接收编码器以及传感器的信号，并传递控制信号给驱动器，控制驱动器对转轮的驱动方向以及转速。

本发明具有以下有益效果：

该能源供应型海洋平台转动惯量驱动控制系统可以实现全方位摆动的控制，主动控制装置可以360度移动，控制任意方位的摆动，且结构稳定，更加适应海洋等工况较差的环境；

本发明所涉及的主动控制装置具有更大的鲁棒性，且控制效果更明显，控制效果不会因结构形式改变以及外部荷载作用的改变而受到较大影响，最大限度地保证了海洋平台结构的安全稳定；

该系统利用双重能源供应保障机制，设置风力发电和太阳能发电，储存的能量对系统自身和海洋平台其他用电设备提供了能源保障，适用于复杂的海洋环境。

附图说明

图1是本发明使用状态立体图；

图2本发明结构示意图；

图3是本发明使用状态正视图；

图4是环形固定板结构示意图；

图5主动控制模块、风力发电模块、太阳能发电模块结构立体图；

图6是主动控制模块、风力发电模块、太阳能发电模块结构前视图；

图7是驱动器与发动机连接示意图；

其中，上述附图包括以下附图标记：1、环形固定板；11、安装板；12、导轨；2、被控海洋平台；3、主动控制模块；31、驱动器；32、固定基座；33、转轴；34、转轮；35、电磁滑脚；4、风力发电模块；41、发电机；42、连接轴；43、离合片ⅰ；44、离合片ⅱ；5、太阳能发电模块；51、支架；52、太阳能电池板；6、编码器。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步说明。

实施例1

海洋平台因为安装位置的特点，受到海浪以及海风的冲击作用会产生振动响应，振动响应大致可以简化为以下两种力学模型的振动：扭转和摆振，且因为海洋平台的安装位置远离大陆，因此供电也会有所限制，针对这两种形式的振动响应以及供电限制，本发明提出了能源供应型海洋平台转动惯量驱动控制系统。

如图1-7所示，本发明所述的能源供应型海洋平台转动惯量驱动控制系统，其包括环形固定板1、主动控制模块3、风力发电模块4以及太阳能发电模块5；

环形固定板、主动控制模块、风力发电模块以及太阳能发电模块所组成的整体在此定义为一个总成；

环形固定板内测带有安装板11，环形固定板通过安装板固定在被控海洋平台外围，环形固定板上带有导轨12，主动控制模块与导轨配合移动；

本实施例所述的能源供应型海洋平台转动惯量驱动控制系统分上下两级总成安装在海洋平台水上结构上，每级总成由4个主动控制模块、4个风力发电模块、4个太阳能发电模块及环形固定板组成；每个主动控制模块左右移动的角度不超过45度，每级总成4个主动控制模块协同工作；

主动控制模块包括驱动器31、变速器、固定基座32、转轴33、转轮34以及电磁滑脚35；固定基座下端连接有电磁滑脚，电磁滑脚形状与导轨相适应；导轨内部设置有高强永磁铁和线圈，电磁滑脚内设有线圈，此部分所述的运动控制利用线性电机的基本原理，为现有技术，在此不多赘述，电磁滑脚与导轨配合，实现在导轨内自由移动，固定基座上固定有驱动器，驱动器前端安装变速器，变速器通过输出转轴与转轮连接；变速器为减速器。

风力发电模块包括发电机41、连接轴42、离合片ⅰ43以及离合片ⅱ44，风力发电模块安装在变速器以及转轮之间，发电机固定在固定基座上，发电机与变速器相对的一侧安装有伸缩气缸，伸缩气缸的伸缩端安装有离合片ⅱ，发电机的另一侧通过连接轴与转轮连接，变速器的输出转轴端部安装有离合片ⅰ，通过伸缩气缸的伸缩，实现离合片的开合。

风力发电模块和主动出力模块通过两个离合片的接触与分离相配合。当两个离合片接触时，主动出力模块工作，驱动风力发电模块连接轴转动，带动与之相连的转轮发生回转运动，产生控制效果；伸缩气缸缩短，两个离合片分离时，转轮在风力的驱动下转动，带动发电机工作，从而产生电能。

太阳能发电模块包括支架51以及太阳能电池板52，太阳能电池板通过支架固定在固定基座上，支架包括四个支柱，支柱固定在太阳能电池板的四个角上，前端两个支柱与太阳能电池板铰接，后面两个支柱底部安装有伸缩气缸，通过伸缩气缸伸缩改变太阳能电池板的倾斜角度，最大限度的吸收太阳能，持续存储能量。

驱动器为伺服电机或者步进电机。

所述转轮的转动平面与固定基座的安装平面垂直，转轴与转轮垂直连接。

驱动器末端安装有编码器6，编码器与驱动器、变速器同轴安装，被控海洋平台上安装有传感器。

本发明所述的能源供应型海洋平台转动惯量驱动控制系统还包括控制器，控制器与编码器、传感器以及驱动器线路连接，接收编码器以及传感器的信号，并传递控制信号给驱动器，海洋平台结构主要扭转摆振方向时，主动控制模块可以响应调整位置，使得转轮所在平面与主要扭转摆振方向相一致，以便主动控制模块施加控制力，控制驱动器对转轮的驱动方向以及转速，进而控制转轮的转速和转动方向，转轮转动产生的作用力作用在固定基座上，进一步通过环形固定板作用到被控海洋平台上，转轮可以削弱被控海洋平台与转轮转动平面相一致的平面上的摆振响应。

海洋平台还会受到海洋中涡流的作用，海洋平台会发生沿着海洋平台中心的扭转响应，控制器通过控制主动控制模块在环形轨道上移动的运动状态，实现对结构施加环形轨道所在平面方向的控制力，产生与海洋平台所受扭转相反方向上的作用力拒，抑制扭转响应的产生，实现控制效果。

当被控海洋平台产生振动响应，安装在被控海洋平台上的传感器采集反馈的信息到控制器，此时发出信号，驱动控制离合片分合的伸缩气缸伸长，两个离合片相互接触，主动出力模块的驱动器工作带动连接轴转动，从而带动转轮发生回转运动，对被控海洋平台产生控制作用，抑制响应，控制力的通过机体传递到环形导轨上并通过环形固定板作用在海洋平台结构上，此时产生的控制力是转轮所在平面内的控制力，转轮在导轨内部可以自由移动，则可以实现主动抑制各个方向上的振动响应。

实施例2

本实施例所述的能源供应型海洋平台转动惯量驱动控制系统分一级总成安装在海洋平台水上结构上，每级总成由1个主动控制模块、1个风力发电模块、一个太阳能发电模块及一个环形轨道组成；其他方面与实施例1一致。

当然，根据被控海洋平台所在海域的实际环境状况，可以改变环形固定板上安装的主动控制模块的数量以及被控海洋平台上固定的环形固定板的数量。

本发明的使用过程如下所述：

被控海洋平台上安装有传感器，检测被控海洋平台的结构响应信息，并把响应数据传送给控制器，控制器判断是否需要进行主动控制，当摆振响应数据超出之前所设定的阈值的时候，控制器控制驱动器动作，伸缩气缸伸长，带动离合片ⅱ与离合片ⅰ关合，驱动器与转轮连接，带动转轮转动，控制转轮发生回转转动，转轮产生的反作用力作用在环形固定板上，进而传递给与环形固定板连接的被控海洋平台上，抑制被控海洋平台的摆振响应，对振动产生控制效果，转轮的作用力控制与转轮所在平面相同的方向上的摆振响应，通过实时采集被控海洋平台的摆振响应幅度以及频率，更改驱动器控制的转轮的转动，调节作用在被控海洋平台上的控制力矩的大小以及驱动器输出大小，控制结构的振动，保证较高的控制效率。

当转轮所在平面的振动被抑制之后，根据传感器的反馈信号，电磁滑脚在导轨内滑动，改变作用位置，将其它方向上的振动抑制，当振动被抑制之后，编码器将信号传递给控制器，控制器控制伸缩气缸收缩，带动离合片ⅱ与离合片ⅰ打开，主动控制模块停止运动。

风力发电模块动作，转轮在风力作用下的转动转化成电能，储存起来，除此之外，太阳能发电模块上的伸缩气缸伸缩可以改变太阳能电池板的倾斜角度，最大程度的接受太阳照射，持续发电，所述太阳能发电模块和风力发电模块产生的电能通过导线传输到储能装置中，一方面用于供主动控制模块工作使用，一方面用于海洋平台结构上其他用电设备的工作。

当然，上述内容仅为本发明的较佳实施例，不能被认为用于限定对本发明的实施例范围。本发明也并不仅限于上述举例，本技术领域的普通技术人员在本发明的实质范围内所做出的均等变化与改进等，均应归属于本发明的专利涵盖范围内。