一种自升式海洋平台升降控制系统及控制方法与流程

本发明涉及海洋工程装备领域，具体涉及一种自升式海洋平台升降控制系统及控制方法。

背景技术：

随着对海洋资源需求的增加，海洋平台升降控制系统的研发尤为重要。四桩腿海洋升降平台具有承载量大，稳定性高等优点，因此其市场需求量也越来越大。但由于四桩腿海洋升降平台本身存在的超静定问题引起的“虚腿”、升降过程中容易出现“卡住”等问题，造成海洋平台升降不稳定，导致升降效果差。随着我国海洋站战略向深海的推进，急需要设计一种能够解决四桩腿海洋升降平台本身存在的超静定等问题，使得平台四桩腿能够连续且同步升降，控制精度高，稳定性好的自升式海洋平台同步升降控制系统。

不同数量桩腿和不同升降传动方式的海洋平台，其升降控制系统也不同。中国发明专利申请公开说明书201710246708.9公开了一种自升式海洋平台升降装置同步控制方式及装置，该升降控制系统是一种基于升降速度和升降高度相结合的一种同步控制方式，因为该升降控制系统的平衡控制以桩腿的绝对高度作为调平依据，一旦出现海底“穿刺”，平台的平衡参照将会出现不准，进而导致平台的升降倾斜，给工作人员带来极大危害及财产损失。为了解决四桩腿海洋平台本身具有的特定问题，设计了一种能够连续且同步升降，控制精度高，稳定性好的自升式海洋平台同步升降控制系统。

技术实现要素：

为了解决上述现有技术中所存在的问题，本发明提供了一种自升式海洋平台升降控制系统及控制方法，控制精度高，稳定性高。

为解决上述技术问题，本发明提供以下技术方案：

一种自升式海洋平台升降控制系统，包括带有四条桩腿的自升式海洋平台、桩腿传动机构以及桩腿控制柜，所述桩腿传动机构设置在所述自升式海洋平台的下方，所述桩腿传动机构与所述桩腿控制柜连接，还包括主控系统、从控系统、主控系统上位机、从控系统上位机、旋转编码器、倾角传感器以及扭矩传感器，所述主控系统与所述主控系统上位机连接，所述从控系统与所述从控系统上位机连接，所述主控系统与所述从控系统连接，所述从控系统设置在所述桩腿控制柜内，所述旋转编码器、所述倾角传感器以及所述扭矩传感器均设置在所述桩腿传动机构上，所述旋转编码器分别与所述主控系统以及所述从控系统连接，所述倾角传感器与所述主控系统连接，所述扭矩传感器与所述从控系统连接。

进一步的，所述主控系统以及所述从控系统的内部均设置有高速计数器，计数效果好。

进一步的，所述桩腿传动机构包括齿条、齿轮、电机以及减速箱，所述电机与所述减速箱连接，所述减速箱安装在所述自升式海洋平台上，所述齿轮安装于所述减速箱的输出轴上，所述齿条焊接在所述桩腿的两侧，所述齿轮与所述齿条互相啮合连接，传动效果好。

进一步的，所述旋转编码器设置在所述齿轮的输出轴处，所述倾角传感器设置在所述自升式海洋平台的两条对角线上，所述扭矩传感器设置在所述电机的输出轴上，能够有效地收集相关数据。

进一步的，所述旋转编码器包括主电机编码器以及从电机编码器，所述主电机编码器与所述主控系统连接，所述从电机编码器与所述从控系统连接，控制效果好。

进一步的，还包括高度编码器，所述高度编码器的两端分别连接所述自升式海洋平台和所述从控系统，增强监控效果。

一种自升式海洋平台升降控制方法，包括以下步骤：

s1：利用旋转编码器测量自升式海洋平台每个桩腿上各电机的转速nij，在每一条桩腿中选择其中一个电机作为主电机，转速为ni，同一桩腿的其余电机作为从电机；

s2：使用倾角传感器检测自升式海洋平台的对角线相对于水平面的倾角，自升式海洋平台的四个角依次设为a、b、c、d，其中对角线ac的倾角设为θ1、θ3，对角线bd的倾角设为θ2、θ4；

s3：使用多组扭矩传感器监控每个电机的输出扭矩fij，计算每个桩腿的承载g；

s4:使用高度编码器检测自升式海洋平台的升降高度h；

s5：采用主从复合同步控制策略控制单桩腿多电机的同步、监控每个桩腿的高度h以及监控每个桩腿的承载g；

s6：采用倾角-速度耦合同步控制策略控制自升式海洋平台的平衡以及同步控制。

进一步的，在步骤s5中，所述主从复合同步控制策略为：将从电机的转速nij与主电机的转速ni比较，得到从电机与主电机转速的差值δnij，用pid控制算法将得到速度差值δnij并通过速度同步补偿器同步补偿给各从电机，保证各驱动电机的转速同步。

进一步的，在步骤s6中，所述倾角-速度耦合同步控制策略为：当倾角过大时，采用倾角-速度并联同步控制方式；当倾角在安全可控范围内时，为倾角-偏差耦合同步控制方式，根据不同情况进行不同的调整方式，控制精度高，稳定性好。

进一步的，在步骤s6中，利用倾角传感器检测倾角θi，实时倾角θi大于设定倾斜精度[θ]时，x＝0，采用倾角-速度并联同步控制方式；实时倾角θi小于设定倾斜精度[θ]时，x＝1，使用倾角-偏差耦合同步控制方式，实时检测四个桩腿主电机的转速ni，以四个桩腿主电机的速度平均值为评价速度，四个桩腿主电机的转速ni与速度平均值作差的δni，通过速度补偿器将δni补偿给其他电机，利用倾角补偿器补偿算法将实时倾角θi转化成补偿速度与速度控制信号合成对电机控制，倾角补偿器的公式为：

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

1.四桩腿海洋升降平台具有承载量大，稳定性高等优点；

2.能够解决四桩腿海洋升降平台本身存在的超静定问题引起的“虚腿”、升降过程中容易出现“卡住”等问题；

3.主从复合同步控制策略使用速度控制器较少，便于多电机的控制；

4.采用倾角-速度耦合同步控制策略，保证平台四桩腿能够连续且同步升降，控制精度高，稳定性好。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据附图获得其他的附图。

图1为本发明一种自升式海洋平台升降控制系统的结构示意图。

图2为本发明一种自升式海洋平台升降控制系统的桩腿传动机构的结构示意图。

图3为本发明一种自升式海洋平台升降控制系统的主控系统的结构示意图。

图4为本发明一种自升式海洋平台升降控制系统的从控系统的结构示意图。

图5为本发明一种自升式海洋平台升降控制方法的主从复合同步控制策略流程图。

图6为本发明一种自升式海洋平台升降控制方法的倾角-速度耦合同步控制策略流程图。

图7为本发明一种自升式海洋平台升降控制方法的主从复合同步控制策略图。

图8为本发明一种自升式海洋平台升降控制方法的倾角-速度耦合同步控制策略图。

图中：1、齿条；2、齿轮；3、电机；4、减速箱；5、桩腿。

具体实施方式

下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明实施例包括：

如图1所示，一种自升式海洋平台升降控制系统，包括带有四条桩腿的自升式海洋平台、桩腿传动机构以及桩腿控制柜，桩腿传动机构设置在自升式海洋平台的下方，桩腿传动机构与桩腿控制柜连接，还包括主控系统、从控系统、主控系统上位机、从控系统上位机、旋转编码器、倾角传感器以及扭矩传感器，主控系统与主控系统上位机连接，从控系统与从控系统上位机连接，主控系统与从控系统连接，从控系统设置在桩腿控制柜内，旋转编码器、倾角传感器以及扭矩传感器均设置在桩腿传动机构上，旋转编码器分别与主控系统以及从控系统连接，倾角传感器与主控系统连接，扭矩传感器与从控系统连接。

如图1、图3以及图4所示，主控系统以及从控系统的内部均设置有高速计数器，计数效果好。

如图2所示，桩腿传动机构包括齿条1、齿轮2、电机3以及减速箱4，电机3与减速箱4连接，减速箱4安装在自升式海洋平台上，齿轮2安装于减速箱4的输出轴上，齿条1焊接在桩腿5的两侧，齿轮2与齿条1互相啮合连接，传动效果好。

在本实施例中，旋转编码器设置在齿轮2的输出轴处，倾角传感器设置在自升式海洋平台的两条对角线上，扭矩传感器设置在电机3的输出轴上，便于收集相关数据。

如图1所示，旋转编码器包括主电机编码器以及从电机编码器，主电机编码器与主控系统连接，从电机编码器与从控系统连接，控制效果好。

如图1所示，还包括高度编码器，高度编码器的两端分别连接自升式海洋平台和从控系统，便于监控。

如图5-8所示，一种自升式海洋平台升降控制方法，包括以下步骤：

s1：利用旋转编码器测量自升式海洋平台每个桩腿上各电机的转速nij，在每一条桩腿中选择其中一个电机作为主电机，转速为ni，同一桩腿的其余电机作为从电机；

s2：使用倾角传感器检测自升式海洋平台的对角线相对于水平面的倾角，自升式海洋平台的四个角依次设为a、b、c、d，其中对角线ac的倾角设为θ1、θ3，对角线bd的倾角设为θ2、θ4；

s3：使用多组扭矩传感器监控每个电机的输出扭矩fij，计算每个桩腿的承载g；

s4:使用高度编码器检测自升式海洋平台的升降高度h；

s5：采用主从复合同步控制策略控制单桩腿多电机的同步、监控每个桩腿的高度h以及监控每个桩腿的承载g；

s6：采用倾角-速度耦合同步控制策略控制自升式海洋平台的平衡以及同步控制。

如图5和图7所示，在步骤s5中，主从复合同步控制策略为：将从电机的转速nij与主电机的转速ni比较，得到从电机与主电机转速的差值δnij，用pid控制算法将得到速度差值δnij并通过速度同步补偿器同步补偿给各从电机，保证各驱动电机的转速同步。

如图6所示，在步骤s6中，倾角-速度耦合同步控制策略为：当倾角过大时，采用倾角-速度并联同步控制方式；当倾角在安全可控范围内时，为倾角-偏差耦合同步控制方式，控制精度高，稳定性好。

如图8所示，在步骤s6中，利用倾角传感器检测倾角θi，实时倾角θi大于设定倾斜精度[θ]时，x＝0，采用倾角-速度并联同步控制方式；实时倾角θi小于设定倾斜精度[θ]时，x＝1，使用倾角-偏差耦合同步控制方式，实时检测四个桩腿主电机的转速ni，以四个桩腿主电机的速度平均值为评价速度，四个桩腿主电机的转速ni与速度平均值作差的δni，通过速度补偿器将δni补偿给其他电机，利用倾角补偿器补偿算法将实时倾角θi转化成补偿速度与速度控制信号合成对电机控制，倾角补偿器的公式为：

以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其它相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。