引用本文

赵志甲, 任志刚. 针对执行器非光滑反向间隙 − 饱和的柔性立管边界控制. 自动化学报, 2019, 45(11): 2050−2057 doi: 10.16383/j.aas.c190126

Zhao Zhi-Jia, Ren Zhi-Gang. Boundary control of a flexible marine riser subject to nonsmooth actuator backlash-saturation constraints. Acta Automatica Sinica, 2019, 45(11): 2050−2057 doi: 10.16383/j.aas.c190126

http://www.aas.net.cn/cn/article/doi/10.16383/j.aas.c190126

关键词

柔性立管，振动控制，边界控制，输入反向间隙，输入饱和 

摘要

研究了针对执行器非光滑反向间隙-饱和约束特性的深海柔性立管系统振动控制和全局稳定问题.为了实现控制效果和品质，引入辅助系统和函数设计边界控制策略，以抑制立管系统振动并消除混合的反向间隙-饱和输入非线性影响.采用严格的分析且无需求助于模型降阶，所研发的控制器确保闭环系统在Lyapunov意义下的一致有界稳定性.通过选取恰当的设计参数，仿真结果验证了所设计控制器的控制性能.

文章导读

在深海勘探开发生产中, 海洋柔性立管作为连接海面作业平台与海床井口的关键构件[1].在风、浪、洋流等外部载荷作用下, 海洋立管会产生振动现象, 而长期的振动则是造成柔性立管疲劳破损的主因[2-4].因此, 开展先进的海洋柔性立管振动主动控制系统研究, 对延长立管使用寿命、提高生产效率和保证海洋油气生产安全具有重要的理论和实际意义.

从数学的观点看, 具有振动的海洋柔性立管系统可认为是典型的无限维分布参数系统[5-11].其动力学往往建模为耦合的偏微分–常微分方程, 这使得现有许多对传统刚性系统成熟的方法不能直接应用.对海洋柔性立管振动控制的研究主要包括模态控制和边界控制.模态控制是基于提取的有限维受控子系统进行控制设计, 而忽略掉的高频模态可能导致系统产生控制溢出效应.边界控制能克服上述方法的缺点, 且容易由系统机械能相关的Lyapunov函数得出, 因此边界控制与其他控制技术如PID控制、鲁棒控制、自适应控制、反步控制、输出反馈控制等相结合的方法广泛应用于柔性立管系统的振动控制领域[12-16].上述研究仅仅局限于柔性立管系统的振动控制, 而这些方法将不适用于具有输入非线性特性的柔性立管系统.

在实际的海洋油气生产环境中, 柔性立管系统除了受到风浪扰动和海洋洋流分布式扰动影响外, 其面临的情况可能会比之前研究的问题更加复杂.如系统固有的物理约束和执行器的约束将使得系统产生死区、饱和、磁滞、反向间隙等不光滑的非线性特性[17-20].而这些不光滑的非线性特性将会限制系统的瞬态性能, 更为甚者, 将会致使系统不稳定.因此, 需要将这些不光滑的非线性约束特性考虑在控制设计中.为了解决海洋柔性立管系统的输入非线性约束问题, 一些学者基于立管原始无限维模型探索了不同的边界控制方法[13, 21-24].文献[13]面向具有系统不确定性、输出约束和输入饱和的海洋立管系统, 基于反推技术研发了障碍边界控制策略以抑制振动、补偿系统不确定性以及处理系统的输入输出限制.文献[21]针对具有执行器输入饱和非线性约束和外部海洋扰动的海洋柔性立管系统, 在顶端构建边界控制器以稳定其在平衡位置的小邻域并利用辅助系统补偿执行器饱和的影响.文献[22]设计了鲁棒自适应控制器用以稳定具有参数不确定性和输入受限的海洋柔性立管系统.文献[23]采用光滑的双曲正切函数、Nussbaum函数和辅助系统设计边界控制器以抑制立管振动并限制控制输入在给定范围内, 该方法解决了文献[21−22]中应用符号函数限制控制输入所带来的震颤问题.文献[24]引入辅助函数和变量设计边界控制器来实现立管的振动减弱并消除混合的死区−饱和非线性约束影响.然而, 这些成果仅仅解决了柔性立管系统执行器输入饱和或输入饱和−死区非线性约束问题, 而对于具有输入反向间隙−饱和非线性约束的柔性立管系统, 上述方法将不能适用.

本文针对执行器非光滑反向间隙−饱和约束特性的深海柔性立管系统(如图 1所示), 首先将反向间隙−饱和约束转换成虚拟的输入饱和约束, 其后引入辅助系统并采用Lyapunov理论, 构建边界控制以抑制柔性立管的振动并消除饱和非线性约束的影响.随后, 证明了闭环系统在Lyapunov意义下的一致有界稳定性.最后, 通过数值仿真, 验证了本文所提出控制能处理非光滑反向间隙−饱和约束非线性影响, 也能有效抑制立管系统振动.

图 1  柔性立管系统

图 2  未受控的立管偏移量

图 3  受控的立管偏移量

本文解决了具有执行器非光滑反向间隙−饱和约束特性的深海柔性立管边界控制问题.首先, 基于Lyapunov理论和边界控制技术, 采用辅助系统和函数在立管顶端构建了边界控制器以实现立管系统的振动抑制和输入非线性的补偿.其后, 应用严格的分析且没有离散化或简化系统的偏微分方程动力学, 证明了受控系统的一致有界性.最后所呈现的仿真结果验证了提出控制能较好地稳定立管系统并有效消除执行器非光滑反向间隙−饱和约束影响.下一步值得探索的研究方向可以为海洋柔性立管系统的有限时间稳定[31]以及基于不确定性和干扰估计[32]的控制设计.

作者简介

赵志甲 

广州大学机械与电气工程学院讲师.主要研究方向为柔性机械系统, 海洋控制论, 机器人学.E-mail:zhjzhaoscut@163.com

任志刚

广东工业大学自动化学院讲师.主要研究方向为分布参数系统控制, 自适应学习与控制.本文通信作者.E-mail:renzhigang@gdut.edu.cn