基于BP 神經網絡的深水自升式海洋平臺智能控制模型試驗研究

嵇春艷，劉 聰

(江蘇科技大學 船舶與海洋工程學院，江蘇 鎮江 212003)

在海洋油氣開發中，自升式海洋平臺是目前使用最廣泛的移動式鉆井平臺［1］。隨著海洋油氣資源開發的深水化，自升式海洋平臺的應用水深將超過120 m，在我國南黃海、東海以及南海大陸架，需要作業水深大于150 m 的自升式鉆井平臺［2］。因此，自升式海洋平臺的深水化發展已成為一種趨勢。然而，深水自升式海洋平臺的結構特點決定了其柔性較大，加之深水區域的作業環境惡劣，導致平臺結構振動響應十分明顯，這種過大的結構振動響應會引起結構嚴重的基礎破壞或者整體破壞。已有研究表明，工作水深90 m 的自升式平臺在波浪周期10 s，有義波高12 m 的隨機波浪作用下其結構最大振動幅度可達1.5 m［3］。因此，深水自升式海洋平臺的振動控制問題正日益受到關注。

目前，已有部分學者對海洋平臺振動控制技術進行了相關研究，并得到了一定的研究成果。何曉宇，李宏男對安裝有TLCD 的導管架海洋平臺進行了振動控制分析，研究了不同大小和方向的波浪載荷對TLCD的參數優化和減震效果的影響［4］;趙東等利用擴展調諧質量阻尼器(ETMD)控制系統對導管架平臺的振動響應進行了有效的控制［5］，并且對一縮尺比為1∶10 的導管架平臺模型的控制效果進行了數值仿真，為后續的海洋平臺相似模型振動控制實驗的參數選取提供了可參考的最優區間［6］;DENG，ZHANG 利用磁流變阻尼器控制海洋結構物在沖擊載荷作用下的動力響應，并進行了模型試驗［7］;歐進萍，楊飏，張紀剛等研究了主動質量驅動控制系統和磁流變阻尼隔震層對典型導管架平臺在地震和冰激作用下的減振效果，并進行了數值模擬與相應的振動臺試驗研究［8-10］;嵇春艷等對固定式導管架平臺的振動控制問題進行了較多的研究工作，主要開展了半主動控制、磁流變阻尼器、模糊控制理論等方面的研究工作，并通過水池模型試驗進行了驗證［12，13］。綜上所述，目前關于海洋平臺振動控制技術的研究成果主要集中在固定式導管架平臺結構的控制方法和控制技術方面，許多技術仍停留在理論研究與數值模擬階段，缺乏模型試驗驗證，且在現有的平臺模型試驗中大多數為通過振動臺和振動器提供外界激勵的岸上試驗，水池試驗較少，更鮮見針對自升式海洋平臺開展的振動控制研究工作。由于自升式海洋平臺的底部固定方式、結構形式以及振動響應特點較導管架平臺均存在較大的差別，因此如何設計出有效的控制系統、如何通過水池模型試驗驗證控制系統有效性的試驗技術都是值得深入研究的問題。

本文以墨西哥灣海域某典型深水自升式海洋平臺為原型，設計制作了海洋平臺模型。基于BP 神經網絡、以磁流變阻尼器為控制裝置設計了智能控制系統，并在波浪水池中分多種工況對控制系統的減振效果進行了模型試驗研究與驗證。

1 基于BP 神經網絡的智能控制方法

傳統的主動控制算法計算出的最優控制力U(t)最精確，控制效果最好，但是它們的計算依賴于十分精確的結構振動模型，在實際控制中，當外界荷載或模型參數發生微量變化時，控制效果會受到嚴重影響，因此不具有魯棒性能，同時，在實際應用中需要實時收集大量結構模型信息，而過多的信息采集和處理會產生嚴重的時滯現象，可行性差。神經網絡具有良好的非線性映射能力，采用主動控制算法充分訓練后的神經網絡，既能充分繼承主動控制算法控制效果的精確性，又能降低控制效果對精確結構振動模型以及外界環境輸入精確程度的依賴性，可以產生很好的控制效果。

本文選用LQR 最優控制算法對一BP 神經網絡進行訓練，利用訓練后的BP 神經網絡進行智能控制。具體方法如下:

1.1 振動控制方程及最優控制力計算

在控制力作用下，深水自升式海洋平臺受控結構系統可以用如下狀態方程描述:

式中:

根據式(1)，按照線性二次型最優控制算法［14］計算出平臺在對應于極端隨機波浪載荷的試驗工況下每一時刻的動力響應和相應的主動最優控制力U(t)。

1.2 BP 神經網絡訓練

BP 神經網絡是一種單向傳播的多層前向網絡，由輸入層、隱含層和輸出層組成。該神經網絡采用誤差逆傳播算法，即BP 算法，使網絡對輸入模式響應的正確率不斷提高，因而具有很好的非線性映射能力［15］。本文根據輸入、輸出樣本的結構，設定神經網絡的輸入層和輸出層的神經元個數分別為2 個和1 個。隱含層神經元個數參考經驗公式(2)取為6 個。

其中，m 為輸出層神經元個數，n 為輸入層神經元個數，a 為［1，10］之間的常數。

1.3 智能控制力的確定

用訓練好的BP 神經網絡代替LQR 主動控制算法，根據結構實時的響應值可直接映射出所需的最優控制力的數值。

2 深水自升式海洋平臺模型設計

按照結構模型試驗的相似原理［16］，為了保證試驗測試結果與平臺原型響應的相似性，需要按照幾何相似與動力相似進行設計，然而在模型設計過程中，要同時完全保證模型與原型的幾何相似和動力相似是十分困難的。現有研究成果表明，振動控制系統的控制效果與結構振動的頻響特性直接相關，因此，在綜合考慮模型實際響應的效果以及本試驗主要是以驗證控制系統的有效性為實驗目標后，在模型設計中主要滿足幾何相似和平臺結構的振動頻率盡量一致的相似準則。模型的縮尺比取為1∶40。實際設計模型與平臺原型相關參數如表1 所示，平臺模型的實物照片如圖1 所示，浪向如圖2 所示。

表1 實際模型與平臺原型相關參數Tab. 1 Parameters of the real platform and the model

圖1 平臺試驗模型Fig. 1 Experiment model of platform

圖2 浪向1、2、3Fig. 2 Wave directions 1，2，3

3 試驗方案設計

3.1 試驗工況設計

根據墨西哥灣實際海況以及水池試驗條件，為了研究智能控制系統對不同工況的控制效果，分別選擇3個規則波以及5 個不規則波工況進行水池試驗，具體試驗工況詳見表2。其中，有義波高8 m、峰值周期10 s的真實海況理論上對應的試驗值為0.2 m、1.58 s。

表2 試驗工況Tab. 2 Experimental cases

3.2 測點布置設計

由于平臺上部結構較平臺下部結構的結構動力響應大，因此在如圖3 所示的位置設置了4 個測點。測點4 安裝的測量裝置是六自由度非接觸式運動測量系統，用于測量結構x、y 兩個方向的位移;測點1、2、3 每處安裝2 個加速度傳感器，分別用于測量x 和y 方向的加速度響應。測量系統的示意如圖4 所示。

圖3 測點布置位置Fig. 3 Measuring point position

圖4 測量系統Fig. 4 The measuring system

4 智能控制系統設計

4.1 磁流變阻尼器參數及安裝位置

文中采用剪切閥式磁流變阻尼器作為智能控制器，其結構示意如圖5 所示。

圖5 磁流變阻尼器結構Fig. 5 MRFD structure figure

剪切閥式磁流變阻尼器阻尼力計算公式如式(3)所示:

式中:η 為阻尼液的表觀黏度;L 為導磁區長度;h 為阻尼通道高度;D 為缸體內徑;d 為活塞直徑;v 為活塞與缸體間的相對速度;τy為阻尼液的剪切屈服強度;sgn 為符號函數。

文中所選用磁流變阻尼器的具體性能參數如表3 所示，阻尼器的安裝位置如圖6 所示。

圖6 阻尼器安裝位置Fig. 6 Position of damper

表3 磁流變阻尼器基本參數Tab. 3 Parameter of MRFD

4.2 智能控制的具體流程

基于BP 神經網絡的磁流變阻尼智能控制系統的控制流程如圖7 所示。

圖7 智能控制系統控制流程Fig. 7 Structure of intelligent control system

5 實驗結果及分析

本試驗在適航性水池實驗室完成。水池的主尺度為:長69 m、寬46 m、水深4 m。水池相鄰的兩邊布置了三維搖板式造波機，造波機的造波能力為:規則波最大波高可達0.5 m，周期0.5 ～5 s;不規則波有義波高0.5 m，最大波高可達1.0 m;波向角0° ～180°。

為了驗證控制系統的有效性，試驗中分別測量了安裝控制系統前后平臺模型的動力響應，如圖8 所示。限于篇幅，僅給出測點1 處的加速度響應以及測點4 處的位移和速度響應數據，如表4 所示。

圖8 不規則波試驗Fig. 8 Irregular experiment

表4 振動響應減振效果Tab. 4 Vibration response control effect

圖9 至圖11 給出了I01 工況下控制前后測點4 處的位移、速度響應和測點1 處的加速度響應時程。

試驗結果表明:基于BP 神經網絡的磁流變阻尼智能控制系統能夠對在波浪載荷作用下的平臺試驗模型的振動響應進行有效的控制，減振效果明顯。其中，各種工況下位移的平均減振幅度達到24.17%，速度的平均減振幅度達到25.27%，加速度的平均減振幅度達到26.92%，這說明本控制系統對加速度響應的控制效果最好。

對比不同工況下的減振幅度發現:波高越大、周期越小，即波浪載荷越大、結構動力響應越劇烈時，本文所設計控制系統的減振效果越好。這與阻尼器的出力特點有關，因為阻尼器對劇烈的響應比較敏感，故結構響應大時阻尼器對結構動力響應的阻礙程度更大。

圖9 位移減振效果Fig. 9 Displacement control effect

圖10 速度減振效果Fig. 10 Velocity control effect

圖11 加速度減振效果(時域)Fig. 11 Acceleration control effect (Time domain)

對比不同浪向下結構的減振幅度發現:結構沿波浪方向的動力響應減振效果更好。這主要是因為沿波浪方向的結構動力響應是因為波浪對結構的作用力而產生的，而垂直于波浪方向的結構動力響應是由結構沿浪向方向響應的排擠作用以及波浪因為結構的存在而發生的變形所引起的，在理想情況下不會存在垂直于波浪傳播方向的結構響應，試驗所設計的控制系統是根據理想情況設計的，故沿波浪傳播方向的結構振動響應的控制效果較好。

同時試驗結果還表明結構在規則波作用下的減振幅度略大于結構在不規則波作用下的減振幅度。

為了研究結構各個方向的頻率特性，對測點1、2、3 測得的加速度信號進行了頻域分析，限于篇幅，此處只給出R01 和I01 工況下控制前后測點1 處加速度響應的頻域結果，如圖12 至圖13 所示。

圖12 工況R01 下加速度減振效果(頻域)Fig. 12 Acceleration control effect under case R01 (Frequency domain)

圖13 工況I01 下加速度減振效果(頻域)Fig. 13 Acceleration control effect under case I01(Frequency domain)

上述加速度響應的頻域分析結果表明:

1)對于規則波，由于頻率成分簡單，因此頻域響應的各個峰值明顯。以工況R01 為例，在x 方向，結構振動主要集中在0.66 Hz 和1.98 Hz 這兩個頻率，其中，第一個頻率為波浪的頻率，第二個頻率為結構的一階固有頻率，試驗結果與實際情況較吻合。在y 方向，由于振動是由x 方向的振動引起，故頻響的總體趨勢一致，但是在2.7 Hz 左右出現了一個小的峰值，且在安裝阻尼器后此峰值有所增大。經分析，該現象的原因可能是:此峰值反應的是阻尼器與結構連接裝置的局部振動，安裝阻尼器之后使得這一振動變得更為劇烈，因此反應為在該峰值處的加強。對比控制前后的頻域響應可以發現，本文所設計的振動控制系統對結構的頻域響應控制效果明顯，且在峰值頻率處的控制幅度最大。

2)對于不規則波，由于頻率成分復雜，頻響的頻域分布較寬，頻響峰值并不像規則波那樣集中與突出，但結構頻域響應的總體趨勢仍然明顯。以工況I01 為例，在x 方向，結構的響應仍然集中在波浪頻率(0.4 Hz)和結構一階固有頻率(1.98 Hz)，與規則波頻響分析結果一致，在y 方向亦如此。在不規則波浪作用下，本文所設計的振動控制系統對頻響的各個頻率成分均起到振動控制的作用，尤其是對于峰值頻率處的振動控制幅度最大。

6 結 語

本文針對自升式海洋平臺，給出了智能控制系統、海洋平臺模型以及水池模型試驗的設計方法，通過模型試驗的方式研究了基于BP 神經網絡的智能控制系統對波浪載荷作用下深水自升式海洋平臺振動響應的控制效果。試驗結果表明:

1)基于BP 神經網絡的磁流變阻尼智能控制系統能夠很好地控制波浪載荷作用下深水自升式平臺的結構動力響應，減振幅度比較可觀，位移、速度、加速度的減振幅度均能達到20%以上，其中，對加速度的減振效果最好;

2)本控制系統對不同工況下平臺結構動力響應的控制效果較穩定，具有好的魯棒性能，但是相對于不規則波而言，結構在規則波作用下時控制系統的減振效果較好，且控制系統對沿浪向方向的振動響應控制效果較好，對結構較劇烈的響應比較敏感;

3)不同于被動控制系統，本控制系統不僅有效抑制了結構基頻處的動力響應，而且對各個頻率處的動力響應均可起到振動控制的作用，尤其是對波頻響應亦表現出了較好的減振效果，控制性能優秀。

［1］羅宏志，蒙占彬.國內深水自升式鉆井平臺發展概況［J］.中國海洋平臺，2010，25(4):4-7.

［2］汪張棠，趙建亭.我國自升式鉆井平臺的發展與前景［J］.中國海洋平臺，2008，23(4):8-13.

［3］M J Cassidy，R Eatock Taylor，G T Houlsby.Analysis of jack-up units using a constrained New-wave methodology［J］.Applied Ocean Research，2001，23:221-234.

［4］何曉宇，李宏男.波浪載荷作用下導管架海洋平臺利用TLCD 的振動控制［J］.振動工程學報，2008，21(1):71-78.

［5］趙 東，馬汝建，王威強，等.ETMD 減振系統及其在海洋平臺振動控制中的應用［J］.西安石油大學學報:自然科學版，2006，21(2):57-61.

［6］張海廷，馬汝建，趙 東.海洋平臺減振裝置設計及振動控制仿真研究［J］.船海工程，2010，39(5):226-229.

［7］DENG Z C，ZHANG D G.Experimental research on the vibration reduction and impact resistance performances of offshore structure based on magnetorheological damper［C］∥Proc.of the ASME 27th International Conference on Offshore Mechanics and Arctic Engineering.2008.

［8］歐進萍，王 剛，田石柱.海洋平臺結構振動的AMD 主動控制試驗研究［J］.高技術通訊，2002，12(10):85-90.

［9］楊 飏，歐進萍.導管架式海洋平臺結構磁流變阻尼隔震的振動臺試驗［J］.地震工程與工程振動，2005，25(4):141-148.

［10］張紀剛，吳 斌，歐進萍.海洋平臺冰振控制試驗研究［J］.東南大學學報:自然科學版，2005，35(z1):31-34.

［11］嵇春艷，萬樂坤，尹 群.海洋平臺磁流變阻尼器控制技術研究［J］.海洋工程，2009，26(3):27-32.

［12］霍發力，嵇春艷，李珊珊，等.基于模糊理論海洋平臺的MRFD 半主動控制理論研究［J］.中國海洋平臺，2009，24(1):31-35.

［13］嵇春艷，陳明璐，霍發力，等.波浪荷載作用下海洋平臺半主動控制試驗研究［J］.江蘇科技大學學報:自然科學版，2010，24(4):315-318.

［14］歐進萍.結構振動控制——主動、半主動和智能控制［M］.北京:科學出版社，2003.

［15］李宏男，李忠獻，祁 皚，等.結構振動與控制［M］.北京:中國建筑工業出版社，2005.

［16］楊俊杰.相似理論與結構模型試驗［M］.武漢:武漢理工大學出版社，2005.