耦合內流動力學的海洋柔性立管振動控制

郭 芳， 劉 嶼， 趙志甲， 羅 飛， 鄔依林

(1.華南理工大學 自動化科學與工程學院，廣州 510641；2. 廣東第二師范學院計算機科學系，廣州 510310)

耦合內流動力學的海洋柔性立管振動控制

郭 芳1， 劉 嶼1， 趙志甲1， 羅 飛1， 鄔依林2

(1.華南理工大學 自動化科學與工程學院，廣州 510641；2. 廣東第二師范學院計算機科學系，廣州 510310)

針對耦合時變內流和洋流動力學的海洋柔性立管系統，為有效抑制其振動和避免控制溢出問題，基于立管原始無限維模型，將邊界控制技術與高增益觀測器相結合，設計了邊界控制器對立管振動進行主動控制，通過嚴格的數學分析，驗證了控制作用下立管系統的穩定性和閉環系統狀態的一致有界性。仿真結果驗證了所設計邊界控制算法對立管振動抑制的有效性。

海洋立管；邊界控制；Lyapunov理論；高增益觀測器

海洋柔性立管的振動控制問題經常發生在海洋工程中，然而過度的振動將會制約立管系統的生產性能并導致立管疲勞破損，帶來經濟損失。因此，開展立管系統的振動主動控制研究，為提高生產效率和保障海洋生產安全提供了可能。

近年來，為避免因截斷模型法產生的控制溢出問題，國內外學者運用邊界控制、魯棒控制以及自適應控制等，在原始的無限維立管模型基礎上直接對其開展控制設計，已取得一定成果。然而，目前國外研究成果[1-6]都沒有考慮到內流動力學對立管系統的影響。在國內，作者已有研究成果[7-10]把內流動力學納入立管系統動力學模型，并設計了PD控制、魯棒控制、自適應控制、二維控制等，均能達到抑制立管振動的控制目的，同時也驗證了內流動力學的影響將降低立管振動的自然頻率。然而，在以上文獻中，均假定所提出控制律中的狀態信號均可通過傳感器測量得到或后向差分計算得到。在實際工程中，測量噪聲將隨著差分計算過程被放大，這將影響以上文獻中所設計控制器的有效執行。因此，在本文中將邊界控制技術與高增益觀測器相結合，設計邊界控制器對立管振動進行控制，從而避免了因后向差分計算帶來的噪聲影響。

本文以耦合內流動力學的海洋柔性立管為研究對象，在原始的無限維立管模型基礎上直接對其開展控制設計，將Lyapunov直接法、邊界控制技術、高增益觀測器相結合，設計邊界振動控制算法，從而達到抑制立管振動的目的。隨后基于所設計的控制算法，通過嚴格的數學分析驗證控制作用下系統的穩定性。最后對所設計控制算法的有效性進行了數值仿真。

1 立管系統動力學模型

圖1給出了一類典型的海洋柔性立管系統。控制器U(L,t)作用在立管頂端，且方向向右，并用以減少立管振動偏移量w(x,t)。

圖1 典型的海洋柔性立管系統

本文研究在Liu已有成果的基礎上開展，因此，式(9)～(11)可直接得到本文所研究立管系統的模型，其中控制方程為

(1)

?(x,t)∈(0,L)×[0, +∞)，邊界條件為

(2)

?t∈[0, +∞)，初始條件為

(3)

?x∈(0,L)。

2 控制設計

本文的控制目標是在系統狀態不可精確獲得的條件下，在立管頂端設計邊界控制用以抑制柔性立管的振動。本節將Lyapunov直接法、邊界控制技術、高增益觀測器相結合，設計邊界控制器，用以抑制立管振動。其后，通過嚴格的數學分析，驗證控制作用下立管系統的穩定性。

2.1預備知識

引理1對θ1(x,t)，θ2(x,t)∈R，σ>0，?(x,t)∈[0,L]×[0, +∞)，有[11-13]

(4)

引理2對θ(x,t)∈R，?(x,t)∈[0,L]×[0,+∞)，若滿足

θ(0,t)=0, ?t∈[0,+∞)

(5)

有

(6)

2.2邊界控制

引理3[14]假設系統的輸出y(t)以及對應的n階微分是有界的，且有|y(k)|0)成立，我們研究以下線性系統

(7)

(8)

(9)

其中定義π2的動力學和x2(t)的誤差為

(10)

為對立管系統式(1)～(3)的振動進行主動控制，本文給出如下邊界控制律

(11)

其中k1，k2，k3>0是控制增益。

選取Lyapunov候選函數為

V(t)=Va(t)+Vb(t)+Vc(t)

(12)

其中能量項Va(t)為

(13)

交叉項Vb(t)為

(14)

附加項Vc(t)為

(15)

其中α,μ>0。

引理4Lyapunov候選函數式(12)是正定的，且具有如下上下界

0≤?1[Va(t)+Vc(t)]≤V(t)≤

?2[Va(t)+Vc(t)]

(16)

式中，?>01，?2>0。

應用不等式(4)～(6)，由式(14)可得

(17)

式中：

式(17)可改寫為

-γVa(t)≤Vb(t)≤γVa(t)

(18)

選取γ使得

γ1=1-γ>0,γ2=1+γ>1

(19)

將式(19)代入到式(18)得

0<γ1Va(t)≤Va(t)+Vb(t)≤γ2Va(t)

(20)

結合式(12)與式(20)可得

0≤?1[Va(t)+Vc(t)]≤V(t)≤

?2[Va(t)+Vc(t)]

(21)

式中，?1=min(γ1, 1) >0，?2=max(γ2, 1) >0。

引理5Lyapunov候選函數(12)的時間導數具有如下上界

(22)

式中，?，ω>0。

對式(12)求導得

(23)

對式(13)求導并代入式(1)，并分部積分可得

(24)

式中，δ1>0。

對式(14)求導并代入式(1)，應用分部積分再結合式(2)和引理1可得

(25)

式中，δ2，δ3，δ4>0。

對式(15)求導可得

(μk3+αk1+3αmfVi)x1(t)x2(t)

(26)

將式(24)～(26)和控制律式(11)代入式(23)，再結合引理1可得

(27)

式中，δ5～δ10為任意正常數。結合式(19)的第一式，選擇適當的k1～k3，α，μ，δ1～δ10滿足以下條件：

γ<1，

(28)

將式(28)代入式(27)可得

-?3[Va(t)+Vc(t)]+ω

(29)

結合不等式(29)和式(16)，可得

(30)

式中，?=(?3/?2)。

2.3穩定性分析

定理1對式(1)～(3)所描述的柔性立管系統，在假設1和邊界控制器式(11)作用下，有

1) 一致有界：w(x,t)一致包含于緊集Ω1中

Ω1:={w(x,t)∈R‖w(x,t)≤χ1,

?(x,t)∈[0,L]×[0,+∞)}

(31)

2) 一致最終有界：w(x,t)最終收斂于緊集Ω2中

?x∈[0,L]}

(32)

式(22)乘以e?t有

(33)

對式(33)進行積分運算可得

(34)

式(34)表明V(t)是有界的。

由式(6)、式(13)以及式(16)可得

(35)

結合式(34)～(35)有

(36)

?(x,t)∈[0,L]×[0, +∞)。進一步可得

(37)

?x∈[0,L]。

3 數值仿真

本節將采用有限差分法[15-18]對柔性立管系統在海洋洋流擾動作用下的振動控制情況進行仿真研究，以便于對所提出邊界控制(11)的有效性進行驗證。立管系統的詳細參數如表1所示。

表1 柔性立管系統參數

洋流干擾載荷f(x,t)可表示為

(38)

式中：ρs為海水密度，D為立管外徑，β為相位角，AD(即AD(x,t))和CD(即CD(x,t))分別為阻力的振蕩部分幅值和系數，Vs(即Vs(x,t))為時變海流流速，fv=StVs/D為渦旋脫落頻率，其中St為斯特勞哈爾數。

海洋洋流速度與深度關系為[19]

(39)

其中Vo(L,t)為海洋表面洋流流速為

(40)

Vi(t)=0.5+0.2cos(0.867t)

(41)

(a) 無控制

(b) 有控制

(a) 無控制

(b) 有控制

(a) x=500 m

(b) x=1 000 m

(a) x=500 m

(b) x=1 000 m

(a) 無內流

(b) 有內流

由仿真結果圖2～7可得如下結論：

1)由圖2～6可知，立管系統在所設計控制器式(11)作用下，無論有無內流，其振動偏移量都得到了顯著減小，說明了在系統狀態不可精確獲得的條件下，本文所提控制算法仍具有很好的控制效果。

2)對比圖2～3和圖4～5，當考慮內流動力學后，立管振動情況發生了顯著的變化，即內流對立管系統振動有很大影響，它直接減小立管振動的自然頻率。

3)由圖4～6可知，雖然在立管中部(x=500 m)并未布置執行器，但所設計邊界控制算法同樣具有非常好的控制效果。

4)由圖7可知，控制輸入的范圍為：-8×104N～1×105N，其中負數控制輸入用來抵消外部環境干擾。

圖7 邊界控制輸入

4 結 論

本文以耦合內流動力學的海洋柔性立管的振動控制問題為研究對象。首先，在原始的無限維立管模型基礎上，將邊界控制技術與高增益觀測器相結合，設計邊界控制策略對立管振動進行控制。其后運用Lyapunov綜合法，通過嚴格的數學分析驗證控制作用下系統的穩定性。此控制器設計不需知道擾動量的精確模型，因此對系統參數的變化具有穩定魯棒性。最后，仿真結果驗證了所設計邊界控制器能有效地抑制立管的振動。

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Vibrationcontrolofaflexiblemarinerisercoupledwiththeinternalfluiddynamics

GUOFang1,LIUYu1,ZHAOZhijia1,LUOFei1,WUYilin2

(1. School of Automation Science and Technology, South China University of Technology, Guangzhou 510641, China； 2. Department of Computer Science, Guangdong University of Education, Guangzhou 510310, China)

To suppress the riser’s vibration and avoid the control spillover, based on the original infinite-dimensional model of a flexible marine riser structure dynamically coupled with the time-varying internal fluid and ocean current, a boundary control was developed for the vibration reduction by applying the boundary control technique and high-gain observers. The stability of the control system and uniform boundedness of the closed-loop signals were strictly demonstrated by using the Lyapunov theory. The effectiveness of the proposed boundary control scheme was illustrated by some simulation results.

marine risers; boundary control; Lyapunov theory; high-gain observer

TP273

A

10.13465/j.cnki.jvs.2017.21.024

國家自然科學基金(61203060)；廣東省科技計劃(2016A010106007)；華南理工大學中央高校基本科研業務費(2017ZD058)

2016-03-30 修改稿收到日期：2016-09-08

郭芳 女，博士生，1992年8月生

劉嶼 男，副研究員，碩士生導師，1977年12月生