[发明专利]一种主动式截断试验执行机构的选择与控制方法

说明书

一种主动式截断试验执行机构的选择与控制方法，属于海洋工程应用领域，步骤为：首先，利用执行机构运动学正解原理求解执行机构工作空间范围，选择适用的执行机构；其次，对驱动电机进行系统辨识，根据辨识模型设计前馈控制与干扰观测器；然后，将驱动电机模型及其控制算法集成到执行机构运动学模型中进行整体仿真，验证控制算法的有效性；最后，将设计好的控制算法集成到运动控制卡，实现执行机构的运动控制。本发明能够提高主动式截断试验截断点执行机构运动跟踪性能，从而保障主动式截断试验的精度。

技术领域

本发明属于海洋工程应用领域，涉及一种主动式截断试验执行机构的选择与控制方法，适用于多种电机类型与模拟工况。

背景技术

我国深海油气资源储量丰富，为提高深海油气开采技术水平，在深水平台及其锚泊系统设计中一般均需要进行物理模型试验，以验证其可靠性。然而，目前常见的的试验水池尺寸如：荷兰MARIN水池为45m×36m×10.5m，上海交大海洋深水试验池50m×40m×10m，都无法完成大缩尺比例的深水平台全水深物理模型试验。

受现有水池尺寸的限制，无法按常规缩尺比完成上千米水深的深水平台锚泊系统物理模型试验，所以提出了将深水平台的锚泊系统截断以进行物理模型试验，称作截断模型试验方法(或混合模型试验)。截断锚泊系统上部是物理模型而下部用数学模型代替，目前有两种方法：被动式截断与主动式截断。

被动式截断试验的实施过程是将截断点锚固在水池底部，以截断系统与全水深系统的静力和部分动力特性相似作为优化目标进行设计，最后通过数值重构和数值外推方法预报浮式平台系统的动态响应。虽然被动式截断能够满足截断系统与全水深系统的静力和部分动力相似，但是仍存在两个主要问题：不能完全满足锚泊系统动力特性相似而使得无法直接利用物理模型试验结果准确预报运动响应；截断比例较小时被动式截断试验难于设计与实施。

主动式截断试验的实施过程是在水池底部布置执行机构，利用执行机构带动锚泊系统截断点按照真实的响应实现实时运动，如图1所示。这种试验方法可以避免大量的数值计算，实现锚泊系统的动力特性相似。为使截断点按真实的响应运动，需将其连接在执行机构上以实时跟踪输入的运动信号，而其中的关键问题是如何选择并控制执行机构实现锚泊系统截断点实时高精度的运动跟踪性能。

发明内容

本发明的目的在于解决实施主动式截断试验中执行机构的选择与控制问题，选择一种适用于主动式截断试验的执行机构并设计相应的控制算法以提高其运动跟踪精度及性能，从而提高主动式截断试验的精度。首先，利用执行机构运动学正解原理求解执行机构工作空间范围，从而选择适用的执行机构；其次，对驱动电机进行系统辨识，根据辨识模型设计前馈控制与干扰观测器，分别提高系统响应速度与抗干扰性；然后，将驱动电机模型及其控制算法集成到执行机构运动学模型中进行整体仿真，验证控制算法的有效性；最后，将设计好的控制算法集成到运动控制卡，实现执行机构的运动控制。本发明提供的执行机构选择方法、控制策略、整体仿真方法适用于多种电机与执行机构类型，简单易行，原理清晰，即使试验环境发生改变也具有一定适用性。为提高主动式截断试验中执行机构选择与实时运动跟踪控制提供支持。

为了达到上述目的，本发明的技术方案为：

一种主动式截断试验执行机构的选择与控制方法，该方法包括通过工作空间范围选择主动式截断试验截断点执行机构，基于系统辨识的执行机构前馈控制、干扰观测器控制与整体仿真，具体步骤如下：

第一步，求解执行机构工作空间范围

根据执行机构尺寸参数和运动学反解原理对执行机构工作空间范围进行数值求解，判断是否满足试验条件，并根据工作空间范围选择满足试验条件的主动式截断试验截断点执行机构。所述的执行机构包括运动平台，与运动平台相连的多个支腿，及与支腿连接的控制支腿运行的驱动电机。