[发明专利]浮式海洋平台气隙测量系统及其方法

说明书

本发明公开一种浮式海洋平台气隙测量系统及其方法，所述测量系统包括固定板、底板和控制单元，固定板和底板之间设置有三根竖直控制杆：包括两根可调长度控制杆和一根固定长度控制杆，可调长度控制杆的两端与底板和固定板通过球铰连接，固定长度控制杆与固定板双向铰接连接、与底板垂直固定连接，底板的下方还设置有一与固定长度控制杆共线的波高仪固定杆，固定板和底板上均设置有姿态位移传感器；并通过对控制单元进行设计，通过姿态检测及前馈补偿，结合姿态‑位移转换等实现控制杆长度实时调节，保证底板始终处于水平状态，实现对真实气隙值的测量，在浮式平台模型试验及工程实践中具有较高应用价值。

技术领域

本发明涉及一种浮式海洋平台气隙测量系统及其方法。

背景技术

随着我国海洋油气开采不断向南海深水海区进军，浮式平台(如半潜式平台、Spar平台、张力腿平台等)在我国的应用越来越广泛，其将迎来前所未有的发展机遇，同时也面临严峻的安全挑战。其中气隙(海洋平台下甲板底部与波浪表面的垂直距离)是深海浮式平台设计过程中的安全指标之一，也是浮式平台设计中需要重点考虑的要素之一。

气隙的设计与平台建造难度和成本直接相关：如果气隙设计过大，将导致海洋平台甲板高度增大、平台重心升高，稳性变差，设计、建造成本剧增；但如果气隙设计不够，在波浪的作用下将会产生甲板砰击或上浪现象，导致结构破坏甚至平台倾覆。因此，气隙响应的设计对于浮式平台而言十分重要。

由于气隙响应的强非线性特征，目前的数值计算方法模拟精度尚难以满足工程需求，模型试验或现场实测是气隙响应的重要研究手段。现阶段，模型试验或现场测试中对气隙的测量主要是采用直接在平台上固定波高仪的方法，但该方法存在以下缺陷：1)平台发生摇动后，甲板的目标测点和波面测点不再是竖直对应关系；2)测得的气隙是甲板目标测点和波面测点的斜向直线距离，并非垂向距离，导致气隙测量值偏大，结构设计存在安全隐患。

如何在模型试验或现场测试中实时得到浮式海洋平台真实、可靠的气隙响应数据，是目前本领域的主要障碍。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于针对现有直接在平台上固定波高仪进行气隙测量方法存在测点不对应、测量结果可靠性差的缺陷，提出一种浮式海洋平台气隙测量系统及其方法，能够精确测量平台甲板测点与其实时对应波面的垂向距离，即实现真实气隙的测量。

本发明是采用以下的技术方案实现的：一种浮式海洋平台气隙测量系统，包括固定板、底板及控制单元；

所述固定板与浮式平台固定连接，固定板和底板之间设置有三根竖直控制杆：包括一根固定长度控制杆和两根可调长度控制杆，三根竖直控制杆呈三角形排布；可调长度控制杆采用电动推杆，电动推杆的执行器与控制单元电连接，可调长度控制杆与固定板和底板之间均通过球铰连接，固定长度控制杆与固定板双向球铰连接、与底板固定连接，固定长度控制杆与固定板的连接节点即为气隙测量点；

所述底板的下方还设置有波高仪固定杆，所述波高仪固定杆与固定长度控制杆位于同一直线上、且与底板垂直，以保证波高仪与固定长度控制杆共线且垂直于底板；固定板和底板上均布设有与控制单元相连的姿态传感器，分别用以监测固定板和底板的倾斜状态，底板上还设置有气泡式水平仪，用以辅助调整底板的水平状态；

所述控制单元包括卡尔曼滤波器、执行器延迟前馈补偿单元、鲁棒控制器以及姿态-位移转换模块；所述卡尔曼滤波器与姿态位移传感器的输出端相连，以对检测的姿态信号进行降噪处理，获得真实的姿态数据；卡尔曼滤波器的输出依次经执行器延迟前馈补偿单元、鲁棒控制器与姿态-位移转换模块相连，通过数据解析获得两根可调长度控制杆的提前控制量，进而控制其对应的执行器实现可调长度控制杆的伸缩，实现对底板的实时水平状态控制。

进一步的，所述执行器延迟前馈补偿单元用以根据接收的卡尔曼滤波信号及系统动力分析模型建立史密斯补偿模型，以对电动推杆执行过程中的滞后性进行补偿；