[发明专利]基于反步技术的海洋柔性立管系统的边界迭代控制方法

说明书

本发明公开了一种基于反步技术的海洋柔性立管系统的边界迭代控制方法，该边界迭代控制方法包括：获取海洋柔性立管系统的动力学特征，并根据动力学特征，构建海洋柔性立管系统的数学模型；根据数学模型，利用反步法，构建边界控制方法；设计正定函数，并离散化正定函数，得到离散域下的迭代项；设计Lyapunov函数，将离散域下的迭代项转换为连续时间域下的迭代项；结合边界控制方法和连续时间域下的迭代项，得到抑制海洋柔性立管系统振动的边界迭代控制方法。本发明能够实现对海洋柔性立管更准确，更稳定的跟踪与控制，迭代项的加入能进一步抑制外界周期性扰动对系统的影响。

技术领域

本发明涉及自动控制技术领域，具体涉及一种基于反步技术的海洋柔性立管系统的边界迭代控制方法。

背景技术

随着海上油气勘探的不断发展，柔性立管作为海上平台与海底井口最重要的连接结构，受到了前所未有的重视。但是，海上环境中存在的分布式扰动、洋流的周期性扰动，会让柔性立管产生不可避免的振动，从而导致立管过早疲劳，影响输油效率，更严重的会使系统瘫痪。

在现有的解决海洋柔性立管振动问题的方案中，边界控制是公认的一种有效的控制方法。然而，在减少外部扰动带来的影响时，通常用的方法是在边界控制中设计符号函数，或者干扰观测器，但是这些方法都会使计算量和控制难度增加。控制难度的增加必然会带来更高的控制成本，这对于现实工程而言是十分不利的。

发明内容

本发明的目的是为了解决现有技术中的上述缺陷，提供一种基于反步技术的海洋柔性立管系统的边界迭代控制方法，能够利用迭代控制具有的自调整，计算量小，控制方法简单易实现等特点，有效的减少外界扰动对柔性立管的影响。

本发明的目的可以通过采取如下技术方案达到：

一种基于反步技术的海洋柔性立管系统的边界迭代控制方法，所述的边界迭代控制方法包括以下步骤：

S1、基于反步法构建海洋柔性立管系统边界迭代控制器的边界控制部分，包括：获取海洋柔性立管系统的动力学特征，并根据所述的动力学特征，利用哈密顿原理，构建海洋柔性立管系统的数学模型；基于反步法，将所述的海洋柔性立管系统的数学模型转换为下三角形式，并设计虚拟控制；基于所述的海洋柔性立管系统与虚拟控制的误差e₀(t)，选取Lyapunov函数；基于所述的Lyapunov函数，构建边界控制部分；

S2、基于所述的海洋柔性立管系统受到的外部周期性扰动d(t)和误差e₀(t)，构建海洋柔性立管系统边界迭代控制器的迭代部分，包括：构建离散域下的正定函数，离散化该正定函数，得到离散域下的迭代项；根据所述的正定函数，构建连续时间域下的Lyapunov函数，并对该Lyapunov函数进行求导，构建连续时间域下的迭代项；

S3、将所述的边界控制部分和连续时间域下的迭代项相加，得到基于反步技术的海洋立管系统的边界迭代控制方法。

进一步地，所述的步骤S1、构建边界控制部分的具体过程为：

S1.1、获取海洋柔性立管系统的动力学特征，并根据所述的动力学特征，利用哈密顿原理，构建海洋柔性立管系统的数学模型；所述的动力学特征包括海洋柔性立管系统的动能、海洋柔性立管系统的势能、以及非保守力对海洋柔性立管系统所做的虚功，其中，所述的动能为：

其中，M_s为船的质量，ρ是立管单位长度的质量，L为立管的总长度，w(x,t)为海洋柔性立管系统在长度为x，时间为t时产生的偏移量，w(L,t)海洋柔性立管系统在长度为L，时间为t时产生的偏移量，和分别表示w(x,t)和w(L,t)对时间t的一阶导数；

所述的势能为：