一种海底管线铺设装备的恒张力控制装置及其方法

摘要

本发明涉及一种海底管线铺设装备的恒张力控制装置及其方法。本发明属于海洋石油工程技术领域。海底管线铺设装备的恒张力控制装置，其测力测速模块包括张力传感器与速度传感器，连接控制器模块；驱动模块有变频器和变频电机；测力测速模块与控制器模块构成静态前馈-串级反馈控制调节结构，控制器调整控制驱动模块。控制方法：1）对装备进行静态标定检测，获提静态前馈的补偿信号的整定参数值；2）张力控制作为主回路调节器采用PI控制算法，速度控制作为副回路调节器采用P控制算法；3）采用逐步逼近法对控制装置的主副回路调节器进行整定，将参数值迭回后输送给变频器，保持恒定张力。本发明具有响应迅速、超调量小、自适应能力强等优点。

说明书

技术领域

本发明属于海洋石油工程技术领域，特别是涉及一种海底管线铺设装备的恒张力控制装置及其方法。

背景技术

目前，在海洋石油开采由近海向深海转移的背景下，海底管线的铺设作为海洋油气建设的重要组成部分，管线铺设设备的恒张力控制起到尤其重要的作用。当工程船进行海底管线铺设时，工程船的运动状态以及铺设在海中管线受海流的作用，管线所受的张力处于不断变化，当张力值超出管线所承受的张力时，管线将产生断裂。为使管线所受的张力处于一个平稳状态，所进行施工的装备必须保证铺设管线的恒张力状态。

海底管线铺设装备的控制系统设计中由于海洋工况的复杂性，铺设的管线所受的张力为非线性，数学模型的不确定性，经过试验，采用单回路的PID控制系统达不到理想的控制效果。其闭环控制框图如附录图3所示，此时管线所受的张力曲线如图4所示。从图4可以看出，装备工作时管线所受的张力基本能稳定在给定值。但是还不够平滑，每当有扰动时冲击较大，控制精度不好。

发明内容

本发明为解决公知技术中存在的技术问题而提供一种海底管线铺设装备的恒张力控制装置及其方法。

本发明的目的之一是提供一种结构简单、响应迅速、超调量小、平稳时间短，保证铺设管理的张力稳定，对不同的给定值适应性强等特点的海底管线铺设装备的恒张力控制装置。

本发明提出的海底管线铺设装备的恒张力控制系统，由控制器模块、测力测速模块、驱动模块构成。其中控制器模块由PLC与触摸屏组成；测力测速模块包含了张力传感器与速度传感器，测量值接入控制器模块中PLC的输入端；驱动模块为变频器和变频电机，通过现场总线通讯控制器模块控制变频器的输出，实现控制系统对驱动模块的调整控制。

本发明设计了一种海底管线铺设装备的恒张力控制系统，该系统：

（1）具有轴销式测力传感器，对铺设管线进行张力检测；

（2）具有测速编码器，通过对驱动变频电机的速度检测，计算出管线的铺设速度；

（3）具有[w1] 调节功能，通过设定管线张力值，进行静态前馈控制运算值（A）；通过检测管线张力的测力传感器与设定铺设张力值的差值，进行控制运算值（B）；和通过测速编码器检测出的铺设速度值，进行控制运算值（C）；将这三个运算值迭加后输送给变频器驱动变频电机。

对于上述控制系统，采用的控制方法为：

（1）对装备进行静态标定检测；通过对装备的[w2] 进行多点标定，得出装备的固有机械损失数据，然后对所得数据与工作张力的对应函数曲线进行拟合计算处理，获得静态前馈的补偿信号的整定参数值                                                。

（2）通过对张力控制作为主回路调节器采用PI控制算法，对速度控制作为副回路调节器采用P控制算法。

（3）采用逐步逼近法对控制系统的主、副回路调节器进行整定，求得的主、副回路调节器参数值，，将由主、副回路调节器后的运算值与经过静态前馈调节器运算值迭加后输送给变频器，再由变频器驱动变频电机实现装备铺设管线时保持恒定张力。

本发明为解决公知技术中存在的技术问题所采取的技术方案是：

一种海底管线铺设装备的恒张力控制装置，其特点是：恒张力控制装置包括控制器模块、测力测速模块、驱动模块；控制器模块包括PLC与触摸屏，测力测速模块包括张力传感器与速度传感器，张力传感器和速度传感器测连接控制器模块中PLC的输入端；驱动模块有变频器和变频电机，通过现场总线通讯控制器模块控制变频器的输出；测力测速模块与控制器模块构成静态前馈-串级反馈控制调节结构，张力传感器和速度传感器连接控制器，控制器调整控制驱动模块。

本发明还可以采用如下技术方案：

所述的一种海底管线铺设装备的恒张力控制装置及其方法，其特点是：张力传感器为检测铺设管线张力的轴销式测力传感器。

所述的一种海底管线铺设装备的恒张力控制装置及其方法，其特点是：速度传感器为检测驱动变频电机的速度的测速编码器。

本发明的目的之二是提供一种响应迅速、超调量小、平稳时间短，能有效改善海底管线铺设时所受张力的平滑性，较好的自适应能力等特点的海底管线铺设装备的恒张力控制装置的控制方法。

本发明海底管线铺设装备的恒张力控制装置的控制方法的技术方案：

海底管线铺设装备的恒张力控制装置的控制方法，包括以下步骤：

1）对装备进行静态标定检测；通过对装备的工作张力进行标定，得出装备的固有机械损失数据，然后对所得数据与工作张力的对应函数曲线进行拟合计算处理，获提静态前馈的补偿信号的整定参数值；

2）通过对张力控制作为主回路调节器采用PI控制算法，对速度控制作为副回路调节器采用P控制算法；

3）采用逐步逼近法对控制装置的主副回路调节器进行整定，求得的主副回路调节器参数值，将主副回路调节器参数值与经过静态前馈调节器参数值迭回后输送给变频器，再由变频器驱动变频电机实现装备铺设管线时保持恒定张力。

本发明具有的优点和积极效果是：

本发明的优点是动态响应迅速、超调量小、平稳时间短，改善了海底管线铺设时所受张力的平滑性，保证铺设管线的张力能稳定在给定值的误差范围内，同时该系统对不同的给定值适应性较强，具有一定的自适应能力。

附图说明

图1是本发明采用静态前馈-串级反馈控制的系统框图；

图2是本发明采用静态前馈-串级反馈控制时管线所受张力曲线图；

图3是采用单回路PID闭环控制的系统框图；

图4是使用单回路PID闭环控制时管线所受张力曲线图。

具体实施方式

为能进一步了解本发明的技术内容、特点及功效，兹例举以下实施例，并配合附图详细说明如下：

实施例1

一种海底管线铺设装备的恒张力控制装置，包括控制器模块、测力测速模块、驱动模块；控制器模块包括PLC与触摸屏，测力测速模块包括张力传感器与速度传感器，张力传感器和速度传感器测连接控制器模块中PLC的输入端。张力传感器为检测铺设管线张力的轴销式测力传感器。速度传感器为检测驱动变频电机的速度的测速编码器。

驱动模块有变频器和变频电机，通过现场总线通讯控制器模块控制变频器的输出；测力测速模块与控制器模块构成静态前馈-串级反馈控制调节结构，张力传感器和速度传感器连接控制器，控制器调整控制驱动模块。

实施例2

海底管线铺设装备的恒张力控制装置的控制方法，包括以下步骤：

1）对装备进行静态标定检测；通过对装备的工作张力进行标定，得出装备的固有机械损失数据，然后对所得数据与工作张力的对应函数曲线进行拟合计算处理，获提静态前馈的补偿信号的整定参数值；

2）通过对张力控制作为主回路调节器采用PI控制算法，对速度控制作为副回路调节器采用P控制算法；

3）采用逐步逼近法对控制装置的主副回路调节器进行整定，求得的主副回路调节器参数值，将主副回路调节器参数值与经过静态前馈调节器参数值迭回后输送给变频器，再由变频器驱动变频电机实现装备铺设管线时保持恒定张力。

本发明的具体实施过程：

 本发明控制系统包括有：

（1）具有轴销式测力传感器，对铺设管线进行张力检测；

（2）具有测速编码器，通过对驱动变频电机的速度检测，计算出管线的铺设速度；

（3）具有静态前馈-串级反馈控制调节功能，通过设定管线张力值，进行静态前馈控制运算值（A）；通过检测管线张力的测力传感器与设定铺设张力值的差值，进行控制运算值（B）；和通过测速编码器检测出的铺设速度值，进行控制运算值（C）；将这三个运算值迭加后输送给变频器驱动变频电机。

对于上述控制系统，在通过针对铺设管线所受的张力的主回路反馈控制系统的基础上，利用安装了海底管线铺设装备的工程船具有大惯量、速度变化慢的特点，引人管线铺设速度的副回路反馈控制系统，去控制装备的铺设速度与工程船的运行速率的一致性，最终实现铺设管线的恒张力，即铺设速率与工程船的移动速率相同，方向相反时，铺设管线所受得张力保持恒定。同时在串级反馈控制过程之前增加设定张力前馈调节器，补偿扰动对铺设管线所受张力的影响，提高系统控制质量。

因此，本发明采用的控制方法为：

（1）、对装备进行静态标定检测；通过铺设管线将装备与固定点连接，对装备设定逐一递增到满量程的工作张力点，通过测力传感器的张力检测值让装备稳定工作在设定张力点，得出装备的补偿信号大小，数据表格如表1所示。

表1.静态补偿信号与设定工作张力对应表

设定张力值……补偿信号值A……

考虑装备的机械结构与传动形式的确定性，可将其固有机械损失补偿认为在两两设定值之间的数据认为是线性比例特性，与时间因子无关。

当时，

A=+

式中：n——标定次数

通过上述公式，在量程范围内的张力设定值就可获得静态前馈的补偿信号的整定参数值A。

（2）、由于铺设管线所受张力为装备的主要技术指标，允许波动的范围很小，因此对张力控制作为主回路调节器采用PI控制算法。速度控制是为了保证恒张力控制的控制质量，可以允许在一定范围内变化，而且安装了海底管线铺设装备的工程船的速度变化慢，因此对速度控制作为副回路调节器采用P控制算法。当系统达到稳定运行条件下，主、副回路调节器均置于P控制算法。

（3）、对控制系统的主、副回路调节器进行整定，考虑到安装了海底管线铺设装备的工程船具有大惯量、速度变化慢的特点，而且主、副回路的动态联系十分密切，故对主、副回路调节器进行整定采用了逐步逼近法。具体步骤如下：

i.    把主回路张力控制断开，把副回路速度控制作为一个单回路控制系统，按照单回路控制系统的４:１衰减曲线法，求取副调节器的整定参数。

ii.    获得副调节器的整定参数后，把主回路控制接入，副回路作为一个固定控制环节，因此主回路又成为一个单回路控制系统，再按照单回路控制系统的４:１衰减曲线法，取得主调节器的整定参数。

iii.    再把主调节器的整定参数设为，主回路控制接入，按上述方法求取副调节器的整定参数值。至此，完成了一次逼近循环。若铺设管线所受张力已达到工艺要求，整定即告结束。主、副调节器的整定参数值分别为和。否则，将副调节器的参数置于上，再按上述方法求取主调节器整定参数值。如此循环下去，逐步逼近，直到满足铺设管线所受张力指标要求为止。

求得的主、副回路调节器参数值，，将由主、副回路调节器后的运算值与经过静态前馈调节器运算值迭加后输送给变频器，再由变频器驱动变频电机实现装备铺设管线时保持恒定张力。