本發(fā)明涉及一種深水鉆井隔水管系統(tǒng)振動主動控制系統(tǒng)，屬于海洋結構振動主動控制領域。

背景技術：

深水鉆井隔水管系統(tǒng)是連接海底井口和鉆井平臺的重要部件，其長度一般在500m至3000m之間，是典型的大變形非線性動力敏感柔性體，在海洋自然環(huán)境的影響下發(fā)生復雜的波激振動和渦激振動等現(xiàn)象，易導致隔水管發(fā)生疲勞失效、懸掛斷裂等事故，是海洋鉆井系統(tǒng)中的重要而又薄弱的環(huán)節(jié)。目前，通過隔水管監(jiān)測與維護防止隔水管系統(tǒng)長期振動引起的疲勞累積失效，通過回收隔水管系統(tǒng)至鉆井平臺防止惡劣環(huán)境下隔水管系統(tǒng)振動引起的瞬時斷裂失效，即主要通過被動式的處理措施防止隔水管系統(tǒng)失效，尚沒有深水鉆井隔水管系統(tǒng)振動的主動控制方案?？紤]到海水中難以找到控制支撐點問題，無法使用常規(guī)的控制作動器，引入智能壓電材料的作動器功能提出一種深水鉆井隔水管系統(tǒng)主動控制方案，通過深水鉆井隔水管系統(tǒng)主動控制減緩隔水管系統(tǒng)振動響應，達到控制深水鉆井隔水管系統(tǒng)失效的目的。

技術實現(xiàn)要素：

本發(fā)明要解決的技術問題是提供一種能解決深水鉆井隔水管系統(tǒng)振動問題的主動控制系統(tǒng)。

一種深水鉆井隔水管系統(tǒng)振動主動控制系統(tǒng)，其特征在于：它包含傳感器，作動器，信號處理模塊，控制模塊；所述傳感器用于監(jiān)測隔水管系統(tǒng)縱向振動和橫向振動，所述傳感器沿隔水管系統(tǒng)軸向的布置位置由以下步驟得到：(1)建立深水鉆井隔水管系統(tǒng)動力學分析模型；(2)開展深水鉆井隔水管系統(tǒng)模態(tài)分析、波激振動分析和渦激振動分析；(3)識別深水鉆井隔水管系統(tǒng)縱向和橫向振動激發(fā)模態(tài)；(4)在模態(tài)位移較大位置布置所述傳感器；所述傳感器沿隔水管系統(tǒng)周向的布置位置為：在所述縱向模態(tài)位移較大位置布置一個所述傳感器，在所述橫向模態(tài)位移較大位置沿周向布置兩個所述傳感器，兩個所述傳感器間隔為90°；所述作動器沿隔水管系統(tǒng)軸向的布置步驟與所述傳感器沿隔水管系統(tǒng)軸向的布置步驟一致，但所述作動器和所述傳感器沿隔水管系統(tǒng)軸向的布置位置要有一定的間距，防止所述作動器引起的局部效應影響所述傳感器的監(jiān)測效果；在所述作動器軸向安裝位置處沿隔水管系統(tǒng)周向每間隔90°布置一個所述作動器，所述作動器在橫向模態(tài)位移較大位置布置方式采用反對稱布置，所述作動器在縱向模態(tài)位移較大位置布置方式為正對稱布置；所述信號處理模塊的處理步驟為：(1)接收所述傳感器測得的深水鉆井隔水管系統(tǒng)監(jiān)測點處的振動信號；(2)采用快速傅里葉變換確定振動信號的響應譜，識別深水鉆井隔水管系統(tǒng)振動激發(fā)模態(tài)；(3)建立深水鉆井隔水管系統(tǒng)動力學模型，基于模態(tài)疊加法進行隔水管系統(tǒng)振動響應和載荷重構；(4)基于深水鉆井隔水管系統(tǒng)動力學模型計算所需控制載荷；所述控制模塊的反饋控制步驟為：(1)將所述控制載荷轉換成所述作動器所需電壓值；(2)將得到的控制電壓輸入到所述作動器；(3)通過所述傳感器監(jiān)測作動器控制后的振動信號，并反饋到所述信號處理模塊；(4)依次進行下一輪的深水鉆井隔水管系統(tǒng)振動主動控制。

所述傳感器采用光纖光柵應變傳感器。

所述作動器采用多晶壓電陶瓷作動器。

所述傳感器和所述作動器與隔水管外壁緊密貼合，所述傳感器和所述作動器外層涂有防水涂層。

本發(fā)明由于采取以上技術方案，其具有以下優(yōu)點：1、本發(fā)明引入壓電智能材料的作動器實現(xiàn)了深水鉆井隔水管系統(tǒng)振動的主動控制，從而避免了因隔水管系統(tǒng)振動而產(chǎn)生的一系列問題。2、本發(fā)明的作動器采用正對稱和反對稱的布置方式，可同時實現(xiàn)深水鉆井隔水管系統(tǒng)橫向振動和縱向振動的主動控制。3、本發(fā)明的傳感器與作動器布置在隔水管系統(tǒng)振動模態(tài)位置較大處，提高了隔水管系統(tǒng)振動監(jiān)測與主動控制效率。4、本發(fā)明的作動器采用壓電陶瓷材料，其優(yōu)勢在于可加工成任意形狀和尺寸，更好的與隔水管進行貼合。

附圖說明

圖1為本發(fā)明的傳感器和作動器布置流程圖。

圖2為本發(fā)明的傳感器和作動器沿隔水管軸向布置示意圖。

圖3為本發(fā)明的傳感器和作動器沿隔水管周向布置示意圖。

圖4為本發(fā)明的主動控制系統(tǒng)示意圖。

圖5為本發(fā)明的主動控制工作流程圖。

圖中，1.隔水管，2.傳感器，3.正對稱作動器，4.反對稱作動器，5.傳輸線，6.信號處理模塊，7.控制模塊。

具體實施方式

以下結合附圖及實施例對本發(fā)明作進一步說明。

如圖1所示，為設計深水鉆井隔水管系統(tǒng)振動傳感器和作動器位置，建立深水鉆井隔水管系統(tǒng)動力學分析模型，可表示為：

式中，[M]、[C]和[K]分別為質量矩陣、阻尼矩陣和剛度矩陣，{ü}、和{u}分別為隔水管系統(tǒng)加速度、速度和位移向量，{F}為隔水管系統(tǒng)所受的海洋環(huán)境載荷向量。

不考慮海洋環(huán)境載荷的影響，即隔水管系統(tǒng)所受的海洋環(huán)境載荷向量{F}為零，通過深水鉆井隔水管系統(tǒng)動力學模型開展模態(tài)分析，確定深水鉆井隔水管系統(tǒng)橫向和縱向模態(tài)振型和頻率。

如圖2、圖3所示，考慮海洋環(huán)境載荷的影響，開展深水鉆井隔水管系統(tǒng)波激振動和渦激振動分析，識別深水鉆井隔水管系統(tǒng)激發(fā)模態(tài)，模態(tài)位移較大的若干處即為傳感器2與正對稱作動器3和反對稱作動器4沿隔水管系統(tǒng)軸向的布置位置。傳感器2與正對稱作動器3和反對稱作動器4沿隔水管系統(tǒng)軸向的布置位置要有一定的間距，傳感器2沿隔水管1周向的布置位置為：在縱向模態(tài)位移較大位置附近沿周向布置一個傳感器2，在橫向模態(tài)位移較大位置附近沿軸向布置兩個傳感器2，兩傳感器2間隔為90°。在橫波目標位置布置方式采用正對稱作動器3，在縱波目標位置布置方式為反對稱作動器4。

如圖4、圖5所示，完成深水鉆井隔水管系統(tǒng)振動傳感器2和正對稱作動器3與反對稱作動器4位置設計后，開展深水鉆井隔水管系統(tǒng)振動主動控制。其實現(xiàn)過程為傳感器2、正對稱作動器3與反對稱作動器4分別貼合在隔水管1的目標位置。利用傳輸線5將傳感器2與信號處理模塊6相連接，利用傳輸線5將信號處理模塊6與控制模塊7相連接，利用傳輸線5將控制模塊7與對稱作動器3和反對稱作動器4分別連接。首先，傳感器2測得隔水管1的應變，并轉化為電信號，通過傳輸線5輸送至信號處理模塊6，通過快速傅里葉變換確定深水鉆井隔水管系統(tǒng)響應譜，通過響應譜和隔水管系統(tǒng)模態(tài)頻率對比識別深水鉆井隔水管系統(tǒng)振動激發(fā)模態(tài)，然后采用監(jiān)測點的振動信息進行隔水管系統(tǒng)振動響應重構，任意位置處的隔水管系統(tǒng)響應可表示為N個模態(tài)的振型的疊加，即：

式中，為第i階模態(tài)振型的位移；w_i為第i階模態(tài)振型的權重；N為所選模態(tài)數(shù)。

然后根據(jù)光纖光柵應變傳感器的應變信息確定各階模態(tài)的權重即完成隔水管系統(tǒng)振動響應重構，各階模態(tài)權重可表示為：

式中，ε為監(jiān)測的應變，為第i階模態(tài)振型的曲率，r為隔水管半徑。

在重構{u}的基礎上，結合[M]、[C]和[K]，根據(jù)公式(1)反算深水鉆井隔水管系統(tǒng)海洋環(huán)境載荷向量{F}，至此完成深水鉆井隔水管系統(tǒng)振動信號處理與重構。

為了達到深水鉆井隔水管系統(tǒng)振動主動控制的目的，進一步設計輸入的控制載荷向量{F_c}，在公式(1)的基礎上增加控制載荷向量{F_c}改變隔水管系統(tǒng)響應向量{u}，可表示為：

將控制載荷向量{F_c}轉換成所述作動器所需電壓值，并將控制電壓輸入到作動器，即完成一次深水鉆井隔水管系統(tǒng)振動主動控制，然后通過傳感器持續(xù)監(jiān)測隔水管系統(tǒng)振動，并反饋給控制模塊依次進行下一輪的主動控制，最終達到深水鉆井隔水管系統(tǒng)振動主動控制的目的。