Thư viện tri thức trực tuyến
Kho tài liệu với 50,000+ tài liệu học thuật
© 2023 Siêu thị PDF - Kho tài liệu học thuật hàng đầu Việt Nam
Điều khiển tích cực dao động của hệ thống ống dẫn dầu khí trong khai thác dầu biển
Nội dung xem thử
Mô tả chi tiết
i
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
-----------------***-----------------
NGUYỄN ANH ĐỨC
ĐIỀU KHIỂN TÍCH CỰC DAO ĐỘNG CỦA HỆ THỐNG
ỐNG DẪN DẦU KHÍ TRONG KHAI THÁC DẦU BIỂN
LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT
Thái Nguyên - Năm 2018
ii
LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của cá nhân tôi dưới sự hướng dẫn
của tập thể các nhà khoa học và các tài liệu tham khảo đã trích dẫn. Kết quả nghiên
cứu là trung thực và chưa được công bố trên bất cứ một công trình nào khác.
Tác giả
Nguyễn Anh Đức
iii
LỜI CẢM ƠN
Trong quá trình làm luận án với đề tài “Điều khiển tích cực dao động của hệ
thống ống dẫn dầu khí trong khai thác dầu biển”, tôi đã nhận được rất nhiều góp ý
về chuyên môn cũng như sự ủng hộ của các tổ chức, của tập thể cán bộ hướng dẫn,
của các nhà khoa học, của các bạn đồng nghiệp. Tôi xin được gửi tới họ lời cảm ơn
sâu sắc.
Tôi xin bày tỏ lòng cảm ơn sâu sắc đến GS. TS. Đỗ Khắc Đức đã tâm huyết
hướng dẫn tôi trong suốt thời gian qua để hoàn thành luận án này.
Tôi cũng xin chân thành cảm ơn các đồng nghiệp, tập thể các nhà khoa học
Trường đại học Kỹ thuật Công nghiệp Thái Nguyên, của Viện Điện trường Đại học
Bách Khoa Hà Nội đã có những ý kiến đóng góp quý báu, các Phòng ban của Trường
Đại học Kỹ thuật Công nghiệp và Khoa Điện đã tạo điều kiện thuận lợi cho tôi trong
suốt quá trình thực hiện đề tài luận án.
Tôi giành những lời biết ơn chân thành nhất gửi đến gia đình. Sự động viên,
chia sẻ và giúp đỡ của gia đình là động lực mạnh mẽ giúp tôi vượt qua mọi khó khăn,
thử thách để hoàn thành luận án này.
Tác giả
Nguyễn Anh Đức
iv
MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN i
LỜI CẢM ƠN iii
MỤC LỤC iv
Các ký hiệu được sử dụng vii
Các ký hiệu viết tắt ix
Bảng danh mục các hình vẽ x
PHẦN MỞ ĐẦU 1
1. Tính cấp thiết, mục đích và nhiệm vụ của đề tài 1
2. Mục tiêu của luận án 2
3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu 3
4. Phương pháp nghiên cứu 3
5. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn 5
6. Bố cục của luận án 6
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ BÀI TOÁN ĐIỀU KHIỂN ỐNG
DẪN DẦU TRONG LÒNG BIỂN 8
1.1 Các hệ thống khai thác dầu khí ngoài đại dương 9
1.1.1 Phân loại hệ thống ống dẫn dầu khí 9
1.1.2 Hệ thống neo giữ tàu khai thác trên biển 9
1.1.3 Các yếu tố ảnh hưởng tới sự làm việc của hệ thống ống dẫn dầu khí 11
1.1.4 Cơ cấu dẫn động của hệ thống ống dẫn dầu 12
1.2 Bài toán điều khiển ống dẫn dầu 14
1.2.1 Các giả thiết đơn giản hóa 14
1.2.2 Các điều kiện biên của ống dẫn dầu 15
1.3 Các phương pháp điều khiển biên ống dẫn dầu 17
1.3.1 Các phương pháp điều khiển kinh điển 17
1.3.2 Các phương pháp điều khiển hiện đại 18
1.3.2.1 Phương pháp điều khiển theo mô hình 18
1.3.2.2 Phương pháp điều khiển biên 19
v
1.3.3 Các nghiên cứu khoa học trong lĩnh vực khai thác dầu khí ở Việt Nam 21
1.4 Bài toán nghiên cứu điều khiển ống dẫn dầu khí của luận án 23
1.5 Kết luận chương 1 25
CHƯƠNG 2:ĐIỀU KHIỂN BÙ CHUYỂN ĐỘNG DỌC TRỤC CỦA ỐNG
DẪN DẦU TRONG LÒNG BIỂN 26
2.1 Các phương pháp điều khiển đã có 27
2.1.1 Bù thụ động 27
2.1.2 Bù chủ động 28
2.1.2.1 Nguyên lý chung 29
2.1.2.2 Một số phương pháp hiện đang sử dụng 30
2.2 Đề xuất hai phương pháp điều khiển bù chủ động 32
2.2.1 Chuẩn hóa mô hình và nhiệm vụ điều khiển 33
2.2.2 Đề xuất thứ nhất: Bộ điều khiển backstepping giả định rõ 37
2.2.2.1 Thiết kế bộ điều khiển phản hồi trạng thái 38
2.2.2.2 Xây dựng bộ quan sát nhiễu 41
2.2.2.3 Bộ điều khiển backstepping giả định rõ 44
2.2.2.4 Tính ổn định của hệ kín 44
2.2.2.5 Xác định các tham số bộ điều khiển để hệ thỏa mãn thêm các điều
kiện ràng buộc 46
2.2.3 Đề xuất thứ hai: Bộ điều khiển tối ưu thích nghi 48
2.2.3.1 Bộ điều khiển tối ưu tiền định 49
2.2.3.2 Xây dựng khâu ước lượng các thành phần nhiễu 51
2.2.3.3 Hệ thống điều khiển tối ưu thích nghi 52
2.2.3.4 Tính ổn định của hệ kín 53
2.2.3.5 Khả năng thỏa mãn thêm các điều kiện ràng buộc 54
2.2.4 Đánh giá chất lượng hai bộ điều khiển đã đề xuất thông qua mô phỏng 56
2.2.4.1 So sánh và đánh giá chất lượng ước lượng thích nghi thành phần nhiễu
của hai bộ điều khiển 57
2.2.4.2 So sánh và đánh giá chất lượng điều khiển bám có ràng buộc của hai
bộ điều khiển 59
2.3 Kết luận 60
vi
CHƯƠNG 3:ĐIỀU KHIỂN BÙ CHUYỂN ĐỘNG HAI CHIỀU DỌC VÀ
NGANG TRỤC CỦA ỐNG DẪN DẦU TRONG LÒNG BIỂN 60
3.1 Mô hình mô tả dạng uốn cong của đường ống dẫn dầu 64
3.1.1 Nguyên lý Hamilton mở rộng 65
3.1.2 Phương trình mô tả độ cong đường ống dẫn dầu trong lòng đại dương dưới
tác động của ngoại lực 66
3.1.2.1 Mô hình hóa độ cong của đường ống dẫn dầu theo một chiều 67
3.1.2.2 Mô hình hóa độ cong đường ống theo cả hai chiều trong không gian 72
3.2 Thiết kế bộ điều khiển 77
3.2.1 Bộ điều khiển theo một phương ngang 77
3.2.1.1 Thiết kế bộ điều khiển 78
3.2.1.2 Đánh giá chất lượng ổn định của hệ kín 82
3.2.1.3 Chứng minh tồn tại và duy nhất của nghiệm hệ thống vòng kín 86
3.2.2 Bộ điều khiển theo cả hai phương dọc và ngang trục trong không gian 86
3.2.2.1 Thiết kế bộ điều khiển 87
3.2.2.2 Đánh giá chất lượng ổn định của hệ kín 92
3.2.2.3 Chứng minh tồn tại và duy nhất của nghiệm hệ thống vòng kín 99
3.3 Kiểm chứng chất lượng bộ điều khiển thông qua mô phỏng 99
3.3.1 Kiểm chứng chất lượng bộ điều khiển theo một phương ngang 99
3.3.2 Kiểm chứng chất lượng bộ điều khiển theo cả hai phương dọc và ngang
trục trong không gian 107
3.4 Kết luận 117
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 118
Những vấn đề đã được giải quyết 119
Những vấn đề còn tồn tại và kiến nghị 120
CÁC CÔNG TRÌNH KHOA HỌC ĐÃ CÔNG BỐ 121
TÀI LIỆU THAM KHẢO 122
PHỤ LỤC 126
vii
Các ký hiệu được sử dụng
Ký hiệu Ý nghĩa
mH
Khối lượng của cán xi-lanh của hệ thủy lực
H
x
Độ dịch chuyển của cán xi-lanh (pít-tông) của hệ thủy lực
Hv x
Độ dịch chuyển của van trượt
H
A
Diện tích bề mặt của pít-tông
H
P
Áp suất tải của xi-lanh
H
b
Hệ số ma sát nhớt lên pít-tông
H
i
Dòng điện đầu vào điều khiển của hệ thủy lực.
D (t x z x z , , , , H H )
Lực tác dụng lên cán xi-lanh từ ống dẫn dầu (nhiễu tác động lên
hệ)
He b
Mô-đun đàn hồi tác dụng
L
Khoảng cách từ đầu trên của ống dẫn dầu xuống tới đáy biển
zt()
Chuyển động dọc trục của tàu/giàn khoan nổi
M
Khối lượng của cơ cấu chấp hành
D , B
Các hệ số liên quan đến vị trí và vận tốc của cơ cấu chấp hành
a
Biến điều khiển ảo
1e
x ,
2e
x , … Các sai lệch vị trí
w
Tốc độ chuyển động lên xuống của tàu khai thác
V
Hàm Lyapunov
J
Hàm mục tiêu
H
Hàm Hamilton
( 1 2 , )
T
p p p =
Biến đồng trạng thái của hệ
v
Tín hiệu điều khiển tối ưu
T
Động năng
P
Thế năng
U
Năng lượng tạo ra từ sự biến dạng vật chất phía bên trong
W
Năng lượng chịu tải của vật chất dưới tác động của các ngoại
lực
dW
Biến thiên năng lượng chịu tải của vật chất
W
c
Công ảo gây ra do các lực không bảo toàn
Wb
Sự chuyển mô-men ảo tại biên
viii
A
Diện tích mặt cắt ngang của ống dẫn dầu
E
Hệ số đàn hồi Young
I
Mô-men quán tính của mặt cắt ngang ống dẫn dầu
0
P
Lực hướng trục không đổi
1 2 c d d , ,
Hệ số cản nhớt
w
r
Khối lượng riêng của nước
D C
Hệ số vận tốc dịch chuyển ngang
D
Đường kính của ống dẫn dầu
u( , ) z t
Căn bậc hai của tốc độ hạt nước
a( , ) z t
Gia tốc của hạt nước
,
x z f f
Các thành phần ngoại lực tác động lên ống dẫn dầu theo
phương dọc và ngang trục
x z , u z t ( , )
Véc tơ mô tả sự biến dạng của đường ống dẫn dầu trong không
gian hai chiều
x z , ( , ) x
u z t
Mô hình độ cong đường ống dẫn dầu theo phương ngang trục
x
bởi thành phần ngoại lực
x
f .
( , ) z
u z t
Mô hình độ cong đường ống dẫn dầu theo phương dọc trục
z
bởi thành phần ngoại lực
z
f .
D
Thành phần nhiễu bất định
D
ˆ
Khâu ước lượng nhiễu
D
e
Sai lệch ước lượng nhiễu
ix
Các ký hiệu viết tắt
Viết tắt Ý nghĩa
AHC Bộ bù chủ động Active Heave Compensator
PHC Bộ bù thụ động Passive Heave Compensator
BOP Bộ phận bít an toàn Blowout Preventer
DP Định vị động Dynamic Positioning
ISS Trạng thái ổn định ISS Input-to-State Stability
x
Bảng danh mục các hình vẽ
Hình 1.1: Mô hình hệ thống ống dẫn và tàu khai thác dầu trên biển............................... 8
Hình 1.2: Hệ thống tàu khai thác dầu trên biển............................................................. 10
Hình 1.3: Hệ thống ống dẫn điển hình .......................................................................... 12
Hình 1.4: Sơ đồ minh họa cấu trúc của hệ thống van và pít-tông thủy lực. .................. 12
Hình 1.5: Sơ đồ áp suất đỉnh ống dẫn dầu với thùng chứa nổi [12].............................. 15
Hình 1.6: Hệ thống ống dẫn biển và các thiết bị liên quan [12].................................... 16
Hình 2.1: Nhiệm vụ điều khiển ổn định dọc trục ống dẫn dầu...................................... 26
Hình 2.2: Cấu trúc của hệ thống điều khiển PHC. ........................................................ 28
Hình 2.3: Mô hình hệ thống bù AHC............................................................................ 29
Hình 2.4: Hành trình xi-lanh trong bộ AHC.................................................................. 30
Hình 2.5: Sơ đồ minh họa của hệ thống AHC............................................................... 31
Hình 2.6: Hệ quy chiếu và các lực tác dụng lên ống dẫn theo phương dọc trục. .......... 33
Hình 2.7: Tốc độ chuyển động lên xuống của tàu khai thác ........................................ 40
Hình 2.8: Tín hiệu nhiễu
D .......................................................................................... 41
Hình 2.9: Khoảng cách được duy trì
x z t L + - ( ) .................................................... 41
Hình 2.10: Sơ đồ cấu trúc điều khiển bù chuyển động dọc trục.................................... 44
Hình 2.11: Nguyên lý bù thích nghi ở tín hiệu đầu vào ................................................ 49
Hình 2.12: Sơ đồ khối của bộ điều khiển tối ưu............................................................ 51
Hình 2.13: Sơ đồ khối của khâu ước lượng nhiễu......................................................... 52
Hình 2.14: Hệ thống điều khiển tối ưu thích nghi......................................................... 52
Hình 2.15: Hệ thống điều khiển tối ưu thích nghi khi có ràng buộc về độ lớn của tín
hiệu điều khiển .......................................................................................... 56
Hình 2.16: Giá trị thực
w
và giá trị ước lượng
w
ˆ
(sử dụng bộ quan sát) .................... 57
Hình 2.17: Giá trị thực
D
và giá trị ước lượng
D
ˆ
(sử dụng bộ quan sát)................... 57
Hình 2.18: Giá trị thực
D
và giá trị ước lượng
D
ˆ
....................................................... 58
Hình 2.19: Khoảng cách được duy trì
x z t L + - ( )
khi sử dụng phương pháp điều
khiển cuốn chiếu ....................................................................................... 59
xi
Hình 2.20: Khoảng cách được duy trì
x z t L + - ( )
khi sử dụng phương pháp tối ưu
thích nghi................................................................................................... 59
Hình 3.1: Nhiệm vụ điều khiển bù dao động theo phương ngang và dọc trục ............. 61
Hình 3.2: Mô hình hóa độ cong của đường ống dẫn dầu theo phương
x . ................... 68
Hình 3.3: Ý nghĩa hai phương trình (3.18), (3.17) đối với việc thiết kế điều khiển ..... 71
Hình 3.4: Nhiệm vụ của bài toán mô hình hóa độ cong của đường ống trong không gian
hai chiều .................................................................................................... 72
Hình 3.5: Giải nghĩa quan hệ (3.28), (3.29) và ý nghĩa của chúng đối với việc thiết kế
bộ điều khiển trong không gian hai chiều
x z , . ...................................... 76
Hình 3.6: Cấu trúc hệ điều khiển vòng kín theo một phương ngang
x . ...................... 82
Hình 3.7: Cấu trúc hệ điều khiển vòng kín theo cả hai phương dọc và ngang trục ...... 91
Hình 3.8: Biên độ dịch chuyển theo phương ngang trục
x
của ống dẫn dầu khi chưa có
bộ điều khiển . ......................................................................................... 101
Hình 3.9: Biên độ dịch chuyển theo phương ngang trục
x
của ống dẫn dầu khicó bộ
điều khiển . .............................................................................................. 102
Hình 3.10: Vận tốc dịch chuyển theo phương ngang trục
x
của ống dẫn dầu........... 103
Hình 3.11: Góc lệch phía dưới của ống dẫn dầu. ........................................................ 104
Hình 3.12: Kết quả mô phỏng lực điều khiển ............................................................. 105
Hình 3.13: Biên độ dịch chuyển theo phương ngang trục
x
của ống dẫn dầu........... 109
Hình 3.14: Biên độ dịch chuyển theo phương ngang trục
x
của ống dẫn dầu khi có bộ
điều khiển ................................................................................................ 110
Hình 3.15: Biên độ dịch chuyển theo phương dọc trục
z
của ống dẫn dầu. .............. 111
Hình 3.16: Biên độ dịch chuyển theo phương dọc trục
z
của ống dẫn dầu khi có bộ
điều khiển . .............................................................................................. 112
Hình 3.17: Vận tốc dịch chuyển theo phương dọc và ngang trục
x z , ...................... 113
Hình 3.18: Góc lệch phía dưới của ống dẫn dầu theo cả hai phương dọc và ngang trục.
................................................................................................................. 114
Hình 3.19: Kết quả mô phỏng lực điều khiển theo phương ngang trục
x .................. 115
Hình 3.20: Kết quả mô phỏng lực điều khiển theo phương ngang trục
z ................. 115
1
PHẦN MỞ ĐẦU
Ống dẫn dầu trên biển là phương tiện để vận chuyển chất lỏng hoặc khí giữa tàu
khai thác dầu nổi trên biển (hay giàn khoan, sau đây được gọi là tàu khai thác dầu) và
miệng giếng dầu tại đáy biển. Các ống dẫn dầu dùng trong khai thác dầu biển xa bờ
phải có khả năng làm việc chống chọi lại các điều kiện khắc nghiệt dưới tác động của
lực căng lớn, rung động, lực uốn và các tác động do nhiễu môi trường (sóng, gió,
dòng hải lưu) và hoạt động tại các vùng nước sâu. Thêm vào đó, do cấu tạo linh hoạt
và tỷ số giữa chiều dài và đường kính lớn nên các đường ống dẫn dầu cũng là đối
tượng của những dao động do luồng xoáy gây ra do các dòng hải lưu, dẫn đến việc
ổn định, chống lại những rung động, áp lực và lực uốn để ổn định cho ống dẫn dầu là
rất khó khăn.
Trong những năm gần đây, đã có nhiều nhà khoa học với nhiều công trình được
công bố tập trung vào việc mô hình hóa và thiết kế bộ điều khiển nhằm đảm bảo ổn
định cho hệ thống ống dẫn dầu trên biển. Đặc điểm của hệ thống tham số rải với
phương trình chuyển động được mô tả bởi các phương trình vi phân dạo hàm riêng
và phương trình vi phân thường của ống dẫn dầu đặt ra những thách thức về mặt điều
khiển. Với mục tiêu ổn định cho ống dẫn dầu, do vậy khi thiết kế điều khiển ta xét hệ
thống ống dẫn có cấu trúc dạng thanh (mềm) và ống dẫn chịu các điều kiện làm việc,
luận án thực hiện việc mô hình hóa toàn bộ hệ thống, từ đó đặt tiền đề cho việc thiết
kế bộ điều khiển để đảm bảo tính ổn định hệ thống. Do hệ thống ống dẫn trải dài trong
không gian và làm việc dưới mặt nước biển nên bộ điều khiển phải được thiết kế tại
biên trên của ông dẫn để đảm bảo tính khả thi của phương pháp đề xuất.
1. Tính cấp thiết, mục đích và nhiệm vụ của đề tài
Dầu mỏ và khí là nguồn tài nguyên vô cùng quý giá của mỗi Quốc gia, nó có
tầm quan trọng và vai trò hết sức đặc biệt và có ảnh hưởng lớn đến nền kinh tế, chính
trị của mỗi quốc gia. Do việc khai thác dầu khí trên biển ngày càng được đẩy mạnh,
các mỏ dầu lớn gần bờ ngày càng cạn kiệt. Vì vậy, để đảm bảo trữ lượng khai thác
thì việc khoan dò ngày càng được tiến hành ở các vùng biển xa bờ, có độ sâu ngày
2
càng lớn hơn. Trên thế giới đã có những nơi đang khai thác dầu khí ở vùng biển có
độ sâu trên dưới 3000 mét. Hệ thống ống dẫn dầu khí từ các giếng khoan ở dưới đáy
biển lên các dàn hoặc các tàu khai thác dầu khí trên mặt biển đóng vai trò quan trọng
trong việc duy trì sự liên tục trong hoạt động khai thác dầu khí. Do các ống dẫn dầu
khí có độ dài lớn (đến vài nghìn mét) và đường kính khá nhỏ (nhỏ hơn 0.25 mét), nên
các ống dẫn này chính là đối tượng chịu rung động lớn dưới tác dụng của sóng, gió,
và dòng chảy biển. Nếu rung động của các ống dẫn dầu quá lớn, các ống này sẽ bị hư
hỏng như đứt, nứt và vỡ. Điều này dẫn tới việc khai thác dầu khí sẽ bị dừng lại gây
tổn thất về kinh tế và môi trường sẽ bị ô nhiễm. Vì vậy, việc hạn chế dao động và ổn
định cho hệ thống ống dẫn dầu để tránh bị phá hỏng là việc làm cần thiết. Tuy nhiên,
việc lắp đặt các thiết bị tạo mô men và lực điều khiển ở phần thân ống dẫn giữa đáy
biển và mặt biển là khó khăn và không kinh tế.
Việc ổn định dao động cho cơ cấu thanh mảnh có ý nghĩa rất lớn đối với các
công trình khai thác dầu biển ngoài khơi. Các giải pháp để tăng độ tin cậy và hiệu quả
hoạt động trong quá trình khoan dò trên biển, giảm các điều kiện bất lợi do môi trường
biển gây ra là chủ đề nghiên cứu đầy thách thức đối với ngành công nghiệp khai thác
dầu khí xa bờ. Bởi vậy, việc nghiên cứu thiết kế các hệ thống điều khiển biên lắp đặt
tại tàu khai thác và giảm dao động cho ống dẫn dầu là cấp thiết.
Hơn nữa, kết quả nghiên cứu của đề tài cũng đặt ra tiền đề cho việc xử lý dao
động trong công nghiệp có liên quan đến hệ thống mềm. Một số ví dụ tiêu biểu của
các hệ thống có thể được kể đến như sau: các hệ thống nâng hạ trong công nghiệp,
chuyển động của băng giấy trong công nghiệp giấy, chuyển động của tấm thép trong
cán thép, các cơ cấu tay máy mềm.
2. Mục tiêu của luận án
Thiết lập phương trình chuyển động theo phương dọc trục của giới hạn trên ống
dẫn dầu và đề xuất phương án điều khiển.
Nghiên cứu động lực học của cơ hệ mềm tạo nền tảng cho việc thiết kế các bộ
điều khiển dập dao động.
3
Nghiên cứu thiết kế các bộ điều khiển có phản hồi nhằm giảm thiểu dao động
ngang trục và các ứng suất uốn trên ống dẫn dầu, kết hợp sử dụng bộ quan sát
nhiễu để quan sát trạng thái và đánh giá, ước lượng lực tác động lên cơ cấu chấp
hành cũng như các thành phần nhiễu tác động lên hệ thống, tránh cho ống dẫn
dầu bị biến dạng hoặc đảm bảo biến dạng là nhỏ. Đồng thời đảm bảo các góc bề
mặt và góc đáy cũng như sức căng trên ống dẫn dầu nằm trong phạm vi an toàn.
Nghiên cứu thiết kế bộ điều khiển có phản hồi nhằm giảm thiểu dao động và các
tác động xen kênh ngang và dọc trục trên ống dẫn dầu, kết hợp sử dụng bộ quan
sát nhiễu nhằm mục đích giảm dao động cho ống dẫn dầu.
3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
Các hệ thống có dạng mảnh và đàn hồi.
Xây dựng mô hình toán học mô tả bản chất vật lý của hệ thống ống dẫn dầu
(dùng trong công nghiệp khai thác dầu trên biển) khi chịu tác động bởi nhiễu
môi trường.
Thiết kế các bộ điều khiển biên để ổn định dao động cho hệ thống ống dẫn dầu
khí trên biển (để vận chuyển dầu từ đáy biển lên tàu/giàn khoan nổi trên biển)
tại vị trí cân bằng. Đồng thời, trong quá trình thiết kế các bộ điều khiển biên có
xem xét và kể đến các tác động của nhiễu môi trường. Kiểm chứng bằng các mô
phỏng để thấy rõ tính hiệu quả của bộ điều khiển biên được đề xuất.
4. Phương pháp nghiên cứu
Để thực hiện được nhiệm vụ nghiên cứu và đạt được mục tiêu nghiên cứu đã
đặt ra, luận án sử dụng các phương pháp nghiên cứu sau:
4.1 Nghiên cứu lý thuyết
Nghiên cứu lý thuyết điều khiển phi tuyến, động lực học phi của hệ thống ống
dẫn. Chỉ ra mục tiêu điều khiển cũng như các tác động xen kênh trong hệ thống.
Phân tích các dạng năng lượng của hệ thống ống dẫn dầu và phương thức tìm ra
phương trình chuyển động dựa trên nguyên lý Hamilton mở rộng.
4
Xây dựng các mô hình toán học: đưa ra các khái niệm cơ bản về động lực học
và động lực học của hệ thống ống dẫn. Đưa ra dạng mô hình đồng thời đề xuất
phương pháp thiết kế các bộ điều khiển và mô phỏng hệ kín.
Thực hiện mô tả toán học chuyển động của ống dẫn dầu dưới tác động của nhiễu
môi trường.
4.2 Phương pháp thiết kế bộ điều khiển
Đối với những chuyển dịch lớn của ống dẫn dầu, điều khiển biên tại đầu trên
của ống dẫn dầu sẽ được thiết kế để tối thiểu hóa các ứng suất uốn (tĩnh) của ống và
đảm bảo cả hai góc đỉnh và đáy, và sức căng của ống dẫn nằm trong phạm vi an toàn.
Các luật điều khiển biên này sẽ là hàm của độ dịch chuyển, tốc độ và độ lệch phía
đầu trên của ống dẫn. Các ứng suất uốn tĩnh, các góc đỉnh và đáy, sức căng của ống
dẫn sẽ được mã hóa với các trọng số khác nhau trong hàm mục tiêu. Ví dụ, góc đáy
có thể sẽ được ưu tiên hơn góc đỉnh. Các luật điều khiển biên cho ống dẫn dầu sẽ
được thiết kế nhằm tối thiểu hóa hàm mục tiêu, đây là hàm có thể được xem như là
hàm năng lượng hoặc hàm Lyapunov ứng với ống dẫn dầu. Hệ quả trực tiếp của quá
trình điều khiển là đưa ống dẫn về vị trí cân bằng (thẳng đứng) khi không có tác động
của nhiễu môi trường hoặc về lân cận của vị trí cân bằng khi xuất hiện nhiễu. Các
luật điều khiển biên sau đó được mang ra sử dụng như vòng điều khiển trong cùng để
thiết kế các tín hiệu điều khiển cho hệ thống định vị động dựa trên phương pháp cuốn
chiếu hoặc các phương pháp thiết kế điều khiển khác cho các hệ thống nối tầng. Khác
với các phương pháp điều khiển kinh điển với yêu cầu phân bố cảm biến và cơ cấu
chấp hành dọc theo ống dẫn, vị trí đặt các thiết bị này nằm ở biên trên của ống dẫn
dầu. Điều này đem lại những lợi ích về mặt kinh tế cũng như kỹ thuật rõ rệt của luật
điều khiển biên đề xuất. Trong thực tế, những chuyển động ở đầu trên của ống dẫn
đối với hệ tọa độ trái đất-cố định hoặc hệ tọa độ mặt biển-cố định bị ảnh hưởng trực
tiếp bởi chuyển động của thân tàu. Phương pháp này khác với luật thiết kế điều khiển
cổ điển cho hệ thống định vị động khi các tín hiệu nhiễu tác động lên hệ thống tàu
khai thác và cơ cấu chấp hành sẽ được ước lượng và xử lý trong quá trình thiết kế
điều khiển thông qua bộ quan sát nhiễu.