基于模糊PID的海洋立管疲劳试验装置控制系统设计
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Ｋ ｅｙｗｏｒｄｓ： ｒｉｓｅｒ；ｆａｔｉｇｕｅ ｔｅｓｔｉｎｇ ｍ ａｃｈｉｎｅ； ｒｅｓｏｎａｎｔ ｂｅｎｄｉｎｇ； ｇｏｌｄｅｎ ｓｅｃｔｉｏｎ； ｆｕｚｚｙ ｃｏｎｔｒｏｌ； ＰＬＣ
０ 引 言
１ 共 振 弯 曲疲 劳 试 验 原 理
立 管 是 海 洋 油 气 开 发 的关 键 装 备 ，在 运 行 期 问 ，会 因 波 浪 、海 流 等 因 素 的 作 用 ，在 立 管 两 侧 形 成 脱 离 频 率 与 立 管 固有 频 率 相 同 的 漩 涡 ［１］，引 起 立 管 的 强 烈 震 动 ，使 得 立 管 面 临疲 劳 失 效 的 风 险 。
计 算 机 测 量 与 控 制 ．２０１ ６．２４（１）
Ｃｏｍ ｐｕｔｅｒ Ｍ ｅａｓｕｒｅｍ ｅｎｔ ＆ Ｃｏｎｔｒｏｌ
· １１９ ·
文 章 编 号 ：１６７１—４５９８（２０１６）Ｏ１一Ｏ１１９—０３ ＤＯＩ：１０．１６５２６／ｊ．ｃｎｋｉ．１１— ４７６２／ｔｐ．２０１６．０１．０３３ 中 图分 类 号 ：ＴＰ２７３＋．４ 文 献 标 识 码 ：Ａ
为 了 精 确 地 预 报 和 提 高 立 管 疲 劳 寿 命 ，需 要 对 立 管 进 行 疲 劳试 验 ｌ２］。 目前 ， 国 内外 立 管 结 构 疲 劳试 验 方 法 主 要 包 括 四 点 弯 曲 疲 劳 试 验 法 、旋 转 弯 曲 疲 劳 试 验 法 和 共 振 弯 曲 疲 劳 试 验 法 。本 文 选 用 的共 振 弯 陆疲 劳试 验 法 优 点 在 于 试 验 频 率 高 ，可 大大 减 少 试 验 时 间 ，在 试 验 时 只需 控 制 立 管 试 件 在 其 固有 频 率 振 动 。鉴 于 此 ，本 文 以 西 门子 Ｓ７— ３００ＰＬＣ 为 核 心 控 制 器 ｊ， 变 频 器 和 异 步 电机 为执 行 机 构 建 立疲 劳 试 验 平 台 ，首 先 采 用 黄 金 分 割 法 搜 寻 立 管 共 振 频 率 ， 然 后 利 用 参 数 自调 节 模 糊 ＰＩＤ 控 制 算 法 ，实 现 对 电机 转 速 的精 确 控 制 ，完 成 对 试 验 机 控 制 系 统 的 高 效 、精 确 控 制 。
关键 词 ： 立 管 ；疲 劳试 验 装 置 ；共 振 弯 曲 ｛黄 金 分 割 法 ；模 糊 控 制 ；ＰＬＣ
Ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ Ｍ ａｒｉｎｅ Ｒｉｓｅｒ Ｆａｔｉｇｕｅ Ｔｅｓｔｉｎｇ Ｍ ａｃｈｉｎｅ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｓｙｓｔｅｍ Ｂａｓｅｄ ｏｎ Ｆｕｚｚｙ ＰＩＤ
Ｆｅｎｇ Ｘｉｎ， Ｈ ｅ Ｘ ｉｎｘｉａ （Ｃｏｌｌｅｇｅ ｏｆ Ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ ａｎｄ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｃｈｉｎａ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｐｅｔｒｏｌｅｕｍ （Ｅａｓｔ Ｃｈｉｎａ），
Ｑｉｎｇｄａｏ ２６６５８０，Ｃｈｉｎａ）
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｄｕｒｉｎｇ ｏｐｅｒａｔｉｏｎ ｍａｒｉｎｅ ｒｉｓｅｒ ｉｓ ｓｕｓｃｅｐｔｉｂｌｅ ｔｏ ｆａｔｉｇｕｅ ｆａｉｌｕｒｅ，ｓｏ ｒｉｓｅｒ ｆａｔｉｇｕｅ ｔｅｓｔｓ ｓｈｏｕｌｄ ｂｅ ｃａｒｒｉｅｄ ｏｕｔ． Ｔｈｅ ｄｅｓｉｇｎ ｃｏｎｃｅｐｔ ｏｆ ｒｅａｌｉｚｉｎｇ ｍａｒｉｎｅ ｒｉｓｅｒ ｒｅｓｏｎａｎｔ ｂｅｎｄｉｎｇ ｆａｔｉｇｕｅ ｔｅｓｔｉｎｇ ｍａｃｈｉｎｅ ｃｏｎｔｒｏｌ ｓｙｓｔｅｍ ｂｙ ｕｓｉｎｇ Ｓ７— ３００ ａｒｅ ｆｕｌｌｙ ｄｅｓｃｒｉｂｅｄ．Ｇｏｌｄｅｎ ｓｅｃｔｉｏｎ ｍ ｅｔｈｏｄ ｉｓ ｕｓｅｄ ｔｏ ｆｉｎｄ ｔｈｅ ｒｅｓｏｎａｎｃｅ ｆｒｅｑｕｅｎｃｉｅｓ ｏｆ ｔｈｅ ｓｐｅｃｉｍ ｅｎ． Ｍ ｅａｎｗｈｉｌｅ，ｉｎ ｏｒｄｅｒ ｔｏ ｍａｋｅ ｔｈｅ ｓｙｓｔｅｍ ｒｕｎｎｉｎｇ ａｔ ｒｅｓｏｎａｎｔ ｆｒｅｑｕｅｎｃｉｅｓ，ｔｈｅ Ｓ７— ３００ ＰＬＣ ｉｓ ｔａｋｅｎ ａｓ ｔｈｅ ｃｏｒｅ ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ ａｎｄ ｃｏｍｂｉｎｅｄ ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ ｓｅ１ｆ— ａｄｊｕｓｔｉｎｇ ｆｕｚｚｙ ＰＩＤ ａｌｇｏｒｉｔｈｍ ｔｏ ｄｅｓｉｇｎ Ｆｕｚｚｙ ＰＩＤ ｃｏｎｔｒｏｌ— ｌｅｒ． Ｉｔ ｉｓ ｎｏｔ ｏｎｌｙ ｏｗｎ ｔｈｅ ｃｏｎｔｒｏｌ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ ｏｆ ｆｌｅｘｉｂｌｅ ａｎｄ ｒｅｌｉａｂｌｅ ｏｆ ＰＬＣ，ｂｕｔ ａｌｓｏ ｇｒｅａｔｌｙ ｉｍｐｒｏｖｅｄ ｔｈｅ ａｕｔｏｍａｔｉｏｎ ｌｅｖｅｌ ｏｆ ｔｈｅ ｍａｒｉｎｅ ｒｉｓｅｒ ｔｅｓｔｉｎｇ ｍ ａｃｈｉｎｅ ｃｏｎｔｒｏｌ ｓｙｓｔｅｍ ．
基 于 模糊 ＰＩＤ 的海 洋 立 管疲 劳 试 验 装 置 控 制 系统 设计
冯 鑫 ，何新 程 学 院 ，山东 青 岛 ２６６５８０）
摘要 ：海洋立管作 为海洋油气开发的关键 设备 ，在运 行期间面Ｉ临疲 劳失效 的风 险，需要对立管进行 疲劳试验 ；针对 海洋立管共振弯 曲疲 劳试 验 法 ，提 出基 于 ｓ７—３００ ＰＬＣ实 现 海 洋 立 管 共 振 弯 曲疲 劳 试 验 装 置 控 制 系 统 的设 计 思想 ；采用 黄 金 分 割 法 ， 寻 找 确 定 试 件 共 振 频 率 点 ；同 时 ，为 保 障 系 统 能 够 在 该 共 振 频 率 点 稳 定 运 行 ，采用 ｓ７— ３００ ＰＬＣ作 为 核 心 控 制 器 ，结 合 参 数 自调 节模 糊 ＰＩＤ 控 制 算 法 ，设 计 完 成疲 劳 试验 装 置 中 转 速模 糊 ＰＩＤ 控 制器 ，实 现 对 系统 转 速 的精 确 控 制 ，使 得 海 洋 立 管 疲 劳 试 验 装 置 控 制 系 统 在 具 有 ＰＬＣ 控 制 灵 活 、 可 靠 性 高 等 特点 的 同 时 ， 大 大提 高 了其 自动化 程度 。
０ 引 言
１ 共 振 弯 曲疲 劳 试 验 原 理
立 管 是 海 洋 油 气 开 发 的关 键 装 备 ，在 运 行 期 问 ，会 因 波 浪 、海 流 等 因 素 的 作 用 ，在 立 管 两 侧 形 成 脱 离 频 率 与 立 管 固有 频 率 相 同 的 漩 涡 ［１］，引 起 立 管 的 强 烈 震 动 ，使 得 立 管 面 临疲 劳 失 效 的 风 险 。
计 算 机 测 量 与 控 制 ．２０１ ６．２４（１）
Ｃｏｍ ｐｕｔｅｒ Ｍ ｅａｓｕｒｅｍ ｅｎｔ ＆ Ｃｏｎｔｒｏｌ
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文 章 编 号 ：１６７１—４５９８（２０１６）Ｏ１一Ｏ１１９—０３ ＤＯＩ：１０．１６５２６／ｊ．ｃｎｋｉ．１１— ４７６２／ｔｐ．２０１６．０１．０３３ 中 图分 类 号 ：ＴＰ２７３＋．４ 文 献 标 识 码 ：Ａ
为 了 精 确 地 预 报 和 提 高 立 管 疲 劳 寿 命 ，需 要 对 立 管 进 行 疲 劳试 验 ｌ２］。 目前 ， 国 内外 立 管 结 构 疲 劳试 验 方 法 主 要 包 括 四 点 弯 曲 疲 劳 试 验 法 、旋 转 弯 曲 疲 劳 试 验 法 和 共 振 弯 曲 疲 劳 试 验 法 。本 文 选 用 的共 振 弯 陆疲 劳试 验 法 优 点 在 于 试 验 频 率 高 ，可 大大 减 少 试 验 时 间 ，在 试 验 时 只需 控 制 立 管 试 件 在 其 固有 频 率 振 动 。鉴 于 此 ，本 文 以 西 门子 Ｓ７— ３００ＰＬＣ 为 核 心 控 制 器 ｊ， 变 频 器 和 异 步 电机 为执 行 机 构 建 立疲 劳 试 验 平 台 ，首 先 采 用 黄 金 分 割 法 搜 寻 立 管 共 振 频 率 ， 然 后 利 用 参 数 自调 节 模 糊 ＰＩＤ 控 制 算 法 ，实 现 对 电机 转 速 的精 确 控 制 ，完 成 对 试 验 机 控 制 系 统 的 高 效 、精 确 控 制 。
关键 词 ： 立 管 ；疲 劳试 验 装 置 ；共 振 弯 曲 ｛黄 金 分 割 法 ；模 糊 控 制 ；ＰＬＣ
Ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ Ｍ ａｒｉｎｅ Ｒｉｓｅｒ Ｆａｔｉｇｕｅ Ｔｅｓｔｉｎｇ Ｍ ａｃｈｉｎｅ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｓｙｓｔｅｍ Ｂａｓｅｄ ｏｎ Ｆｕｚｚｙ ＰＩＤ
Ｆｅｎｇ Ｘｉｎ， Ｈ ｅ Ｘ ｉｎｘｉａ （Ｃｏｌｌｅｇｅ ｏｆ Ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ ａｎｄ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｃｈｉｎａ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｐｅｔｒｏｌｅｕｍ （Ｅａｓｔ Ｃｈｉｎａ），
Ｑｉｎｇｄａｏ ２６６５８０，Ｃｈｉｎａ）
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｄｕｒｉｎｇ ｏｐｅｒａｔｉｏｎ ｍａｒｉｎｅ ｒｉｓｅｒ ｉｓ ｓｕｓｃｅｐｔｉｂｌｅ ｔｏ ｆａｔｉｇｕｅ ｆａｉｌｕｒｅ，ｓｏ ｒｉｓｅｒ ｆａｔｉｇｕｅ ｔｅｓｔｓ ｓｈｏｕｌｄ ｂｅ ｃａｒｒｉｅｄ ｏｕｔ． Ｔｈｅ ｄｅｓｉｇｎ ｃｏｎｃｅｐｔ ｏｆ ｒｅａｌｉｚｉｎｇ ｍａｒｉｎｅ ｒｉｓｅｒ ｒｅｓｏｎａｎｔ ｂｅｎｄｉｎｇ ｆａｔｉｇｕｅ ｔｅｓｔｉｎｇ ｍａｃｈｉｎｅ ｃｏｎｔｒｏｌ ｓｙｓｔｅｍ ｂｙ ｕｓｉｎｇ Ｓ７— ３００ ａｒｅ ｆｕｌｌｙ ｄｅｓｃｒｉｂｅｄ．Ｇｏｌｄｅｎ ｓｅｃｔｉｏｎ ｍ ｅｔｈｏｄ ｉｓ ｕｓｅｄ ｔｏ ｆｉｎｄ ｔｈｅ ｒｅｓｏｎａｎｃｅ ｆｒｅｑｕｅｎｃｉｅｓ ｏｆ ｔｈｅ ｓｐｅｃｉｍ ｅｎ． Ｍ ｅａｎｗｈｉｌｅ，ｉｎ ｏｒｄｅｒ ｔｏ ｍａｋｅ ｔｈｅ ｓｙｓｔｅｍ ｒｕｎｎｉｎｇ ａｔ ｒｅｓｏｎａｎｔ ｆｒｅｑｕｅｎｃｉｅｓ，ｔｈｅ Ｓ７— ３００ ＰＬＣ ｉｓ ｔａｋｅｎ ａｓ ｔｈｅ ｃｏｒｅ ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ ａｎｄ ｃｏｍｂｉｎｅｄ ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ ｓｅ１ｆ— ａｄｊｕｓｔｉｎｇ ｆｕｚｚｙ ＰＩＤ ａｌｇｏｒｉｔｈｍ ｔｏ ｄｅｓｉｇｎ Ｆｕｚｚｙ ＰＩＤ ｃｏｎｔｒｏｌ— ｌｅｒ． Ｉｔ ｉｓ ｎｏｔ ｏｎｌｙ ｏｗｎ ｔｈｅ ｃｏｎｔｒｏｌ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ ｏｆ ｆｌｅｘｉｂｌｅ ａｎｄ ｒｅｌｉａｂｌｅ ｏｆ ＰＬＣ，ｂｕｔ ａｌｓｏ ｇｒｅａｔｌｙ ｉｍｐｒｏｖｅｄ ｔｈｅ ａｕｔｏｍａｔｉｏｎ ｌｅｖｅｌ ｏｆ ｔｈｅ ｍａｒｉｎｅ ｒｉｓｅｒ ｔｅｓｔｉｎｇ ｍ ａｃｈｉｎｅ ｃｏｎｔｒｏｌ ｓｙｓｔｅｍ ．
基 于 模糊 ＰＩＤ 的海 洋 立 管疲 劳 试 验 装 置 控 制 系统 设计
冯 鑫 ，何新 程 学 院 ，山东 青 岛 ２６６５８０）
摘要 ：海洋立管作 为海洋油气开发的关键 设备 ，在运 行期间面Ｉ临疲 劳失效 的风 险，需要对立管进行 疲劳试验 ；针对 海洋立管共振弯 曲疲 劳试 验 法 ，提 出基 于 ｓ７—３００ ＰＬＣ实 现 海 洋 立 管 共 振 弯 曲疲 劳 试 验 装 置 控 制 系 统 的设 计 思想 ；采用 黄 金 分 割 法 ， 寻 找 确 定 试 件 共 振 频 率 点 ；同 时 ，为 保 障 系 统 能 够 在 该 共 振 频 率 点 稳 定 运 行 ，采用 ｓ７— ３００ ＰＬＣ作 为 核 心 控 制 器 ，结 合 参 数 自调 节模 糊 ＰＩＤ 控 制 算 法 ，设 计 完 成疲 劳 试验 装 置 中 转 速模 糊 ＰＩＤ 控 制器 ，实 现 对 系统 转 速 的精 确 控 制 ，使 得 海 洋 立 管 疲 劳 试 验 装 置 控 制 系 统 在 具 有 ＰＬＣ 控 制 灵 活 、 可 靠 性 高 等 特点 的 同 时 ， 大 大提 高 了其 自动化 程度 。