基于BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的深水自升式海洋平臺(tái)智能控制模型試驗(yàn)研究

嵇春艷，劉 聰

(江蘇科技大學(xué) 船舶與海洋工程學(xué)院，江蘇 鎮(zhèn)江 212003)

在海洋油氣開(kāi)發(fā)中，自升式海洋平臺(tái)是目前使用最廣泛的移動(dòng)式鉆井平臺(tái)［1］。隨著海洋油氣資源開(kāi)發(fā)的深水化，自升式海洋平臺(tái)的應(yīng)用水深將超過(guò)120 m，在我國(guó)南黃海、東海以及南海大陸架，需要作業(yè)水深大于150 m 的自升式鉆井平臺(tái)［2］。因此，自升式海洋平臺(tái)的深水化發(fā)展已成為一種趨勢(shì)。然而，深水自升式海洋平臺(tái)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)決定了其柔性較大，加之深水區(qū)域的作業(yè)環(huán)境惡劣，導(dǎo)致平臺(tái)結(jié)構(gòu)振動(dòng)響應(yīng)十分明顯，這種過(guò)大的結(jié)構(gòu)振動(dòng)響應(yīng)會(huì)引起結(jié)構(gòu)嚴(yán)重的基礎(chǔ)破壞或者整體破壞。已有研究表明，工作水深90 m 的自升式平臺(tái)在波浪周期10 s，有義波高12 m 的隨機(jī)波浪作用下其結(jié)構(gòu)最大振動(dòng)幅度可達(dá)1.5 m［3］。因此，深水自升式海洋平臺(tái)的振動(dòng)控制問(wèn)題正日益受到關(guān)注。

目前，已有部分學(xué)者對(duì)海洋平臺(tái)振動(dòng)控制技術(shù)進(jìn)行了相關(guān)研究，并得到了一定的研究成果。何曉宇，李宏男對(duì)安裝有TLCD 的導(dǎo)管架海洋平臺(tái)進(jìn)行了振動(dòng)控制分析，研究了不同大小和方向的波浪載荷對(duì)TLCD的參數(shù)優(yōu)化和減震效果的影響［4］;趙東等利用擴(kuò)展調(diào)諧質(zhì)量阻尼器(ETMD)控制系統(tǒng)對(duì)導(dǎo)管架平臺(tái)的振動(dòng)響應(yīng)進(jìn)行了有效的控制［5］，并且對(duì)一縮尺比為1∶10 的導(dǎo)管架平臺(tái)模型的控制效果進(jìn)行了數(shù)值仿真，為后續(xù)的海洋平臺(tái)相似模型振動(dòng)控制實(shí)驗(yàn)的參數(shù)選取提供了可參考的最優(yōu)區(qū)間［6］;DENG，ZHANG 利用磁流變阻尼器控制海洋結(jié)構(gòu)物在沖擊載荷作用下的動(dòng)力響應(yīng)，并進(jìn)行了模型試驗(yàn)［7］;歐進(jìn)萍，楊飏，張紀(jì)剛等研究了主動(dòng)質(zhì)量驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)和磁流變阻尼隔震層對(duì)典型導(dǎo)管架平臺(tái)在地震和冰激作用下的減振效果，并進(jìn)行了數(shù)值模擬與相應(yīng)的振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)研究［8-10］;嵇春艷等對(duì)固定式導(dǎo)管架平臺(tái)的振動(dòng)控制問(wèn)題進(jìn)行了較多的研究工作，主要開(kāi)展了半主動(dòng)控制、磁流變阻尼器、模糊控制理論等方面的研究工作，并通過(guò)水池模型試驗(yàn)進(jìn)行了驗(yàn)證［12，13］。綜上所述，目前關(guān)于海洋平臺(tái)振動(dòng)控制技術(shù)的研究成果主要集中在固定式導(dǎo)管架平臺(tái)結(jié)構(gòu)的控制方法和控制技術(shù)方面，許多技術(shù)仍停留在理論研究與數(shù)值模擬階段，缺乏模型試驗(yàn)驗(yàn)證，且在現(xiàn)有的平臺(tái)模型試驗(yàn)中大多數(shù)為通過(guò)振動(dòng)臺(tái)和振動(dòng)器提供外界激勵(lì)的岸上試驗(yàn)，水池試驗(yàn)較少，更鮮見(jiàn)針對(duì)自升式海洋平臺(tái)開(kāi)展的振動(dòng)控制研究工作。由于自升式海洋平臺(tái)的底部固定方式、結(jié)構(gòu)形式以及振動(dòng)響應(yīng)特點(diǎn)較導(dǎo)管架平臺(tái)均存在較大的差別，因此如何設(shè)計(jì)出有效的控制系統(tǒng)、如何通過(guò)水池模型試驗(yàn)驗(yàn)證控制系統(tǒng)有效性的試驗(yàn)技術(shù)都是值得深入研究的問(wèn)題。

本文以墨西哥灣海域某典型深水自升式海洋平臺(tái)為原型，設(shè)計(jì)制作了海洋平臺(tái)模型?；贐P 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、以磁流變阻尼器為控制裝置設(shè)計(jì)了智能控制系統(tǒng)，并在波浪水池中分多種工況對(duì)控制系統(tǒng)的減振效果進(jìn)行了模型試驗(yàn)研究與驗(yàn)證。

1 基于BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的智能控制方法

傳統(tǒng)的主動(dòng)控制算法計(jì)算出的最優(yōu)控制力U(t)最精確，控制效果最好，但是它們的計(jì)算依賴(lài)于十分精確的結(jié)構(gòu)振動(dòng)模型，在實(shí)際控制中，當(dāng)外界荷載或模型參數(shù)發(fā)生微量變化時(shí)，控制效果會(huì)受到嚴(yán)重影響，因此不具有魯棒性能，同時(shí)，在實(shí)際應(yīng)用中需要實(shí)時(shí)收集大量結(jié)構(gòu)模型信息，而過(guò)多的信息采集和處理會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重的時(shí)滯現(xiàn)象，可行性差。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)具有良好的非線性映射能力，采用主動(dòng)控制算法充分訓(xùn)練后的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，既能充分繼承主動(dòng)控制算法控制效果的精確性，又能降低控制效果對(duì)精確結(jié)構(gòu)振動(dòng)模型以及外界環(huán)境輸入精確程度的依賴(lài)性，可以產(chǎn)生很好的控制效果。

本文選用LQR 最優(yōu)控制算法對(duì)一BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行訓(xùn)練，利用訓(xùn)練后的BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行智能控制。具體方法如下:

1.1 振動(dòng)控制方程及最優(yōu)控制力計(jì)算

在控制力作用下，深水自升式海洋平臺(tái)受控結(jié)構(gòu)系統(tǒng)可以用如下?tīng)顟B(tài)方程描述:

式中:

根據(jù)式(1)，按照線性二次型最優(yōu)控制算法［14］計(jì)算出平臺(tái)在對(duì)應(yīng)于極端隨機(jī)波浪載荷的試驗(yàn)工況下每一時(shí)刻的動(dòng)力響應(yīng)和相應(yīng)的主動(dòng)最優(yōu)控制力U(t)。

1.2 BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練

BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是一種單向傳播的多層前向網(wǎng)絡(luò)，由輸入層、隱含層和輸出層組成。該神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)采用誤差逆?zhèn)鞑ニ惴?，即BP 算法，使網(wǎng)絡(luò)對(duì)輸入模式響應(yīng)的正確率不斷提高，因而具有很好的非線性映射能力［15］。本文根據(jù)輸入、輸出樣本的結(jié)構(gòu)，設(shè)定神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的輸入層和輸出層的神經(jīng)元個(gè)數(shù)分別為2 個(gè)和1 個(gè)。隱含層神經(jīng)元個(gè)數(shù)參考經(jīng)驗(yàn)公式(2)取為6 個(gè)。

其中，m 為輸出層神經(jīng)元個(gè)數(shù)，n 為輸入層神經(jīng)元個(gè)數(shù)，a 為［1，10］之間的常數(shù)。

1.3 智能控制力的確定

用訓(xùn)練好的BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)代替LQR 主動(dòng)控制算法，根據(jù)結(jié)構(gòu)實(shí)時(shí)的響應(yīng)值可直接映射出所需的最優(yōu)控制力的數(shù)值。

2 深水自升式海洋平臺(tái)模型設(shè)計(jì)

按照結(jié)構(gòu)模型試驗(yàn)的相似原理［16］，為了保證試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果與平臺(tái)原型響應(yīng)的相似性，需要按照幾何相似與動(dòng)力相似進(jìn)行設(shè)計(jì)，然而在模型設(shè)計(jì)過(guò)程中，要同時(shí)完全保證模型與原型的幾何相似和動(dòng)力相似是十分困難的?，F(xiàn)有研究成果表明，振動(dòng)控制系統(tǒng)的控制效果與結(jié)構(gòu)振動(dòng)的頻響特性直接相關(guān)，因此，在綜合考慮模型實(shí)際響應(yīng)的效果以及本試驗(yàn)主要是以驗(yàn)證控制系統(tǒng)的有效性為實(shí)驗(yàn)?zāi)繕?biāo)后，在模型設(shè)計(jì)中主要滿(mǎn)足幾何相似和平臺(tái)結(jié)構(gòu)的振動(dòng)頻率盡量一致的相似準(zhǔn)則。模型的縮尺比取為1∶40。實(shí)際設(shè)計(jì)模型與平臺(tái)原型相關(guān)參數(shù)如表1 所示，平臺(tái)模型的實(shí)物照片如圖1 所示，浪向如圖2 所示。

表1 實(shí)際模型與平臺(tái)原型相關(guān)參數(shù)Tab. 1 Parameters of the real platform and the model

圖1 平臺(tái)試驗(yàn)?zāi)Ｐ虵ig. 1 Experiment model of platform

圖2 浪向1、2、3Fig. 2 Wave directions 1，2，3

3 試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

3.1 試驗(yàn)工況設(shè)計(jì)

根據(jù)墨西哥灣實(shí)際海況以及水池試驗(yàn)條件，為了研究智能控制系統(tǒng)對(duì)不同工況的控制效果，分別選擇3個(gè)規(guī)則波以及5 個(gè)不規(guī)則波工況進(jìn)行水池試驗(yàn)，具體試驗(yàn)工況詳見(jiàn)表2。其中，有義波高8 m、峰值周期10 s的真實(shí)海況理論上對(duì)應(yīng)的試驗(yàn)值為0.2 m、1.58 s。

表2 試驗(yàn)工況Tab. 2 Experimental cases

3.2 測(cè)點(diǎn)布置設(shè)計(jì)

由于平臺(tái)上部結(jié)構(gòu)較平臺(tái)下部結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)動(dòng)力響應(yīng)大，因此在如圖3 所示的位置設(shè)置了4 個(gè)測(cè)點(diǎn)。測(cè)點(diǎn)4 安裝的測(cè)量裝置是六自由度非接觸式運(yùn)動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)，用于測(cè)量結(jié)構(gòu)x、y 兩個(gè)方向的位移;測(cè)點(diǎn)1、2、3 每處安裝2 個(gè)加速度傳感器，分別用于測(cè)量x 和y 方向的加速度響應(yīng)。測(cè)量系統(tǒng)的示意如圖4 所示。

圖3 測(cè)點(diǎn)布置位置Fig. 3 Measuring point position

圖4 測(cè)量系統(tǒng)Fig. 4 The measuring system

4 智能控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

4.1 磁流變阻尼器參數(shù)及安裝位置

文中采用剪切閥式磁流變阻尼器作為智能控制器，其結(jié)構(gòu)示意如圖5 所示。

圖5 磁流變阻尼器結(jié)構(gòu)Fig. 5 MRFD structure figure

剪切閥式磁流變阻尼器阻尼力計(jì)算公式如式(3)所示:

式中:η 為阻尼液的表觀黏度;L 為導(dǎo)磁區(qū)長(zhǎng)度;h 為阻尼通道高度;D 為缸體內(nèi)徑;d 為活塞直徑;v 為活塞與缸體間的相對(duì)速度;τy為阻尼液的剪切屈服強(qiáng)度;sgn 為符號(hào)函數(shù)。

文中所選用磁流變阻尼器的具體性能參數(shù)如表3 所示，阻尼器的安裝位置如圖6 所示。

圖6 阻尼器安裝位置Fig. 6 Position of damper

表3 磁流變阻尼器基本參數(shù)Tab. 3 Parameter of MRFD

4.2 智能控制的具體流程

基于BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的磁流變阻尼智能控制系統(tǒng)的控制流程如圖7 所示。

圖7 智能控制系統(tǒng)控制流程Fig. 7 Structure of intelligent control system

5 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

本試驗(yàn)在適航性水池實(shí)驗(yàn)室完成。水池的主尺度為:長(zhǎng)69 m、寬46 m、水深4 m。水池相鄰的兩邊布置了三維搖板式造波機(jī)，造波機(jī)的造波能力為:規(guī)則波最大波高可達(dá)0.5 m，周期0.5 ～5 s;不規(guī)則波有義波高0.5 m，最大波高可達(dá)1.0 m;波向角0° ～180°。

為了驗(yàn)證控制系統(tǒng)的有效性，試驗(yàn)中分別測(cè)量了安裝控制系統(tǒng)前后平臺(tái)模型的動(dòng)力響應(yīng)，如圖8 所示。限于篇幅，僅給出測(cè)點(diǎn)1 處的加速度響應(yīng)以及測(cè)點(diǎn)4 處的位移和速度響應(yīng)數(shù)據(jù)，如表4 所示。

圖8 不規(guī)則波試驗(yàn)Fig. 8 Irregular experiment

表4 振動(dòng)響應(yīng)減振效果Tab. 4 Vibration response control effect

圖9 至圖11 給出了I01 工況下控制前后測(cè)點(diǎn)4 處的位移、速度響應(yīng)和測(cè)點(diǎn)1 處的加速度響應(yīng)時(shí)程。

試驗(yàn)結(jié)果表明:基于BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的磁流變阻尼智能控制系統(tǒng)能夠?qū)υ诓ɡ溯d荷作用下的平臺(tái)試驗(yàn)?zāi)Ｐ偷恼駝?dòng)響應(yīng)進(jìn)行有效的控制，減振效果明顯。其中，各種工況下位移的平均減振幅度達(dá)到24.17%，速度的平均減振幅度達(dá)到25.27%，加速度的平均減振幅度達(dá)到26.92%，這說(shuō)明本控制系統(tǒng)對(duì)加速度響應(yīng)的控制效果最好。

對(duì)比不同工況下的減振幅度發(fā)現(xiàn):波高越大、周期越小，即波浪載荷越大、結(jié)構(gòu)動(dòng)力響應(yīng)越劇烈時(shí)，本文所設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)的減振效果越好。這與阻尼器的出力特點(diǎn)有關(guān)，因?yàn)樽枘崞鲗?duì)劇烈的響應(yīng)比較敏感，故結(jié)構(gòu)響應(yīng)大時(shí)阻尼器對(duì)結(jié)構(gòu)動(dòng)力響應(yīng)的阻礙程度更大。

圖9 位移減振效果Fig. 9 Displacement control effect

圖10 速度減振效果Fig. 10 Velocity control effect

圖11 加速度減振效果(時(shí)域)Fig. 11 Acceleration control effect (Time domain)

對(duì)比不同浪向下結(jié)構(gòu)的減振幅度發(fā)現(xiàn):結(jié)構(gòu)沿波浪方向的動(dòng)力響應(yīng)減振效果更好。這主要是因?yàn)檠夭ɡ朔较虻慕Y(jié)構(gòu)動(dòng)力響應(yīng)是因?yàn)椴ɡ藢?duì)結(jié)構(gòu)的作用力而產(chǎn)生的，而垂直于波浪方向的結(jié)構(gòu)動(dòng)力響應(yīng)是由結(jié)構(gòu)沿浪向方向響應(yīng)的排擠作用以及波浪因?yàn)榻Y(jié)構(gòu)的存在而發(fā)生的變形所引起的，在理想情況下不會(huì)存在垂直于波浪傳播方向的結(jié)構(gòu)響應(yīng)，試驗(yàn)所設(shè)計(jì)的控制系統(tǒng)是根據(jù)理想情況設(shè)計(jì)的，故沿波浪傳播方向的結(jié)構(gòu)振動(dòng)響應(yīng)的控制效果較好。

同時(shí)試驗(yàn)結(jié)果還表明結(jié)構(gòu)在規(guī)則波作用下的減振幅度略大于結(jié)構(gòu)在不規(guī)則波作用下的減振幅度。

為了研究結(jié)構(gòu)各個(gè)方向的頻率特性，對(duì)測(cè)點(diǎn)1、2、3 測(cè)得的加速度信號(hào)進(jìn)行了頻域分析，限于篇幅，此處只給出R01 和I01 工況下控制前后測(cè)點(diǎn)1 處加速度響應(yīng)的頻域結(jié)果，如圖12 至圖13 所示。

圖12 工況R01 下加速度減振效果(頻域)Fig. 12 Acceleration control effect under case R01 (Frequency domain)

圖13 工況I01 下加速度減振效果(頻域)Fig. 13 Acceleration control effect under case I01(Frequency domain)

上述加速度響應(yīng)的頻域分析結(jié)果表明:

1)對(duì)于規(guī)則波，由于頻率成分簡(jiǎn)單，因此頻域響應(yīng)的各個(gè)峰值明顯。以工況R01 為例，在x 方向，結(jié)構(gòu)振動(dòng)主要集中在0.66 Hz 和1.98 Hz 這兩個(gè)頻率，其中，第一個(gè)頻率為波浪的頻率，第二個(gè)頻率為結(jié)構(gòu)的一階固有頻率，試驗(yàn)結(jié)果與實(shí)際情況較吻合。在y 方向，由于振動(dòng)是由x 方向的振動(dòng)引起，故頻響的總體趨勢(shì)一致，但是在2.7 Hz 左右出現(xiàn)了一個(gè)小的峰值，且在安裝阻尼器后此峰值有所增大。經(jīng)分析，該現(xiàn)象的原因可能是:此峰值反應(yīng)的是阻尼器與結(jié)構(gòu)連接裝置的局部振動(dòng)，安裝阻尼器之后使得這一振動(dòng)變得更為劇烈，因此反應(yīng)為在該峰值處的加強(qiáng)。對(duì)比控制前后的頻域響應(yīng)可以發(fā)現(xiàn)，本文所設(shè)計(jì)的振動(dòng)控制系統(tǒng)對(duì)結(jié)構(gòu)的頻域響應(yīng)控制效果明顯，且在峰值頻率處的控制幅度最大。

2)對(duì)于不規(guī)則波，由于頻率成分復(fù)雜，頻響的頻域分布較寬，頻響峰值并不像規(guī)則波那樣集中與突出，但結(jié)構(gòu)頻域響應(yīng)的總體趨勢(shì)仍然明顯。以工況I01 為例，在x 方向，結(jié)構(gòu)的響應(yīng)仍然集中在波浪頻率(0.4 Hz)和結(jié)構(gòu)一階固有頻率(1.98 Hz)，與規(guī)則波頻響分析結(jié)果一致，在y 方向亦如此。在不規(guī)則波浪作用下，本文所設(shè)計(jì)的振動(dòng)控制系統(tǒng)對(duì)頻響的各個(gè)頻率成分均起到振動(dòng)控制的作用，尤其是對(duì)于峰值頻率處的振動(dòng)控制幅度最大。

6 結(jié) 語(yǔ)

本文針對(duì)自升式海洋平臺(tái)，給出了智能控制系統(tǒng)、海洋平臺(tái)模型以及水池模型試驗(yàn)的設(shè)計(jì)方法，通過(guò)模型試驗(yàn)的方式研究了基于BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的智能控制系統(tǒng)對(duì)波浪載荷作用下深水自升式海洋平臺(tái)振動(dòng)響應(yīng)的控制效果。試驗(yàn)結(jié)果表明:

1)基于BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的磁流變阻尼智能控制系統(tǒng)能夠很好地控制波浪載荷作用下深水自升式平臺(tái)的結(jié)構(gòu)動(dòng)力響應(yīng)，減振幅度比較可觀，位移、速度、加速度的減振幅度均能達(dá)到20%以上，其中，對(duì)加速度的減振效果最好;

2)本控制系統(tǒng)對(duì)不同工況下平臺(tái)結(jié)構(gòu)動(dòng)力響應(yīng)的控制效果較穩(wěn)定，具有好的魯棒性能，但是相對(duì)于不規(guī)則波而言，結(jié)構(gòu)在規(guī)則波作用下時(shí)控制系統(tǒng)的減振效果較好，且控制系統(tǒng)對(duì)沿浪向方向的振動(dòng)響應(yīng)控制效果較好，對(duì)結(jié)構(gòu)較劇烈的響應(yīng)比較敏感;

3)不同于被動(dòng)控制系統(tǒng)，本控制系統(tǒng)不僅有效抑制了結(jié)構(gòu)基頻處的動(dòng)力響應(yīng)，而且對(duì)各個(gè)頻率處的動(dòng)力響應(yīng)均可起到振動(dòng)控制的作用，尤其是對(duì)波頻響應(yīng)亦表現(xiàn)出了較好的減振效果，控制性能優(yōu)秀。

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