基于模拟电路的Spar平台参数共振预测装置及其方法

技术领域

本发明涉及深海平台装置，特别涉及一种基于模拟电路的Spar平台参数共振预测装置及其方法。

背景技术

随着生产技术的进一步提高和生产设备的进一步发展，全球海洋油气资源的勘探逐渐从浅海水域过渡到深海水域。全球陆地和浅海经过长期的勘探开发，重大油田被发现的可能已经越来越小，规模逐渐下降。深水海域已成为全球资源的重要接替区，走向深海已经是势在必行的国家战略。

在深海油田开采中，Spar平台可作为主力浮式结构进行作业，Spar平台便于安装和重复使用，浮心高于重心，较其他平台而言，纵摇运动较小。但当长期遭受不规则波浪冲击时，Spar平台也会产生大的纵摇运动，从而引起平台的不稳定，造成设备的损坏和工作人员的伤亡，整体上还存在安全隐患。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于模拟电路的Spar平台参数共振预测装置及其方法，能进行实时监测及预测，提高Spar平台的动态性能及应对，调高整体安全性及稳定性。

本发明的上述技术目的是通过以下技术方案得以实现的：

一种基于模拟电路的Spar平台参数共振预测装置，包括有装置本体、对垂荡运动信息进行采集的外部传感器系统、设置于装置本体内部对参量进行模拟处理的模拟运算电路；

所述装置本体上设置有对平台固有参量及传感器系统采集的垂荡运动信息参量进行输入的若干参量输入端子、对平台固有参量进行调节的若干调节旋钮、对处理输出结果进行显示的显示屏，以及对预测会发生共振运动时进行警示的警示模块。

作为优选，所述平台固有参量包括有阻尼系数及纵摇运动的固有频率；所述垂荡运动信息包括有垂荡运动及垂荡运动频率；所述参量输入端子设置有四个分别用于输入纵摇运动的固有频率、垂荡运动、垂荡运动频率及平台阻尼系数。

作为优选，不规则波浪下的纵摇运动表达式为：

其中，u

作为优选，所述模拟运算电路包括有第一乘法单元、第二乘法单元、第一除法单元、第二除法单元、第一比例放大器、第二比例放大器、第三乘法单元、第四乘法单元、加法单元、第一一次积分单元、第二一次积分单元、第三比例放大器；

所述第一乘法单元耦接于参量输入端子以接收输入的纵摇运动的固有频率，所述第二乘法单元耦接于参量输入端子以接收输入的垂荡运动频率，所述第一除法单元耦接于第一乘法单元与第二乘法单元的输出端，所述第二除法单元耦接用于接收垂荡运动的参量输入端子与第二乘法单元的输出端，所述第一比例放大器耦接于第一除法单元，所述第二比例放大器耦接于第二除法单元；

所述第三乘法单元的输入端其一耦接于第一比例放大器的输出端，另一输入端耦接于第二一次积分单元的输出端；所述第四乘法单元的输入端其一耦接于第二比例放大器的输出端，另一输入端耦接于第二一次积分单元的输出端；

所述加法单元耦接于第三乘法单元、第四乘法单元及第三比例放大器的输出端，所述第一一次积分单元耦接于加法单元的输出端，所述第二一次积分单元耦接于第一一次积分单元的输出端；所述第三比例放大器耦接于第一一次积分单元的输出端，所述第二一次积分单元输出最终模拟运算结果。

作为优选，所述调节旋钮包括有第一调节旋钮和第二调节旋钮，所述第一调节旋钮的调节量对应于第一比例放大器的放大倍数，所述第二调节旋钮的调节量对应于第二比例放大器的放大倍数，所述输入端子输入的阻尼系数对应于第三比例放大器的放大倍数。

一种基于模拟电路的Spar平台参数共振预测方法，包括有以下步骤：

传感器系统对平台的垂荡运动及垂荡运动频率进行检测，输入至装置本体的对应参量输入端子；

将平台的阻尼系数及纵摇运动的固有频率输入至装置本体的对应参量输入端子；

根据不规则波浪下的纵摇运动表达式结合平台结构参数，计算处理获得放大倍数，并通过控制调节旋钮完成比例放大调节；

启动装置，通过模拟运算电路进行实时运算处理，将下一时刻的预测结果输出至显示屏进行显示，并于会发生共振运动时进行警示提醒。

综上所述，本发明具有以下有益效果：

通过传感器系统对Spar平台垂荡运动信息进行实时采集，通过预测装置上设置的参量输入端子进行输入，并通过模拟运算电路结合纵摇运动进行运算处理，实时获得预测的平台纵摇信息，装置本体的显示屏能够实时进行显示以便实时观察，且警示模块能够在预测后进行及时的预警，方便操作人员的及时处理及规避，减少安全事故的发生，能提高整体的稳定安全性。

附图说明

图1为装置本体的结构示意图；

图2为预测装置的结构示意框图；

图3为模拟运算电路的电路原理框图。

图中：1、装置本体；11、显示屏；12、参量输入端子；13、调节旋钮；14、警示模块；2、传感器系统；3、模拟运算电路。

具体实施方式

以下结合附图对本发明作进一步详细说明。

在深海油田开采中，Spar平台凭借自身深吃水、稳性好、灵活性高等特点在众多深水作业平台中脱颖而出。我国南海深海环境条件恶略，Spar平台将来可作为南海油气开发的主力浮式结构。Spar平台便于安装和重复使用，浮心高于重心，较其他平台而言，纵摇运动较小。

根据一个或多个实施例，公开了一种基于模拟电路的Spar平台参数共振预测装置，如图1及图2所示，包括有装置本体、传感器系统以及模拟运算电路。

如图1所示，装置本体包括有对平台固有参量及传感器系统采集的垂荡运动信息参量进行输入的若干参量输入端子、对平台固有参量进行调节的若干调节旋钮、对处理输出结果进行显示的显示屏，以及对预测会发生共振运动时进行警示的警示模块。装置本体通过参量输入端子与传感器系统进行连接，模拟运算电路安装设置于装置本体内部。参量输入端子设置有四个，分别用于接收输入纵摇运动的固有频率、垂荡运动、垂荡运动频率及平台阻尼系数，调节旋钮设置有两个，对平台固有参量进行调节，分为第一调节旋钮及第二调节旋钮。平台固有参量包括有阻尼系数及纵摇运动的固有频率；垂荡运动信息包括有垂荡运动及垂荡运动频率。装置本体结构无焊接接口，仅由整块铝合金经切割、打磨等步骤加工而成。

传感器系统采集垂荡运动信息，包括有采集Spar平台垂荡运动的位移传感器、加速度计以及陀螺仪。

根据不规则波浪下的纵摇运动表达式，可将其改写为实际海况下的纵摇运动：

其中，u

如图3所示，模拟运算电路包括有第一乘法单元、第二乘法单元、第一除法单元、第二除法单元、第一比例放大器、第二比例放大器、第三乘法单元、第四乘法单元、加法单元、第一一次积分单元、第二一次积分单元、第三比例放大器。模拟运算电路是指，通过机电类比，建立纵摇运动的动态电路模型，相应电路方程经无量纲化后与纵摇运动方程对应。因此，运动方程式中各项与电路方程各项相对应。

第一乘法单元耦接于参量输入端子以接收输入的纵摇运动的固有频率，第二乘法单元耦接于参量输入端子以接收输入的垂荡运动频率，第一除法单元耦接于第一乘法单元与第二乘法单元的输出端，第二除法单元耦接用于接收垂荡运动的参量输入端子与第二乘法单元的输出端，第一比例放大器耦接于第一除法单元，第二比例放大器耦接于第二除法单元。

第三乘法单元的输入端其一耦接于第一比例放大器的输出端，另一输入端耦接于第二一次积分单元的输出端；第四乘法单元的输入端其一耦接于第二比例放大器的输出端，另一输入端耦接于第二一次积分单元的输出端。

加法单元耦接于第三乘法单元、第四乘法单元及第三比例放大器的输出端，第一一次积分单元耦接于加法单元的输出端，第二一次积分单元耦接于第一一次积分单元的输出端；第三比例放大器耦接于第一一次积分单元的输出端，第二一次积分单元输出最终模拟运算结果。模拟运算电路为根据纵摇运动方程列写电路方程建立起的电路模型，该模型含闭环结构。

纵摇运动的固有频率ω

调节旋钮包括的第一调节旋钮和第二调节旋钮，分别为：第一调节旋钮的调节量对应于第一比例放大器的放大倍数，第二调节旋钮的调节量对应于第二比例放大器的放大倍数，输入端子输入的阻尼系数则对应为第三比例放大器的放大倍数。用于平台固有参量的调节，可调精度均为0.1。

传感器系统将测得的垂荡运动与垂荡运动频率分别输入到对应参量输入端子中，同时，将平台的纵摇运动的固有频率与阻尼系数输入到对应参量输入端子中。根据公式

显示屏将经过模拟运算电路的计算处理输出结果进行显示，并配合于警示模块进行预警警示。警示模块包括有设置于装置本体上的警示灯及蜂鸣器，当装置用于预测Spar平台的纵摇运动时，出现平台不稳定状态的情况下，警示灯闪烁并伴有鸣响。

Spar平台参数共振预测装置用于预测服役中平台的参数共振情况，分析外部传感器系统采集到的垂荡运动信息，并观察对应状况下的纵摇响应，对Spar平台的稳定性做出判断并划分相应区间，根据现有时刻的纵摇波形利用模拟电路方法预测下一时刻平台的运动状态，监测其是否会发生共振运动。

根据一个或多个实施例，公开了一种基于模拟电路的Spar平台参数共振预测方法，包括有以下步骤：

传感器系统对平台的垂荡运动及垂荡运动频率进行检测，输入至装置本体的对应参量输入端子；

将平台的纵摇运动的固有频率及阻尼系数输入至装置本体的对应参量输入端子；

根据不规则波浪下的纵摇运动表达式结合平台结构参数，计算处理获得放大倍数，并通过控制调节旋钮完成比例放大调节；

启动装置，通过模拟运算电路进行实时运算处理，将下一时刻的预测结果输出至显示屏进行显示，并于会发生共振运动时进行警示提醒。

前期设计阶段，可通过改变预测装置的输入参数使平台在实际海况中能够输出稳定的纵摇波形，确定其稳定范围。同时，记录平台在稳定状态下的各参数输入量，将运动方程与平台参量一一对应，结合对应参量的变化范围对Spar平台进行合理化设计。实际海况下所测数据真实有效，为Spar平台的设计提供参考价值。平台固有参量具体包括：纵摇运动固有周期、水线面面积、纵摇运动的惯性矩、附连水质量、排水量、初稳性高及阻尼。

同时，为了使Spar平台更好地适应海况，根据装置显示的实时纵摇运动数据可通过改变Spar平台固有结构，以期改变其纵摇、垂荡固有周期、初稳性高和水线面面积等参量，设计更加稳定的Spar平台以满足海况要求。

对后期服役中的Spar平台纵摇运动进行参数预测时，分析采集到的垂荡运动信息，并观察对应状况下的纵摇响应，对Spar平台的稳定性做出判断并划分相应区间，通过模拟电路的方式根据现有时刻的纵摇波形预测下一时刻平台的运动状态，检测其是否会发生共振运动。

本发明可用于Spar平台的初期设计阶段和稳定性预测阶段。忽略非线性阻尼的情况下，平台的纵摇/垂荡耦合运动方程为变系数微分方程，就现有技术和处理手段而言，无法找到其解析解，只能通过数值分析描述其动态响应。显然，数值仿真无法对平台响应进行实时监控和准确测量。因此，基于模拟电路具有连续性和实时性的特点，为Spar平台的前期设计、参数纵摇预测和水动力响应提供一种新的研究方法。

(1)本发明根据Spar平台纵摇运动方程，将其与内部模拟电路建立的电路方程所对应，根据输入得到实时监测的垂荡运动信息，进而实时显示纵摇运动，确定平台运动响应，为Spar平台水动力响应提供了一种新的研究方法。

(2)本发明通过模拟电路的方法对垂荡/纵摇耦合运动的响应进行监测，由于模拟信号具有连续性的优点，相比于求解近似解析解的过程，对于纵摇运动的描述更加精确，并能根据平台的动态响应对其结构及外界条件做进一步分析。同时，相比于纵摇运动的数值求解，具有实时效应，可直接模拟每一时刻Spar平台的响应。

(3)本发明通过改变装置的输入参量，对Spar平台的前期设计提出合理建议。

(4)本发明具有实时监测的特点，可通过已有数据信息对下一时刻Spar平台的稳定状态进行预测，通过预警功能提示工作人员做出相应的安防措施，提高平台整体安全性。

(5)本发明所述装置体积小，结构简单，操作方便，防潮且密封性好。

本具体实施例仅仅是对本发明的解释，其并不是对本发明的限制，本领域技术人员在阅读完本说明书后可以根据需要对本实施例做出没有创造性贡献的修改，但只要在本发明的权利要求范围内都受到专利法的保护。