Điều khiển tích cực dao động ống dẫn dầu khí khai thác biển – Luận án Tiến sĩ

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. 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 Phân loại hệ thống ống dẫn dầu khí 9 1.2 Hệ thống neo giữ tàu khai thác trên biển 9 1.3 Các yếu tố ảnh hưởng tới sự làm việc của hệ thống ống dẫn dầu khí 11 1.4 Cơ cấu dẫn động của hệ thống ống dẫn dầu 12 1.2 Bài toán điều khiển ống dẫn dầu 14 1.1 Các giả thiết đơn giản hóa 14 1.2 Các điều kiện biên của ống dẫn dầu 15 1.3 Các phương pháp điều khiển biên ống dẫn dầu 17 1.1 Các phương pháp điều khiển kinh điển 17 1.2 Các phương pháp điều khiển hiện đại 18 1.1 Phương pháp điều khiển theo mô hình 18 1.2 Phương pháp điều khiển biên 19 v 1.3 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 Bù thụ động 27 2.2 Bù chủ động 28 2.2 Một số phương pháp hiện đang sử dụng 30 2.2 Đề xuất hai phương pháp điều khiển bù chủ động 32 2.1 Chuẩn hóa mô hình và nhiệm vụ điều khiển 33 2.2 Đề xuất thứ nhất: Bộ điều khiển backstepping giả định rõ 37 2.1 Thiết kế bộ điều khiển phản hồi trạng thái 38 2.2 Xây dựng bộ quan sát nhiễu 41 2.3 Bộ điều khiển backstepping giả định rõ 44 2.4 Tính ổn định của hệ kín 44 2.5 Xác định các tham số bộ điều khiển để hệ thỏa mãn thêm các điều kiện ràng buộc 46 2.3 Đề xuất thứ hai: Bộ điều khiển tối ưu thích nghi 48 2.1 Bộ điều khiển tối ưu tiền định 49 2.2 Xây dựng khâu ước lượng các thành phần nhiễu 51 2.3 Hệ thống điều khiển tối ưu thích nghi 52 2.4 Tính ổn định của hệ kín 53 2.5 Khả năng thỏa mãn thêm các điều kiện ràng buộc 54 2.4 Đánh giá chất lượng hai bộ điều khiển đã đề xuất thông qua mô phỏng 56 2.1 So sánh và đánh giá chất lượng ước lượng thích nghi thành phần nhiễu của hai bộ điều khiển 57 2.2 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 Nguyên lý Hamilton mở rộng 65 3.2 Phương trình mô tả độ cong đường ống dẫn dầu trong lòng đại dương dưới tác động của ngoại lực 66 3.1 Mô hình hóa độ cong của đường ống dẫn dầu theo một chiều 67 3.2 Mô hình hóa độ cong đường ống theo cả hai chiều trong không gian 72 3.2 Thiết kế bộ điều khiển 77 3.1 Bộ điều khiển theo một phương ngang 77 3.1 Thiết kế bộ điều khiển 78 3.2 Đánh giá chất lượng ổn định của hệ kín 82 3.3 Chứng minh tồn tại và duy nhất của nghiệm hệ thống vòng kín 86 3.2 Bộ điều khiển theo cả hai phương dọc và ngang trục trong không gian 86 3.1 Thiết kế bộ điều khiển 87 3.2 Đánh giá chất lượng ổn định của hệ kín 92 3.3 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 3.1 Kiểm chứng chất lượng bộ điều khiển theo một phương ngang 99 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 xH Độ dịch chuyển của cán xi-lanh (pít-tông) của hệ thủy lực x Hv Độ dịch chuyển của van trượt AH Diện tích bề mặt của pít-tông PH Áp suất tải của xi-lanh bH Hệ số ma sát nhớt lên pít-tông iH Dòng điện đầu vào điều khiển của hệ thủy lực.

D (t , x H , z , x H , z ) Lực tác dụng lên cán xi-lanh từ ống dẫn dầu (nhiễu tác động lên hệ) b He Mô-đun đàn hồi tác dụng L Khoảng cách từ đầu trên của ống dẫn dầu xuống tới đáy biển z (t ) 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 x 1e , x 2e , … 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 T p = (p1 , p2 ) 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 Năng lượng chịu tải của vật chất dưới tác động của các ngoại W lực dW Biến thiên năng lượng chịu tải của vật chất Wc 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 P0 Lực hướng trục không đổi c, d1, d2 Hệ số cản nhớt rw Khối lượng riêng của nước CD 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 Các thành phần ngoại lực tác động lên ống dẫn dầu theo f x, f z phương dọc và ngang trục x , z Véc tơ mô tả sự biến dạng của đường ống dẫn dầu trong không u (z , t ) gian hai chiều x , z Mô hình độ cong đường ống dẫn dầu theo phương ngang trục u x (z , t ) x bởi thành phần ngoại lực f x. Mô hình độ cong đường ống dẫn dầu theo phương dọc trục z u z (z , t ) bởi thành phần ngoại lực f z. D Thành phần nhiễu bất định D̂ Khâu ước lượng nhiễu De 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.2: Hệ thống tàu khai thác dầu trên biển .3: Hệ thống ống dẫn điển hình .4: Sơ đồ minh họa cấu trúc của hệ thống van và pít-tông thủy lực.5: Sơ đồ áp suất đỉnh ống dẫn dầu với thùng chứa nổi [12].6: Hệ thống ống dẫn biển và các thiết bị liên quan [12].1: Nhiệm vụ điều khiển ổn định dọc trục ống dẫn dầu .2: Cấu trúc của hệ thống điều khiển PHC.3: Mô hình hệ thống bù AHC .4: Hành trình xi-lanh trong bộ AHC.5: Sơ đồ minh họa của hệ thống AHC.6: Hệ quy chiếu và các lực tác dụng lên ống dẫn theo phương dọc trục.7: Tốc độ chuyển động lên xuống của tàu khai thác .9: Khoảng cách được duy trì x + z t - L .10: Sơ đồ cấu trúc điều khiển bù chuyển động dọc trục.11: Nguyên lý bù thích nghi ở tín hiệu đầu vào .12: Sơ đồ khối của bộ điều khiển tối ưu .13: Sơ đồ khối của khâu ước lượng nhiễu .14: Hệ thống điều khiển tối ưu thích nghi .15: Hệ thống điều khiển tối ưu thích nghi khi có ràng buộc về độ lớn của tín hiệu điều khiển .16: Giá trị thực w và giá trị ước lượng ŵ (sử dụng bộ quan sát) .17: Giá trị thực D và giá trị ước lượng D̂ (sử dụng bộ quan sát) .18: Giá trị thực D và giá trị ước lượng D̂ .19: Khoảng cách được duy trì x + z t - L khi sử dụng phương pháp điều khiển cuốn chiếu .