水下油气生产系统控制模块组成及应用
摘要本文以南海某气田工程项目为背景，介绍了水下采油树控制模块在油气田开发中的使用情况，简单分析了水下控制模块的工作原理、组成结构以及控制方式，为今后水下油气生产系统中电液复合控制系统的使用提供实践参考。
关键词复合电液控制；水下生产系统；控制系统；水下控制模块
前言
南海某气田位于中国南海东部珠江口盆地，距香港东南约250公里，水深最深约350米。该气田依靠气田自身压力，通过水下采油树利用海底管道接到PY 中心平台，然后接到LW中心平台，与气田群生产的天然气混合后，外输至陆地终端。
1 水下生产控制系统
目前海洋油气开发工程中，水下生产控制系统大致分为三类：全液压控制系统（直接液压、先导液压、顺序液压）；电液控制系统（直接电控液压系统、复合电液控制系统、光电复合液压控制系统）和全电式控制系统[1]。该气田控制系统采用了复合电液控制系统，将多个水下控制模块连接到同一根脐带缆的终端上，在平台或浮体上的控制室可以操作水下设备的阀门及获取工作状态。其特点是响应速度快、传输距离长、易实现集中控制。
2 水下控制模块系统
水下控制模块是复合电液控制方式的重要组成部分，水下控制模块（SCM）用于采集水下设施的数据、井下数据，控制水下阀门的开启、闭合。主要完成内部压力传感器、节流阀位置指示器、下游压力/温度传感器、环空压力传感器、井下压力/温度传感器、上游压力/温度传感器、多相流量计、化学药剂注入计量阀、腐蚀监测器及砂传感器等的数据采集，并将信息发送至水面主控站，典型外部连接图见图1。
2.1 水下电子模块（SEM）系统
水下电子模块（SEM）是水下采油树控制模块的核心部件，采用冗余设计。主要功能是接收水面主控站的控制信号，完成电磁阀的换向，从而引导液压液的流向来驱动阀门执行器；另外，采集水下采油设备上的传感器数据，经过处理后传送到水面主控站，实现水下油气生产的检测作用，保证水下生产的顺利进行。
水下电子模块采用模块化设计，包括阀门控制板、通信接口板（包括内部总线通讯及外部通讯卡）、电源板、I/O板（数据采集板）和主控板等。主控站可以对SEM程序进行重新配置，具备大容量的内存，可临时存储相关数据，典型水
GB/T21412《石油天然气工业水下生产系统的设计与操作》分为九个部分: ---第1部分:总要求和建议; ---第2部分:水下和海上用软管系统; ---第3部分:过出油管(TFL)系统; ---第4部分:水下井口装置和采油树设备; ---第5部分:水下控制管缆; ---第6部分:水下生产控制系统; ---第7部分:修井和(或)完井立管系统; ---第8部分:水下生产系统远程作业机器人(ROV)接口; ---第9部分:远程作业工具(ROT)维修系统。 本部分为GB/T21412的第4部分,对应于ISO136284:1999《石油和天然气工业水下生产系统的设计与操作第4部分:水下井口装置和采油树设备》(英文第1版)。本部分等同翻译ISO136284:1999,为了便于使用,本部分做了下列编辑性修改: ---ISO13628的本部分改为GB/T21412的本部分或本部分; ---用小数点.代替作为小数点的逗号,; ---将ISO136284:1999中的ISO10423和ISO10423:1994统一为ISO10423:1994; ---在第2章引用文件中,用ISO13533、ISO13625、ISO13628 3 分别代替APISpec16A、APISpec16R、APIRP17C 并增加了标准中文名称; ---对表面粗糙度值进行了转换; ---表7(A)中转换了螺栓直径并增加了螺栓孔直径公制尺寸值;表9(B)和表10(B)中增加了螺栓孔直径公制尺寸值; ---表G.1中增加了螺栓直径和螺距公制尺寸值; ---删除了ISO136284:1999的前言和引言; ---增加了本部分的前言。 本部分的附录E、附录G 和附录H 为规范性附录,附录A、附录B、附录C、附录D、附录F和附录I为资料性附录。 本部分由全国石油钻采设备和工具标准化技术委员会(SAC/TC96)提出并归口。 本部分负责起草单位:宝鸡石油机械有限责任公司。 本部分参加起草单位:中国海洋石油总公司、石油工业井控装置质量监督检验中心。 本部分主要起草人:杨玉刚、范亚民、李清平、张斌。 目录 前言Ⅴ 1 范围1 2 规范性引用文件3 3 术语、定义、符号和缩略语3 3.1 术语和定义3 3.2 符号和缩略语8 4 使用条件和产品规范级别9 4.1 使用条件9 4.2 产品规范级别PSL 9 5 系统一般要求10
低成本水下机器人 策 划 书 申报项目： 低成本水下机器人 申报人： 孟永志 项目负责人： 孟永志 申报日期： 年4月17日
低成本水下机器人策划书 机器人项目创业计划执行概要 水下机器人从20世纪后半叶诞生，是工作于水下的极限作业机器人，能潜入水中代替人完成某些操作，又称无人遥控潜水器，主要运用在海上救援。由于水下环境恶劣危险，人的潜水深度有限，所以水下机器人日益成为开发海洋的重要工具。在军事斗争中，无人化作战平台将在未来现代化战争中发挥重要的作用，无人舰艇将与无人地面战车、无人飞机一起在战场上进行高效卓越地作战。另外，无论战争期间还是和平时期，水下机器人还可以定期对航道、训练场、舰艇机动区实施定期或不定期检查，保障这些水域的作业安全。 载人潜水器由人工输入信号操控各种动作，由潜水员和科学家通过观察窗直接观察外部环境。其优点是由人工亲自做出各种核心决策，便于处理各种复杂问题，但是人生命安全的危险性增大，由于载人需要足够的耐压空间、可靠的生命安全保障和生命维持系统，这将为潜水器带来体积庞大、系统复杂、造价高昂、工作环境受限等不利因素。 有缆水下机器人（ROV）需要由电缆从母船接受动力，并且ROV不是完全自主的，它需要人为的干预。主要由水面设备（包括操纵控制台、电缆绞车、吊放设备、供电系统等）和水下设备（包括中继器和潜水器本体）组成。潜水器本体在水下靠推进器运动，本体上装有观测设备（摄像机、照相机、照明灯等）和作业设备（机械手、切割器、清洗器等）。潜水器的 水下运动和作业，是由操作员在水面母舰上控制和监视，电缆向本体提供动力和交换信息，中继器可减少电缆对本体运动的干扰。由于人们通过电缆对ROV进行遥控操作，电缆对ROV像“脐带”对于胎儿一样至关重要，但是由于细长的电缆悬在海中成为ROV最脆弱的部分，大大限制了机器人的活动范围和工作效率。 无缆水下机器人（AUV）又称自治水下机器人、智能水下机器人，是将人工智能、探测识别、信息融合、智能控制、系统集成等多方面的技术集中应用于同一水下载体上，在没有人工实时控制的情况下，自主决策、控制完成复杂海洋环境中的预定任务使命的机器人。是从简单的遥控式向监控式发展，即由母舰计算机和潜水器本体计算机实行递阶控制，它能对观测信息进行加工，建立环境和内部状态模型。操作人员通过人机交互系统以面向过程的抽象符号或语言下达命令，并接受经计算机加工处理的信息，对潜水器的运行和动作过程进行
基于开源软件Ardusub的水下机器人ROV控制系统 摘要：随着海洋资源开发以及水下领域作业任务的增加，水下机器人在水下作 业中发挥着越来越重要的作用。ROV作为水下作业的重要工具，对运动控制算法 要求较高，采用开源软件ArduSub，结合一种模糊串级PID控制算法实现ROV控 制系统的设计，重点对ArduSub的特点、适应配置及PID控制算法原理，包含运 动和姿态方面进行了阐述，能够良好实现ROV的水下控制。 1引言 随着海洋资源开发以及水下领域作业任务的增加，水下机器人在水下作业中 发挥着越来越重要的作用。其中ROV续航持久，成本相对较低，逐渐成为水下作 业的重要工具。ROV工作于水下环境，具有非线性、易受环境影响等特点，对运 动控制算法要求较高，同时要求整个控制系统要有较好的实时性和可靠性。 2开源软件ArduSub简介 ArduSub水下机器人的控制器是一个完整的开源解决方案，提供远程操作控 制(通过智能潜水模式)和全自动的执行任务。作为DroneCode软件平台的一部分，它能够无缝地使用地面控制站的软件，可以监控车辆遥测和执行强大的任务规划 活动。它还受益于DroneCode平台的其他部分，包括模拟器，日志分析工具，为 车辆管理和控制和更高层次的api。 其主要特点在于以下几个方面： 反馈控制和稳定性：ArduSub控制器基于多旋翼自动驾驶系统，具有精确的 反馈控制，可主动维持方向。 深度保持：使用基于压力的深度传感器，ArduSub控制器可以将深度保持在 几厘米内。 航向保持：默认情况下，ArduSub在未命令转动时自动保持其航向。 相机倾斜：通过操纵杆或游戏手柄控制器与伺服或万向节电机进行相机倾斜 控制。 灯光控制：通过操纵杆或游戏手柄控制器控制海底照明。 无需编程：ArduSub控制器适用于各种ROV配置，无需任何自定义编程。大 多数参数可以通过地面控制站轻松更改。 兼容性好：ArduSub兼容许多不同的ROV框架，支持PWM输出。 由于以上特征，使得ArduSub成为一款可以很好适用于水下机器人RPV控制 系统的开源软件。 ArduSub兼容基于串行和以太网的通信接口。使用的硬件自动驾驶仪必须支 持选择的选项。Pixhawk仅支持串行连接，但可以通过配套计算机连接到以太网。其他autopilots原生支持以太网。ArduSub软件主要用于通过ArduSub进行接口，ArduSub是一种开源的跨平台用户界面，适用于所有类型的无人机。该接口通过 系绳连接到ArduSub控制器并显示车辆状态信息，并允许更新参数和设置。最重 要的是，QGC与用于指挥车辆的操纵杆或游戏手柄控制器连接。 ArduSub包含一个高级的电机库，支持多个框架，例如具有6自由度推进器 定位的BlueROV配置（图1所示）、带有并排垂直推进器的矢量ROV（图2所示）、采用单垂直推进器的ROV（图3所示）等等。 在传感器和执行器方面，除了标准的板载传感器（IMU，指南针），ArduSub
水下机器人 一、摘要 摘要:无人遥控潜水器，也称水下机器人。一种工作于水下的极限作业机器人，能潜入水中代替人完成某些操作，又称潜水器。水下环境恶劣危险，人的潜水深度有限，所以水下机器人已成为开发海洋的重要工具。本文从过去、现在、未来三个时间段介绍了水下机器人，并且就其中的关键技术也简要做了介绍，全方面的认识了水下机器人。 关键字：水下机器人、潜水器、海洋 Abstract :No one remote control submersibles, also called the underwater robot. A kind of work in the limit of the underwater robot homework, can submerge instead of people finish some operating, and calls the scuba machine. Underwater environments are dangerous, the person's diving depth is limited, so underwater robot has become an important tool development of ocean. This article from the past, present, and future three time underwater robot is introduced, and the key technology is briefly introduced, all aspects of the understanding of the underwater obot. Key words: underwater robot、scuba machine、ocean 二、引言 海洋这一广阔的水域，蕴藏着丰富的矿产资源、海洋生物资源和能源，是人类社会可持续发展的重要财富。研究和合理开发海洋，是对人类的经济和社会发展具有重要的意义。随着科学技术的发展，人类已经进入了开发和利用海洋的时代。在各种海洋技术中，作为用在一般潜水技术不可能到达的深度进行综合考察和研究并能完成多种作业的水下机器人，使海洋开发进入了新时代。 从20世纪30年代，美国研制出了第一台现代意义上的潜水器开始，无人遥控潜水器，也称水下机器人，开始进入人类的发展史，虽然只有短短的几十年，但其却发挥了极大的作用，为人类在海洋等水域的探索开发提供了有力的支持。由于水下机器人目前多用于海洋，故也可称为海洋机器人。而且水下作业对于人来说是一项危险作业，特别是在深海作业更加的危险，在10000米深的深海中，其压力是地面压力的1000倍，那里是迄今为止人类难以到达的地方。海底，特别是深海海底对人类还是一个未知世界。水下机器人主要用于海洋开发、打捞、扫雷、侦察、援潜、救生等。 而在近几十年，水下机器人的发展是非常迅速的。在信息技术的支持下，其发展趋势向着以下几个方面发展：一是水深普遍在6000米；二是操纵控制系统多采用大容量计算机，实
中国海洋大学工程学院 机械电子工程研究生课程考核论文 题目：AUV水下机器人运动控制系统研究报告 课程名称：运动控制技术 姓名：李思乐 学号：21100933077 院系：工程学院机电工程系 专业：机械电子工程 时间：2010-12-26 课程成绩： 任课老师：谭俊哲
AUV水下机器人运动控制系统设计 摘要：以主推加舵控制的小型自治水下机器人为研究对象，建立了水下机器人的数学模型并进行了分析。根据机器人结构的特点，对模型进行了必要的简化。设计了机器人的运动控制系统。以成功研制的无缆自治水下机器人(AUV) 为基础，对其航行控制和定位控制方法进行了较详细的分析. 同时介绍了它的推进器布置、控制系统结构、推力分配等方法。最后展示了它的运行实验结果。 关键词：水下机器人；总体设计方案；运动控制系统；电机仿真 1 引言 近年来国外水下机器人技术发展迅速，技术水平较高。其中，具有代表性的产品有：美国Video Ray 公司开发出的Scout、Explorer、Pro 等系列遥控式水下机器人，美国Seabotix公司研发的LBV-ROV 系列，英国AC-CESS 公司的AC-ROV系列。 随着海洋开发、探测的需求越来越强，水下机器人成为全世界研究的热门课题。小型自治水下机器人具有低成本、小型化、操作灵活等特点成为近年来国内外研究的热点。自治水下机器人（Autonomous Underwater Vehicles, AUV）,载体采用模块化设计思想, 可根据需要适当增减作业或传感器模块, 载体采用鱼雷状流线外形, 总长约2 m, 外径25 cm, 基本模块包括推进器模块、能源模块、电子舱模块、传感器模块以及GPS、无线电通讯模块, 基本传感器有姿态传感器、高度计、深度计和视觉传感器, 支持光纤通讯, 载体可外挂声学设备, 通过光纤系统进行遥控操作可实现其半自主作业, 也可在预编程指令下实现自主作业。系统基本模块组成设计如图1-1 所示[1]。它具有开放式、模块化的体系结构和多种控制方式（自主/半自主/遥控），自带能源。这种小型水下机器人可在大范围、大深度和复杂海洋环境下进行海洋科学研究和深海资源调查，具有更广泛的应用前景。在控制系统的设计过程中充分考虑了系统的稳定性和操纵性。控制器具有足够的鲁棒性来克服建模误差，以及水动力参数变化。 图1-1 系统基本模块组成设计 2 机器人物理模型 2.1 AUV 物理模型 为了研究AUV 的运动规律，确定运行过程中AUV 的位置和姿态，需要建立AUV
水下生产控制系统验证测试 水下生产控制系统应进行质量鉴定试验以验证设备在特定工作条件下的性能。作为替代，制造商应提供与工业实际（设备按指定要求即将完成的）相一致的证明文件或其他客服证据。 这一条款规定了用来鉴定产品设计的质量鉴定试验。用于设计鉴定的设备或工装夹具应该是在设计，尺寸和材料方面具有代表性的生产模型。 如所设计产品的安装，形式，功能或材料上有任何变化，制造厂应文字记录这些变化对产品性能的影响。重大的设计变动就成为一个新的设计需要重新认证（重大变动是指由制造厂确定的影响产品在其作业环境中性能的变化）。如材料的适应性能通过其他方法实现，材料的变化不需要重新认证。 应对SEM进行形型式试验以鉴定温度循环和振动相关的设计。 进行所有试验时应考虑人员安全和对周围区域潜在的破坏。 宜进行综合实验程序以确保满足控制系统的性能要求。 1.质量鉴定试验 1.1净水压力试验（内部和外部） 作为质量鉴定试验的一部分，宜对所有的受压组件或装备进行静水压力试验。额定压力小于或等于103.4MPa（15000 psi）时应在1.5倍的设计压力下进行静水压力试验。额定工作压力超过103.4MPa（15000 psi）时的内部净水压力试验应在1.25倍设计压力下进行。外部静水压力试验应在1.1倍设计围压下进行。 试验压力应在任何组件，管线或节点没有外部流体泄露的情况下最少保持10min。 试验期间所有的液压蓄能器应与回路隔离。 控制设备的低压部分，如适用，包括储液罐，低压过滤器，泵吸入管线和系统返回管线，都不进行静水压力（试验压力）试验。 1.2 最小和最大温度试验 应进行质量鉴定试验以证明小于或等于最小额定工作温度，大于或等于最大额定工作温度时的设备性能。 1.3 周期试验 对具有周期操作性能的设备应进行模拟长期现场作业的质量鉴定试验。试验周期应等于或超过指定应用的周期。 2.出厂验收试验（FA T）
? 117 ? ELECTRONICS WORLD? 技术交流 本文主要结合相关的研究背景设计了一种水下清洁机器人，作为一种水下设备的清洁维护的机器人，保障水下设备的正常运行。文章首先在引言部分对本文的研究背景及意义进行阐述，然后重点提出了水下清洁机器人运动控制系统的总体设计方案，并对其运动模型进行设计和仿真。 1 引言 海洋开发逐渐向特殊领域以及高深度领域转变，难度越来越大，人力开发已经完全不能够满足开发的需求，机器人开发已经成为了新趋势。本文主要在此背景下分析和研究水下清洁机器人的运动控制系统的设计。本文设计的水下清洁机器人主要是用于对水下的一些大型设备，例如海底搜救设备、勘测设备、取样设备等进行水下维护和修复等，能够在水下特殊环境中对海底设备进行维护和处理，能够较大程度上的促进海底开发技术的发展。 2 水下清洁机器人运动控制系统总体设计 2.1 水下清洁机器人运动控制流程 本文设计的水下清洁机器人的控制系统主要由主机、控制算法、控制电路、指令转换、机器人载体、采样设备等组成，具体的控制流程为：主机控制算法进行水下机器人的动力分配，并结合指令转换算法进行整理转换，结合控制电路开启操控箱，下达操作指令，机器人载体接到命令驱动机器人进行采样，采集样本之后将样本信息传递到主机处理系统当中，进行处理。 2.2 模拟运动控制平台结构设计 水下机器人的运动控制平台主要包括六个部分：步进电机、云台、安装板、推进器、U型板以及轴承等。其中云台主要实现的是2自由度的运动，包括水平和横向两个方向。本文模拟的控制平台主要实现的是3自由度的运动控制，除了上述2自由度之外，还包括前后摇摆自由度。由于多了一个自由度，因此需要对运动进行定位，该运动平台的定位主要由带套轴承和法兰轴组成固定左侧，由带套轴承和电机轴固定右侧，右侧的电机由法兰固定，由此就设计出了一个6自由度的模拟运动控制平台（边宇枢，高志慧，贠超，6自由度水下机器人动力学分析与运动控制：机械工程学报，2007）。 2.3 地面操控台结构设计 地面操控台主要是对上述的模拟运动控制平台进行控制，地面操控台主要包括显示器、操纵杆、按钮以及指示灯等。其中操纵杆有2个，一个用来控制云台的摄像机，一个用来控制模拟运动平台，面板主要是结合人体舒适度进行设计，角度定为70°（裴文良，郭映言，陈金山，申龙，水下机器人的研发及其应用：制造业自动化，2018）。 3 水下机器人运动模型及仿真分析 该部分主要对上述设计的水下机器人的运动模型以及仿真进行分析： 3.1 水下机器人的运动学建模 为了便于我们对机器人参数和变量的统一管理，可以定义以下 状态变量： 其中 ，，即用η1和η2分别表示稳定系下水下机器人的位置向量和方向向量，用v1和v2分别表示动态系下水下机器人的线速度和角度，用τ1和τ2表示在动态系下作用于水下机器人的力和力矩向量。 水下机器人的速度变量由稳定系转换成为动态系，从而通过动态控制器实现对运动的控制，同时要获得水下机器人的静态位置和姿态就必须要将水下机器人的速度变量由动态系转换成为稳定系，从而得到水下机器人的位置矢量。由此可知，在研究水下机器人状态时，需要分析和研究机器人速度变量的动态和静态的转变。 3.2 基于神经网络的轨迹控制器 本文主要设计了基于神经网络模型的水下机器人的运动轨迹控制器，具体的控制流程如下：当机体接收到信号后，传递到控制器，再通过执行器作用于机体，做出相应的动作，机器人本身还具有抗干扰的功能。输出与控制器之间用RBF网络连接。（朱大奇，陈亮，刘乾，一种水下机器人传感器故障诊断与容错控制方法：控制与决策，2009） 3.3 水下机器人神经网络轨迹控制的仿真 结合上述设计的基于神经网络模型的水下机器人的运动轨迹控制器，采用MATLAB进行仿真如下。该控制器设计的目的是实现对水下机器人运动状态的识别和跟踪，通过分析水下机器人的水下运动情况，结合轨迹参考实现了未知动力学的局部精确逼近和部分神经网络权值的收敛，从而奠定一定的学习控制器基础。 结合神经网络的训练实验得到，在神经网络权值的训练过程中，一些神经网络的权值最终收敛，可以作为神经网络的常数权值存储。在自适应神经网络控制器的作用下，将被控系统未知动态分量的局部精确逼近。 水下清洁机器人运动控制系统设计研究 （下转第121页）
海上油气开采工程与生产系统 中海工业有限公司 第一章海上油气开采工程概述 海底油气资源的存在是海洋石油工业得以进展的前提。海洋石油资源量约占全球石油资源总量的34%，全球海洋石油蕴藏量约1000多亿吨，其中已探明的储量约为380亿吨。世界对海上石油寄予厚望，目前全球已有100多个国家在进行海上石油勘探，其中对深海进行勘探的有50多个国家。 一、海上油气开采历史进程、现状和今后 一个多世纪以来，世界海洋油气开发经历如下几个时期： 早期时期：1887年～1947年。1887年在墨西哥湾架起了第一个木质采油井架，揭开了人类开发海洋石油的序幕。到1947年的60年间，全世界只有少数几个滩海油田，大多是结构简单的木质平台，技术落后和成本高昂困扰着海洋石油的开发。 起步时期：1947年～1973年。1947年是海洋石油开发的划时代开端，美国在墨西哥湾成功地建筑了世界上第一个钢制固定平台。此后钢平台专门快就取代了木结构平台，并在钻井设备上取得突破性进展。到20世纪70年代初，海上石油开采已遍及世界各大洋。 进展时期：1973年～至今。1973年全球石油价格猛涨，进一步推进了海洋石油开发的历史进程，特不是为了应对恶劣环境的北海和深水油气开发的需要，人们不断采纳更先进的海工技术，建筑能够抵御更大风浪并适用于深水的海洋平台，如张力腿平台（TLP）、浮式圆柱型平台（SPAR）等。海洋石油开发从此进入大规模开发时
期，近20年中，海洋原油产量的比重在世界总产油量中增加了１倍。进军深海是近年来世界海洋石油开发的要紧技术趋势之一。 二、海上油气开采流程 海上油气田开采可划分为勘探评价、前期研究、工程建设、油气生产和设施弃置五个时期： 勘探评价时期：在第一口探井有油气发觉后，油气田就进入勘探评价时期，这时开发方面的人员就开始了解该油气田情况，开展预可行性研究，将今后开发所需要的资料要求，包括销售对油气样品的要求，提交勘探人员。 前期研究时期：一般情况，在勘探部门提交储量报告后，才进人前期研究时期。前期研究时期要紧完成预可行性研究、可行性研究和总体开发方案(ODP)。前期研究时期也将决定油气田开发基础，方案的优化是最能提高油气田经济效益的手段。因此，在可行性研究和总体开发方案 ( ODP ）上都要组织专家进行审查，并得到石油公司高级治理层的批准。 工程建设时期：在工程建设时期，油藏、钻完井和海洋工程方面的要紧工作是成立各自的项目组，建立有效的组织结构和治理体系，组织差不多设计编写并实施，对工程质量、进度、费用、安全进行全过程的治理和操纵，使之达到方案的要求。油藏项目组要紧进行随钻分析和井位、井数等方面调整；钻完井项目组紧密与油藏项目组配合进行钻井、完井方案的实施；海洋工程项目组负海上生产设施的建筑；生产方面的人员也会提早介入，并进行投产方面的预备。
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作者：PanHongliang 仅供个人学习 中国海洋大学工程学院 机械电子工程研究生课程考核论文 题目： AUV水下机器人运动控制系统研究报告
课程名称：运动控制技术姓名：李思乐 学号： 21100933077 院系：工程学院机电工程系专业：机械电子工程 时间：2010-12-26 课程成绩： 任课老师：谭俊哲
AUV水下机器人运动控制系统设计 摘要：以主推加舵控制的小型自治水下机器人为研究对象，建立了水下机器人的数学模型并进行了分析。根据机器人结构的特点，对模型进行了必要的简化。设计了机器人的运动控制系统。以成功研制的无缆自治水下机器人(AUV) 为基础，对其航行控制和定位控制方法进行了较详细的分析. 同时介绍了它的推进器布置、控制系统结构、推力分配等方法。最后展示了它的运行实验结果。关键词：水下机器人；总体设计方案；运动控制系统；电机仿真 1 引言 近年来国外水下机器人技术发展迅速，技术水平较高。其中，具有代表性的产品有：美国Video Ray 公司开发出的Scout、Explorer、Pro 等系列遥控式水下机器人，美国Seabotix公司研发的LBV-ROV 系列，英国AC-CESS 公司的AC-ROV系列。 随着海洋开发、探测的需求越来越强，水下机器人成为全世界研究的热门课题。小型自治水下机器人具有低成本、小型化、操作灵活等特点成为近年来国内外研究的热点。自治水下机器人（Autonomous Underwater Vehicles, AUV）,载体采用模块化设计思想, 可根据需要适当增减作业或传感器模块, 载体采用鱼雷状流线外形, 总长约2 m, 外径25 cm, 基本模块包括推进器模块、能源模块、电子舱模块、传感器模块以及GPS、无线电通讯模块, 基本传感器有姿态传感器、高度计、深度计和视觉传感器, 支持光纤通讯, 载体可外挂声学设备, 通过光纤系统进行遥控操作可实现其半自主作业, 也可在预编程指令下实现自主作业。系统基本模块组成设计如图1-1所示[1]。它具有开放式、模块化的体系结构和多种控制方式（自主/半自主/遥控），自带能源。这种小型水下机器人可在大范围、大深度和复杂海洋环境下进行海洋科学研究和深海资源调查，具有更广泛的应用前景。在控制系统的设计过程中充分考虑了系统的稳定性和操纵性。控制器具有足够的鲁棒性来克服建模误差，以及水动力参数变化。 图1-1 系统基本模块组成设计 2机器人物理模型 2.1 AUV 物理模型 为了研究AUV 的运动规律，确定运行过程中AUV 的位置和姿态，需要建立AUV 的动力学模型。为了便于分析，建立适合于描述AUV 运动的两种参考坐标系，即固定坐标系Eξηζ 和运动坐标系Oxyz，如图2-1 所示：包含5 个推进器，分别是艉部的2 个主推进器、艉部的1 个垂向推进器和艏部的2 个垂向推进器。左右对称于纵中剖面，上和下、前和后都不对称[2]。 图2-1AUV水下机器人物理模型 1.2微小型水下机器人动力学分析 微小型水下机器人总长 1.5m，采用锂电池作为能源，尾部为一对水平舵和一对垂直舵，单桨推进，可携带惯导设备、探测声纳、水下摄像机、深度计等设备，设计巡航速度约 2 节。首先建立适合描述水下机器人空间运动的坐标
第一篇 海上油气田生产系统（了解篇） 一、海上生产设施的类型 海上生产设施是指建立在海上的建筑物。由于海上设施是用于海底石油开发及采油工作，加上海洋水深及海况的差异、油藏面积的不同、开采年限不一，因此海上生产设施类型众多。基本上可分为三大类：海上固定式生产设施、浮式生产设施及水下生产系统。在此三大类中又可细分如下： 典型的海上生产设施如图1-2-1至1-2-7所示： 1．固定式生产设施 固定式生产设施是用桩基、座底式基础或其它方法固定在海底，并具有一定稳定性和承载能力的海上结构物。海上固定式生产设施有各种各样的形式，按其结构形式可分为桩基式平台、重力式平台和人工岛以及顺应型平台；按其用途可分为井口平台、生产处理平台、储油平台、生活动力平台以及集钻井、井口、生产处理、生活设施于一体的综合平台。 （1）桩基式固定平台 桩基式固定平台通常为钢质固定平台，是目前海上油（气）生产中应用最多的一种结构形式 1）钢质固定平台的结构形式 桩基式 重力式 人工岛 顺应式平台 半潜式 张力腿式 浮式生产储油船 干式 湿式
钢质固定平台中最多的是导管架式平台，主要由四大部分组成：导管架、桩、导管架帽和甲板模块。但在许多情况下，导管架帽和甲板模块合二为一，所以这时仅为三部分。如图1-2-8所示。 ①导管架：系钢质桁架结构，由大直径、厚壁的低合金钢管焊接而成。钢桁架的主柱（也称大腿）作为打桩时的导向管，故称导管架。其主管可以是三根的塔式导管架，也有四柱式、六柱式、八柱式等，视平台上部模块尺寸大小和水深而定。导管架腿之间由水平横撑与 斜撑、立向斜撑作为拉筋，以起传递负 荷及加强导管架强度作用。 ②桩：导管架依靠桩固定于海底，它有主桩式，即所有的桩均由主腿内打入；也有裙桩式，即在导管架底部四周布置桩，裙桩一般是水下桩。 ③导管架帽：导管架帽是指导管架以上，模块以下带有甲板的这部分结构。它是导管架与模块之间的过渡结构。 ④模块：也称组块。由各种组块组成平台甲板。平台可以是一个多层甲板组成的结 构，也可以是单层甲板组成的结构，视平台规模大小而定。如钻井区域的模块可称为钻井模块；采油生产处理区称为生产模块；机械动力区可称为动力模块；生活区称为生活模块等。 2）钢质固定平台的施工 图1-2-1 桩基式固定平台 图1-2-2 重力式混凝土台
水下生产系统 第一章：水下生产系统发展概述 1、从浅水走向深水 原因 ?对能源需求的增长 ?陆上及浅水资源开发已经到达成熟期，并开始减少。 ?高油价，降低开发成本 ?深水技术的快速发展（深水钻井技术、水下增压和分离技术等） 水深、环境条件、油气田位置和油气输送成本等综合因素决定了油田的开发方案 为何采用水下生产系统？ ?能将井口布置在现有平台有效钻井范围以外的地方； ?高油价，降低开发成本； ?深水技术的快速发展（深水钻井技术、水下增压和分离技术等） 2、水下生产系统组成 立管和海管、水下采油树、水下增压系统、水下分离系统、回注系统、水下管汇、跨接管、管道终端、连接器 3、我国水下生产系统发展展望 1)国外规范和成熟经验是重要参考资料 2)但由于中国南海海域的特殊条件（台风频繁、较强的内波流作用、复杂海底 地形、油田离岸距离远等），相关的技术不可能完全照搬，必须针对南海的独特海况与离岸距离，做出创新性的研究与设计。 3)采油树结构复杂，涉及机械、力学、密封、材料、控制、安全、钻井、海洋 工程等学科。一旦具备了水下采油树的设计、制造、安装和测试能力，就可以设计制造其他水下产品，突破国外技术封锁，自主开发深水油气田。 第二章：立管系统 立管主要功能 ?生产立管:将流体从地底油藏传输到海面浮式设施 ?注入立管:回注气体或液体到地底油藏 ?外输立管:将处理过的油气传输到陆上或穿梭油轮 ?钻井立管:钻井工具通道
立管类型 从本身的特点可分为钢悬链线立管（SCR）、顶部张紧立管（TTR）、柔性立管（FR）、混合立管（HR） 深水立管的主要挑战： ?立管系统的费用对水深非常敏感； ?立管系统的安装费用对水深也非常敏感； ?安装时需要具有足够能力的特殊安装船舶； ?对于焊接和检验质量的要求高； ?在立管设计中的主要考虑因素为重量和疲劳寿命。 立管的组装 ?柔性立管和脐带缆通过陆上组装而成； ?SCR通过立管安装船舶焊接作业线组装而成； ?TTR通过连接法兰或连接接头组装而成。 SCR容易发生破坏的部位 顶部柔性接头和底部触地点 TTR顶部张紧系统形式 浮筒式和张紧器式 FR优点 ?无VIV ?连接和解脱方便 ?疲劳寿命长 ?管线在海底覆盖面积小 ?可重复利用 ?抗腐蚀性能好 FR类型 UN-BONDED PIPE 和BONDED PIPE 混合立管特性 ?经济有效 ?具有独立的浮筒 ?对浮式平台的负载小 ?紧凑构型–占地面积小 ?在有限的空间内能容纳多根立管 ?消除了单独垂直立管的相互影响 ?无管土相互作用影响 立管设计考虑因素
水下机器人智能控制技术 机械工程学院张杰189020008 智能水下机器人作为一个复杂的系统集成了人工智能水下目标的探测和识别、数据融蛤智能控制以及导航和通信各子系统是一个可以在复杂海洋环境中执行各种军用和民用任务的智能化无人平台。目前主要采用的智能控制方法有：模糊控制、神经网络控制、专家控制、自适应控制、PID调节器、滑模控制等。本文比较全面地查阅了水下机器人运动控制理论相关的文献，阐述了几种主要控制方法的基本原理，给出了控制器结构的设计方法，对水下机 器人运行控制方法的选取、控制器的设计具有较好的参考意义。 水下机器人的运动控制是其完成特定任务的前提和保障，是水下机器人关键技术之一。 随着水下机器人应用范围的扩大，对其自主性，运动控制的精度和稳定性的要求都随之增 加，如何提高其运动控制性能就成了研究的一个重要课题。导致AUV难于控制的主要因素包括：①水下机器人高度的非线性和时变的水动力学性能；②负载的变化引起重心和浮心的改变；③附加质量较大，运动惯性较大，不能产生急剧的运动变化；④难于获得精确的水动力系数；⑤海流的干扰。这些因素使得AUV的动力学模型难以准确，而且具有强耦合和非线性的特点。目前已被采用的控制方法有：模糊控制、神经网络控制、专家控制、PID控制、自适应控制、S面控制等。 智能控制是一个由人工智能自动控制和运筹学的交叉构成的交叉学科近年来,智能控制技术成为水下机器人发展的一个重要技术水下机器人难于控制的原因有几个方面,水下机器人在运行中收到海流等外界极不稳定环境因素的干扰,使其控制变得更加困难;水下机器人各项参数的高度的非线性的特点;水下机器人的水动力性能在不同的海洋环境下会改变较明显;海底水下机器人水动力系数难以测量,不能获得一个较为准确的数据;水下机器人体积大质量大,因此所受惯性大,运动变化难以在较短的时间内实现;水下机器人在运动过程中重心和浮心易改变会引起控制较为困难等智能控制如果能用在水下机器人,可以更好的使其适应复杂的海洋环境。 智能控制系统的类型
水下油气生产系统控制模块组成及应用 摘要本文以南海某气田工程项目为背景，介绍了水下采油树控制模块在油气田开发中的使用情况，简单分析了水下控制模块的工作原理、组成结构以及控制方式，为今后水下油气生产系统中电液复合控制系统的使用提供实践参考。 关键词复合电液控制；水下生产系统；控制系统；水下控制模块 前言 南海某气田位于中国南海东部珠江口盆地，距香港东南约250公里，水深最深约350米。该气田依靠气田自身压力，通过水下采油树利用海底管道接到PY 中心平台，然后接到LW中心平台，与气田群生产的天然气混合后，外输至陆地终端。 1 水下生产控制系统 目前海洋油气开发工程中，水下生产控制系统大致分为三类：全液压控制系统（直接液压、先导液压、顺序液压）；电液控制系统（直接电控液压系统、复合电液控制系统、光电复合液压控制系统）和全电式控制系统[1]。该气田控制系统采用了复合电液控制系统，将多个水下控制模块连接到同一根脐带缆的终端上，在平台或浮体上的控制室可以操作水下设备的阀门及获取工作状态。其特点是响应速度快、传输距离长、易实现集中控制。 2 水下控制模块系统 水下控制模块是复合电液控制方式的重要组成部分，水下控制模块（SCM）用于采集水下设施的数据、井下数据，控制水下阀门的开启、闭合。主要完成内部压力传感器、节流阀位置指示器、下游压力/温度传感器、环空压力传感器、井下压力/温度传感器、上游压力/温度传感器、多相流量计、化学药剂注入计量阀、腐蚀监测器及砂传感器等的数据采集，并将信息发送至水面主控站，典型外部连接图见图1。 2.1 水下电子模块（SEM）系统 水下电子模块（SEM）是水下采油树控制模块的核心部件，采用冗余设计。主要功能是接收水面主控站的控制信号，完成电磁阀的换向，从而引导液压液的流向来驱动阀门执行器；另外，采集水下采油设备上的传感器数据，经过处理后传送到水面主控站，实现水下油气生产的检测作用，保证水下生产的顺利进行。 水下电子模块采用模块化设计，包括阀门控制板、通信接口板（包括内部总线通讯及外部通讯卡）、电源板、I/O板（数据采集板）和主控板等。主控站可以对SEM程序进行重新配置，具备大容量的内存，可临时存储相关数据，典型水
Subsea Control Systems
Subsea Controls – Safety Functionality, Daily Operation, System Housekeeping and Production Optimization MCS SPCU Subsea Control Systems Reliable operation, combined with accurate control and monitoring of subsea installations, is essential to ensure the highest production availability while providing safe and environmentally friendly field operations. FMC’s Subsea Control Systems are designed to meet the harshest subsea challenges and to provide flexibility, expandability and upgradeability throughout the life of the field. FMC Subsea Control Systems are adaptable and configurable to operate the simplest on/off controls up to highly sophisticated controls required for operating subsea process and emerging Gas Compression Units. FMC’s control systems are modular with various configurations which have been proven indispensable to life of field upgrades that are required as field conditions change. FMC’s focus on product standardization and extensive qualification programs ensures the highest individual components and system per-formance. This also helps optimize supply chain management and project delivery requirements.Data monitoring and high speed communication support remote production monitoring and optimization. Production Control System The production control system consists of topside controls, power equipment, Subsea Control Modules (SCM) and sensors as well as subsea electrical and hydraulic distribution equipment. The MCS and SPCU are a two of the key components that make up the topside control equipment. This equipment offers various hardware and software options to meet the customer’s immediate needs while providing for future expansion options as required. Standardized hardware and software Easy incorporation of control system expandability Modular designs Simplified maintenance Easy to configure Multiple configurations Backwards compatible Main features Configurable with field proven standard building blocks Compatible with environmental conditions from tropic to artic locations Backwards compatible with previous generations Open interfaces, e. g. Ethernet, IWIS and CanBus High speed electrical communication up to 56.6 kbps on powerline Fiberoptic communication up to 1 Gbps Electric and fiberoptic communication beyond 250 km without repeaters Compatible with telecom repeater systems for even longer distances Compatible with safety system requirements, e. g. IEC 61508 SIL levels 1–3 Configurable for HIPPS application Qualified HP/HT capabilities Suitable for various field layouts ranging from single satellite wells to large multi-well developments Topside Control System FMC’s Topside Control Systems incorporate design innovations to adjust to the changing demands of today’s subsea environment. Topside Control System components provided by FMC include:Master Control Station (MCS) Subsea Power and Communication Unit (SPCU) Hydraulic Power Unit (HPU) Topside Termination Umbilical Assembly (TUTA)
水下机器人发展概述 --船舶102 赵书孝 1005080224 无人遥控潜水器，也称水下机器人。一种工作于水下的极限作业机器人，能潜入水中代替人完成某些操作，又称潜水器。水下环境恶劣危险，人的潜水深度有限，所以水下机器人已成为开发海洋的重要工具。无人遥控潜水器主要有，有缆遥控潜水器和无缆遥控潜水器两种，其中有缆避控潜水器又分为水中自航式、拖航式和能在海底结构物上爬行式三种。 特别是近10年来，无人遥控潜水器的发展是非常快的。从1953年第一艘无人遥控潜水器问世，到1974年的20年里，全世界共研制了20艘。特别是l974年以后，由于海洋油气业的迅速发展，无人遥控潜水器也得到飞速发展。到1981年，无人遥控潜水器发展到了400余艘，其中90%以上是直接；或间接为海洋石油开采业服务的。1988年，无人遥控潜水器又得到长足发展，猛增到958艘，比1981年增加了110%。这个时期增加的潜水器多数为有缆遥控潜水器，大约为800艘上下，其中420余艘是直接为海上池气开采用的。无人无缆潜水器的发展相对慢一些，只研制出26艘，其中工业用的仪8艘，其他的均用于军事和科学研究。另外，载人和无人混合理潜水器在这个时期也得到发展，已经研制出32艘，其中28艘用于工业服务。 无人有缆潜水器研制与发展 无人有缆潜水器的研制开始于70年代，80年代进入了较快的发展时期。1987年，日本海事科学技术中心研究成功深海无人遥控潜水器“海鲀3K”号，可下潜3300米。研制“海鲀3K”号的目的，是为了在载人潜水之前对预定潜水点进行调查而设计的，供专门从事深海研究的，同时，也可利用“海鲀3K”号进行海底救护。“海鲀3K”号属于有缆式潜水器，在设计上有前后、上下、左右三个方向各配置两套动力装置，基本能满足深海采集样品的需要。1988年，该技术中心配合“深海6500”号载人潜水器进行深海调查作业的需要，建造了万米级无人遥控潜水器。这种潜水器由工作母船进行控制操作，可以较长时间进行深海调查。这种潜水器可望在1992年内建成，总投资为40亿日元。日本对于无人有缆潜水器的研制比较重视，不仅有近期的研究项目，而且还有较大型的长远计划。目前，日本正在实施一项包括开发先进无人遥控潜水器的大型规划。这种无人有缆潜水器系统在遥控作业、声学影像、水下遥测全向推力器、海水传动系统、陶瓷应用技术水下航行定位和控制等方面都要有新的开拓与突破。这项工作的直接目标是有效地服务于200米以内水深的油气开采业，完全取代目前由潜水人员去完成的危险水下作业。在无人有缆潜水技术方面，始终保持了明显的超前发展的优势。根据欧洲尤里卡计划，英国、意大利将联合研制无人遥控潜水器。这种潜水器性能优良，能在6000米水深持续工作250小时，比现在正在使用的只能在水下4000米深度连续工作只有l2小时的潜水器性能优良的多。按照尤里卡EU-191计划还将建造两艘无人遥控潜水器，一艘为有缆式潜水器，主要用于水下检查维修；另一艘为无人无缆潜水器，主要用于水下测量。这项潜水工程计划将由英国；意大利、丹麦等国家的l7个机构参加。英国科学