Tài liệu điều khiển tích cực dao động của hệ thống ống dẫn dầu khí trong khai thác dầu biển

i .. 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. TS. 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 1.1 Các hệ thống khai thác dầu khí ngoài đại dương 8 9 1.1.1 Phân loại hệ thống ống dẫn dầu khí 9 1.1.2 Hệ thống neo giữ tàu khai thác trên biển 9 1.1.3 Các yếu tố ảnh hưởng tới sự làm việc của hệ thống ống dẫn dầu khí 11 1.1.4 Cơ cấu dẫn động của hệ thống ống dẫn dầu 12 1.2 Bài toán điều khiển ống dẫn dầu 14 1.2.1 Các giả thiết đơn giản hóa 14 1.2.2 Các điều kiện biên của ống dẫn dầu 15 1.3 Các phương pháp điều khiển biên ống dẫn dầu 17 1.3.1 Các phương pháp điều khiển kinh điển 17 1.3.2 Các phương pháp điều khiển hiện đại 18 1.3.2.1 Phương pháp điều khiển theo mô hình 18 1.3.2.2 Phương pháp điều khiển biên 19 v 1.3.3 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 2.1 Các phương pháp điều khiển đã có 26 27 2.1.1 Bù thụ động 27 2.1.2 Bù chủ động 28 2.1.2.1 Nguyên lý chung 29 2.1.2.2 Một số phương pháp hiện đang sử dụng 30 2.2 Đề xuất hai phương pháp điều khiển bù chủ động 32 2.2.1 Chuẩn hóa mô hình và nhiệm vụ điều khiển 33 2.2.2 Đề xuất thứ nhất: Bộ điều khiển backstepping giả định rõ 37 2.2.2.1 Thiết kế bộ điều khiển phản hồi trạng thái 38 2.2.2.2 Xây dựng bộ quan sát nhiễu 41 2.2.2.3 Bộ điều khiển backstepping giả định rõ 44 2.2.2.4 Tính ổn định của hệ kín 44 2.2.2.5 Xác định các tham số bộ điều khiển để hệ thỏa mãn thêm các điều kiện ràng buộc 46 2.2.3 Đề xuất thứ hai: Bộ điều khiển tối ưu thích nghi 48 2.2.3.1 Bộ điều khiển tối ưu tiền định 49 2.2.3.2 Xây dựng khâu ước lượng các thành phần nhiễu 51 2.2.3.3 Hệ thống điều khiển tối ưu thích nghi 52 2.2.3.4 Tính ổn định của hệ kín 53 2.2.3.5 Khả năng thỏa mãn thêm các điều kiện ràng buộc 54 2.2.4 Đánh giá chất lượng hai bộ điều khiển đã đề xuất thông qua mô phỏng 56 2.2.4.1 So sánh và đánh giá chất lượng ước lượng thích nghi thành phần nhiễu của hai bộ điều khiển 57 2.2.4.2 So sánh và đánh giá chất lượng điều khiển bám có ràng buộc của hai bộ điều khiển 2.3 Kết luận 59 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 3.1.1 Nguyên lý Hamilton mở rộng 64 65 3.1.2 Phương trình mô tả độ cong đường ống dẫn dầu trong lòng đại dương dưới tác động của ngoại lực 66 3.1.2.1 Mô hình hóa độ cong của đường ống dẫn dầu theo một chiều 67 3.1.2.2 Mô hình hóa độ cong đường ống theo cả hai chiều trong không gian 72 3.2 Thiết kế bộ điều khiển 77 3.2.1 Bộ điều khiển theo một phương ngang 77 3.2.1.1 Thiết kế bộ điều khiển 78 3.2.1.2 Đánh giá chất lượng ổn định của hệ kín 82 3.2.1.3 Chứng minh tồn tại và duy nhất của nghiệm hệ thống vòng kín 86 3.2.2 Bộ điều khiển theo cả hai phương dọc và ngang trục trong không gian 86 3.2.2.1 Thiết kế bộ điều khiển 87 3.2.2.2 Đánh giá chất lượng ổn định của hệ kín 92 3.2.2.3 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 3.3.1 Kiểm chứng chất lượng bộ điều khiển theo một phương ngang 99 99 3.3.2 Kiểm chứng chất lượng bộ điều khiển theo cả hai phương dọc và ngang trục trong không gian 107 3.4 Kết luận KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 117 118 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 Chuyển động dọc trục của tàu/giàn khoan nổi z (t ) Khối lượng của cơ cấu chấp hành Các hệ số liên quan đến vị trí và vận tốc của cơ cấu chấp hành Biến điều khiển ảo Các sai lệch vị trí M D,B a x 1e , x 2e , … Tốc độ chuyển động lên xuống của tàu khai thác Hàm Lyapunov Hàm mục tiêu Hàm Hamilton w V J H T p = (p1 , p2 ) Biến đồng trạng thái của hệ dW Tín hiệu điều khiển tối ưu Động năng Thế năng 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 lực 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 v T P U W viii I Diện tích mặt cắt ngang của ống dẫn dầu Hệ số đàn hồi Young Mô-men quán tính của mặt cắt ngang ống dẫn dầu P0 Lực hướng trục không đổi A E 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 f x, f z Các thành phần ngoại lực tác động lên ống dẫn dầu theo phương dọc và ngang trục x , z u (z , t ) Véc tơ mô tả sự biến dạng của đường ống dẫn dầu trong không gian hai chiều x , z u x (z , t ) Mô hình độ cong đường ống dẫn dầu theo phương ngang trục x bởi thành phần ngoại lực f x . u z (z , t ) Mô hình độ cong đường ống dẫn dầu theo phương dọc trục z 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 AHC PHC BOP DP ISS Ý nghĩa Bộ bù chủ động Bộ bù thụ động Bộ phận bít an toàn Định vị động Trạng thái ổn định ISS Active Heave Compensator Passive Heave Compensator Blowout Preventer Dynamic Positioning 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............................... 8 Hình 1.2: Hệ thống tàu khai thác dầu trên biển ............................................................. 10 Hình 1.3: Hệ thống ống dẫn điển hình .......................................................................... 12 Hình 1.4: Sơ đồ minh họa cấu trúc của hệ thống van và pít-tông thủy lực. .................. 12 Hình 1.5: Sơ đồ áp suất đỉnh ống dẫn dầu với thùng chứa nổi [12]. ............................. 15 Hình 1.6: Hệ thống ống dẫn biển và các thiết bị liên quan [12]. ................................... 16 Hình 2.1: Nhiệm vụ điều khiển ổn định dọc trục ống dẫn dầu ...................................... 26 Hình 2.2: Cấu trúc của hệ thống điều khiển PHC. ........................................................ 28 Hình 2.3: Mô hình hệ thống bù AHC ............................................................................ 29 Hình 2.4: Hành trình xi-lanh trong bộ AHC.................................................................. 30 Hình 2.5: Sơ đồ minh họa của hệ thống AHC. .............................................................. 31 Hình 2.6: Hệ quy chiếu và các lực tác dụng lên ống dẫn theo phương dọc trục. .......... 33 Hình 2.7: Tốc độ chuyển động lên xuống của tàu khai thác ........................................ 40 Hình 2.8: Tín hiệu nhiễu D .......................................................................................... 41 () Hình 2.9: Khoảng cách được duy trì x + z t - L .................................................... 41 Hình 2.10: Sơ đồ cấu trúc điều khiển bù chuyển động dọc trục.................................... 44 Hình 2.11: Nguyên lý bù thích nghi ở tín hiệu đầu vào ................................................ 49 Hình 2.12: Sơ đồ khối của bộ điều khiển tối ưu ............................................................ 51 Hình 2.13: Sơ đồ khối của khâu ước lượng nhiễu ......................................................... 52 Hình 2.14: Hệ thống điều khiển tối ưu thích nghi ......................................................... 52 Hình 2.15: Hệ thống điều khiển tối ưu thích nghi khi có ràng buộc về độ lớn của tín hiệu điều khiển .......................................................................................... 56 Hình 2.16: Giá trị thực w và giá trị ước lượng ŵ (sử dụng bộ quan sát) .................... 57 Hình 2.17: Giá trị thực D và giá trị ước lượng D̂ (sử dụng bộ quan sát) ................... 57 Hình 2.18: Giá trị thực D và giá trị ước lượng D̂ ....................................................... 58 () Hình 2.19: Khoảng cách được duy trì x + z t - L khi sử dụng phương pháp điều khiển cuốn chiếu ....................................................................................... 59 xi () Hình 2.20: Khoảng cách được duy trì x + z t - L khi sử dụng phương pháp tối ưu thích nghi ................................................................................................... 59 Hình 3.1: Nhiệm vụ điều khiển bù dao động theo phương ngang và dọc trục ............. 61 Hình 3.2: Mô hình hóa độ cong của đường ống dẫn dầu theo phương x . ................... 68 Hình 3.3: Ý nghĩa hai phương trình (3.18), (3.17) đối với việc thiết kế điều khiển ..... 71 Hình 3.4: Nhiệm vụ của bài toán mô hình hóa độ cong của đường ống trong không gian hai chiều .................................................................................................... 72 Hình 3.5: Giải nghĩa quan hệ (3.28), (3.29) và ý nghĩa của chúng đối với việc thiết kế bộ điều khiển trong không gian hai chiều x , z . ...................................... 76 Hình 3.6: Cấu trúc hệ điều khiển vòng kín theo một phương ngang x . ...................... 82 Hình 3.7: Cấu trúc hệ điều khiển vòng kín theo cả hai phương dọc và ngang trục ...... 91 Hình 3.8: Biên độ dịch chuyển theo phương ngang trục x của ống dẫn dầu khi chưa có bộ điều khiển . ......................................................................................... 101 Hình 3.9: Biên độ dịch chuyển theo phương ngang trục x của ống dẫn dầu khicó bộ điều khiển . .............................................................................................. 102 Hình 3.10: Vận tốc dịch chuyển theo phương ngang trục x của ống dẫn dầu. .......... 103 Hình 3.11: Góc lệch phía dưới của ống dẫn dầu. ........................................................ 104 Hình 3.12: Kết quả mô phỏng lực điều khiển ............................................................. 105 Hình 3.13: Biên độ dịch chuyển theo phương ngang trục x của ống dẫn dầu. .......... 109 Hình 3.14: Biên độ dịch chuyển theo phương ngang trục x của ống dẫn dầu khi có bộ điều khiển ................................................................................................ 110 Hình 3.15: Biên độ dịch chuyển theo phương dọc trục z của ống dẫn dầu. .............. 111 Hình 3.16: Biên độ dịch chuyển theo phương dọc trục z của ống dẫn dầu khi có bộ điều khiển . .............................................................................................. 112 Hình 3.17: Vận tốc dịch chuyển theo phương dọc và ngang trục x , z . ..................... 113 Hình 3.18: Góc lệch phía dưới của ống dẫn dầu theo cả hai phương dọc và ngang trục. ................................................................................................................. 114 Hình 3.19: Kết quả mô phỏng lực điều khiển theo phương ngang trục x .................. 115 Hình 3.20: Kết quả mô phỏng lực điều khiển theo phương ngang trục z ................. 115 1 PHẦN MỞ ĐẦU Ống dẫn dầu trên biển là phương tiện để vận chuyển chất lỏng hoặc khí giữa tàu khai thác dầu nổi trên biển (hay giàn khoan, sau đây được gọi là tàu khai thác dầu) và miệng giếng dầu tại đáy biển. Các ống dẫn dầu dùng trong khai thác dầu biển xa bờ phải có khả năng làm việc chống chọi lại các điều kiện khắc nghiệt dưới tác động của lực căng lớn, rung động, lực uốn và các tác động do nhiễu môi trường (sóng, gió, dòng hải lưu) và hoạt động tại các vùng nước sâu. Thêm vào đó, do cấu tạo linh hoạt và tỷ số giữa chiều dài và đường kính lớn nên các đường ống dẫn dầu cũng là đối tượng của những dao động do luồng xoáy gây ra do các dòng hải lưu, dẫn đến việc ổn định, chống lại những rung động, áp lực và lực uốn để ổn định cho ống dẫn dầu là rất khó khăn. Trong những năm gần đây, đã có nhiều nhà khoa học với nhiều công trình được công bố tập trung vào việc mô hình hóa và thiết kế bộ điều khiển nhằm đảm bảo ổn định cho hệ thống ống dẫn dầu trên biển. Đặc điểm của hệ thống tham số rải với phương trình chuyển động được mô tả bởi các phương trình vi phân dạo hàm riêng và phương trình vi phân thường của ống dẫn dầu đặt ra những thách thức về mặt điều khiển. Với mục tiêu ổn định cho ống dẫn dầu, do vậy khi thiết kế điều khiển ta xét hệ thống ống dẫn có cấu trúc dạng thanh (mềm) và ống dẫn chịu các điều kiện làm việc, luận án thực hiện việc mô hình hóa toàn bộ hệ thống, từ đó đặt tiền đề cho việc thiết kế bộ điều khiển để đảm bảo tính ổn định hệ thống. Do hệ thống ống dẫn trải dài trong không gian và làm việc dưới mặt nước biển nên bộ điều khiển phải được thiết kế tại biên trên của ông dẫn để đảm bảo tính khả thi của phương pháp đề xuất. 1. Tính cấp thiết, mục đích và nhiệm vụ của đề tài Dầu mỏ và khí là nguồn tài nguyên vô cùng quý giá của mỗi Quốc gia, nó có tầm quan trọng và vai trò hết sức đặc biệt và có ảnh hưởng lớn đến nền kinh tế, chính trị của mỗi quốc gia. Do việc khai thác dầu khí trên biển ngày càng được đẩy mạnh, các mỏ dầu lớn gần bờ ngày càng cạn kiệt. Vì vậy, để đảm bảo trữ lượng khai thác thì việc khoan dò ngày càng được tiến hành ở các vùng biển xa bờ, có độ sâu ngày 2 càng lớn hơn. Trên thế giới đã có những nơi đang khai thác dầu khí ở vùng biển có độ sâu trên dưới 3000 mét. Hệ thống ống dẫn dầu khí từ các giếng khoan ở dưới đáy biển lên các dàn hoặc các tàu khai thác dầu khí trên mặt biển đóng vai trò quan trọng trong việc duy trì sự liên tục trong hoạt động khai thác dầu khí. Do các ống dẫn dầu khí có độ dài lớn (đến vài nghìn mét) và đường kính khá nhỏ (nhỏ hơn 0.25 mét), nên các ống dẫn này chính là đối tượng chịu rung động lớn dưới tác dụng của sóng, gió, và dòng chảy biển. Nếu rung động của các ống dẫn dầu quá lớn, các ống này sẽ bị hư hỏng như đứt, nứt và vỡ. Điều này dẫn tới việc khai thác dầu khí sẽ bị dừng lại gây tổn thất về kinh tế và môi trường sẽ bị ô nhiễm. Vì vậy, việc hạn chế dao động và ổn định cho hệ thống ống dẫn dầu để tránh bị phá hỏng là việc làm cần thiết. Tuy nhiên, việc lắp đặt các thiết bị tạo mô men và lực điều khiển ở phần thân ống dẫn giữa đáy biển và mặt biển là khó khăn và không kinh tế. Việc ổn định dao động cho cơ cấu thanh mảnh có ý nghĩa rất lớn đối với các công trình khai thác dầu biển ngoài khơi. Các giải pháp để tăng độ tin cậy và hiệu quả hoạt động trong quá trình khoan dò trên biển, giảm các điều kiện bất lợi do môi trường biển gây ra là chủ đề nghiên cứu đầy thách thức đối với ngành công nghiệp khai thác dầu khí xa bờ. Bởi vậy, việc nghiên cứu thiết kế các hệ thống điều khiển biên lắp đặt tại tàu khai thác và giảm dao động cho ống dẫn dầu là cấp thiết. Hơn nữa, kết quả nghiên cứu của đề tài cũng đặt ra tiền đề cho việc xử lý dao động trong công nghiệp có liên quan đến hệ thống mềm. Một số ví dụ tiêu biểu của các hệ thống có thể được kể đến như sau: các hệ thống nâng hạ trong công nghiệp, chuyển động của băng giấy trong công nghiệp giấy, chuyển động của tấm thép trong cán thép, các cơ cấu tay máy mềm. 2. Mục tiêu của luận án  Thiết lập phương trình chuyển động theo phương dọc trục của giới hạn trên ống dẫn dầu và đề xuất phương án điều khiển.  Nghiên cứu động lực học của cơ hệ mềm tạo nền tảng cho việc thiết kế các bộ điều khiển dập dao động. 3  Nghiên cứu thiết kế các bộ điều khiển có phản hồi nhằm giảm thiểu dao động ngang trục và các ứng suất uốn trên ống dẫn dầu, kết hợp sử dụng bộ quan sát nhiễu để quan sát trạng thái và đánh giá, ước lượng lực tác động lên cơ cấu chấp hành cũng như các thành phần nhiễu tác động lên hệ thống, tránh cho ống dẫn dầu bị biến dạng hoặc đảm bảo biến dạng là nhỏ. Đồng thời đảm bảo các góc bề mặt và góc đáy cũng như sức căng trên ống dẫn dầu nằm trong phạm vi an toàn.  Nghiên cứu thiết kế bộ điều khiển có phản hồi nhằm giảm thiểu dao động và các tác động xen kênh ngang và dọc trục trên ống dẫn dầu, kết hợp sử dụng bộ quan sát nhiễu nhằm mục đích giảm dao động cho ống dẫn dầu. 3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu  Các hệ thống có dạng mảnh và đàn hồi.  Xây dựng mô hình toán học mô tả bản chất vật lý của hệ thống ống dẫn dầu (dùng trong công nghiệp khai thác dầu trên biển) khi chịu tác động bởi nhiễu môi trường.  Thiết kế các bộ điều khiển biên để ổn định dao động cho hệ thống ống dẫn dầu khí trên biển (để vận chuyển dầu từ đáy biển lên tàu/giàn khoan nổi trên biển) tại vị trí cân bằng. Đồng thời, trong quá trình thiết kế các bộ điều khiển biên có xem xét và kể đến các tác động của nhiễu môi trường. Kiểm chứng bằng các mô phỏng để thấy rõ tính hiệu quả của bộ điều khiển biên được đề xuất. 4. Phương pháp nghiên cứu Để thực hiện được nhiệm vụ nghiên cứu và đạt được mục tiêu nghiên cứu đã đặt ra, luận án sử dụng các phương pháp nghiên cứu sau: 4.1 Nghiên cứu lý thuyết  Nghiên cứu lý thuyết điều khiển phi tuyến, động lực học phi của hệ thống ống dẫn. Chỉ ra mục tiêu điều khiển cũng như các tác động xen kênh trong hệ thống.  Phân tích các dạng năng lượng của hệ thống ống dẫn dầu và phương thức tìm ra phương trình chuyển động dựa trên nguyên lý Hamilton mở rộng. 4  Xây dựng các mô hình toán học: đưa ra các khái niệm cơ bản về động lực học và động lực học của hệ thống ống dẫn. Đưa ra dạng mô hình đồng thời đề xuất phương pháp thiết kế các bộ điều khiển và mô phỏng hệ kín.  Thực hiện mô tả toán học chuyển động của ống dẫn dầu dưới tác động của nhiễu môi trường. 4.2 Phương pháp thiết kế bộ điều khiển Đối với những chuyển dịch lớn của ống dẫn dầu, điều khiển biên tại đầu trên của ống dẫn dầu sẽ được thiết kế để tối thiểu hóa các ứng suất uốn (tĩnh) của ống và đảm bảo cả hai góc đỉnh và đáy, và sức căng của ống dẫn nằm trong phạm vi an toàn. Các luật điều khiển biên này sẽ là hàm của độ dịch chuyển, tốc độ và độ lệch phía đầu trên của ống dẫn. Các ứng suất uốn tĩnh, các góc đỉnh và đáy, sức căng của ống dẫn sẽ được mã hóa với các trọng số khác nhau trong hàm mục tiêu. Ví dụ, góc đáy có thể sẽ được ưu tiên hơn góc đỉnh. Các luật điều khiển biên cho ống dẫn dầu sẽ được thiết kế nhằm tối thiểu hóa hàm mục tiêu, đây là hàm có thể được xem như là hàm năng lượng hoặc hàm Lyapunov ứng với ống dẫn dầu. Hệ quả trực tiếp của quá trình điều khiển là đưa ống dẫn về vị trí cân bằng (thẳng đứng) khi không có tác động của nhiễu môi trường hoặc về lân cận của vị trí cân bằng khi xuất hiện nhiễu. Các luật điều khiển biên sau đó được mang ra sử dụng như vòng điều khiển trong cùng để thiết kế các tín hiệu điều khiển cho hệ thống định vị động dựa trên phương pháp cuốn chiếu hoặc các phương pháp thiết kế điều khiển khác cho các hệ thống nối tầng. Khác với các phương pháp điều khiển kinh điển với yêu cầu phân bố cảm biến và cơ cấu chấp hành dọc theo ống dẫn, vị trí đặt các thiết bị này nằm ở biên trên của ống dẫn dầu. Điều này đem lại những lợi ích về mặt kinh tế cũng như kỹ thuật rõ rệt của luật điều khiển biên đề xuất. Trong thực tế, những chuyển động ở đầu trên của ống dẫn đối với hệ tọa độ trái đất-cố định hoặc hệ tọa độ mặt biển-cố định bị ảnh hưởng trực tiếp bởi chuyển động của thân tàu. Phương pháp này khác với luật thiết kế điều khiển cổ điển cho hệ thống định vị động khi các tín hiệu nhiễu tác động lên hệ thống tàu khai thác và cơ cấu chấp hành sẽ được ước lượng và xử lý trong quá trình thiết kế điều khiển thông qua bộ quan sát nhiễu. 5 4.3 Mô phỏng để kiểm chứng kết quả Sau khi các hệ thống điều khiển phi tuyến được thiết kế xong, các mô phỏng số sẽ được thực hiện để kiểm chứng hiệu quả của bộ điều khiển, đồng thời trợ giúp việc hiệu chỉnh quá trình điều khiển và cập nhật các hệ số trước khi thiết lập lên mô hình tổng thể. Trong khuôn khổ nội dung luận án, tác giả sử dụng phần mềm Matlab và Mathematica làm công cụ mô phỏng. Các mô phỏng số học được thực hiện để chỉ ra những hạn chế của các mô hình điều khiển hiện có và đánh giá những ưu điểm của các bộ điều khiển mới được đề xuất. 5. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn 5.1 Ý nghĩa khoa học  Nâng cao sự nhận thức về động lực học phi tuyến của hệ các tàu khai thác và các ống dẫn dầu ngoài khơi dưới sự tác động của sóng biển, gió và dòng hải lưu về mặt thực nghiệm và phân tích, đây chính là những tác nhân then chốt cho các bài toán điều khiển hệ ống dẫn dầu.  Đề xuất phương án thiết kế bộ điều khiển giảm dao động cho hệ thống ống dẫn dầu. Đánh giá chất lượng ổn định của hệ kín cũng như khả năng thỏa mãn các điều kiện ràng buộc, qua đó khẳng định được tính đúng đắn của bộ điều khiển đề xuất.  Những vấn đề chính được trình bày trong luận án và kết quả của luận án cũng có thể được mở rộng để ứng dụng cho việc điều khiển các hệ thống tham số rải và là tư liệu dùng cho việc thiết kế điều khiển hệ thống tham số rải. 5.2 Ý nghĩa thực tiễn  Kiểm soát có hiệu quả những dao động trên ống dẫn dầu và tàu khai thác là biện pháp quan trọng về mặt kỹ thuật, nâng cao hiệu suất làm việc, tăng hiệu quả kinh tế, giảm thiệt hại môi trường từ những ô nhiễm của ngành công nghiệp khai thác dầu và khí đốt xa bờ. Hơn nữa, các hệ thống cáp ngoài khơi cũng có 6 thể trực tiếp ứng dụng những kỹ thuật điều khiển trong luận án để kiểm soát quá trình đặt cáp hay rải cáp.  Nghiên cứu về ổn định dao động cho hệ thống ống dẫn dầu là vấn đề còn mới ở Việt Nam. Các công trình nghiên cứu liên quan đến lĩnh vực này từ trước đến nay ở trong nước chưa có công bố nào trong các tạp chí chuyên ngành. Chính vì vậy, kết quả của nghiên cứu này sẽ cơ sở cho nhiều nghiên cứu tiếp theo và là tài liệu tham khảo cho sinh viên và học viên cao học cũng như các nghiên cứu sinh quan tâm nghiên cứu về ổn định dao động cho hệ thống ống dẫn dầu, hay các hệ thống có dạng mảnh và đàn hồi.  Tạo tiền đề về mặt lý thuyết để áp dụng cho việc xử lý dao động trong công nghiệp. Trong công nghiệp, một số hệ tham số rải có thể sử dụng trực tiếp hay gián tiếp kết quả của luận án có thể được liệt kê như sau: i) cánh tay rô-bốt mềm; ii) điều khiển khử rung lắc tải trọng trong cơ cấu nâng hạ; iii) giảm dao động ngang trục trong công nghiệp giấy và cán thép; iv) xử lý dao động trong việc chiết rót chất lỏng. 6. Bố cục của luận án Cấu trúc của luận án bao gồm 3 chương chính với các nội dung sau: Chương 1 giới thiệu về bài toán nghiên cứu điều khiển ống dẫn dầu khí trong khai thác dầu biển cùng những yêu cầu cơ bản của bài toán. Tiếp sau đó là nghiên cứu, đánh giá các phương pháp điều khiển đã có, những vấn đề còn tồn tại của các phương pháp điều khiển. Từ đó đặt ra các vấn đề chính mà luận án cần tập trung nghiên cứu, giải quyết. Trong Chương 2, luận án sẽ trình bày chi tiết vấn đề bù chuyển động dọc trục của ống dẫn dầu trong lòng biển, các kỹ thuật thiết kế được đưa ra để đạt được mục tiêu điều khiển đề ra là đảm bảo khoảng cách của đầu trên của ống tới miệng giếng khoan tại đáy biển luôn là một giá trị không đổi (hoặc luôn nằm trong dải dao động hạn chế cố định cho trước), bất chấp sự thay đổi lên xuống của tàu khai thác thay đổi theo phương dọc trục z , gây ra bởi sóng hay thủy triều là những thành phần không xác định được. Ở Chương 3 tiếp theo, luận án sẽ trình bày phương pháp điều khiển bù 7 dao động dọc và ngang trục của ống dẫn dầu biển, tức là dao động theo hai trục x , z ở phương ngang và dọc trục, mà nguyên nhân gây ra dao động này là sóng biển theo chiều ngang, các dòng chảy trong lòng đại dương và tất nhiên chúng đều rất khó xác định tường minh. Ngoài ra, luận án còn có phần mở đầu và phần kết luận cũng như các định hướng nghiên cứu tiếp theo. 8 CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ BÀI TOÁN ĐIỀU KHIỂN ỐNG DẪN DẦU TRONG LÒNG BIỂN Trong lĩnh vực khai thác dầu khí, các hệ thống ống dẫn dầu trên biển đóng vai trò hết sức quan trọng trong việc thăm dò và khai thác dầu mỏ, khí ga khi vận chuyển các sản phẩm dầu mỏ lên các tàu khai thác dầu trên biển. Tuy nhiên, các hệ thống ống dẫn dầu này thường chịu tác động bởi các nhiễu phức tạp của môi trường và từ đó phát sinh các dao động không mong muốn. Với tỷ số giữa chiều dài và đường kính của ống lớn và ống làm việc dưới các điều kiện khắc nghiệt của môi trường, nên khiến cho việc điều khiển ống dẫn để duy trì sự ổn định và giảm thiểu các dao động là công việc rất khó khăn, phức tạp. Vì vậy, việc hạn chế dao động và ổn định cho hệ thống ống dẫn dầu trên biển để tránh bị phá hỏng là việc làm đầy thách thức và cần thiết. Hệ thống định vị toàn cầu Mặt nước biển Gió Tàu khai thác Sóng biển Khớp nối trượt Ống dẫn dầu Dòng chảy biển Lượng sai lệch giữa tầu khai thác dầu và miệng giếng khoan Khớp nối cầu Động cơ đẩy Khớp nối kiểu ống lồng Bộ phận làm nổi Góc lệch đáy của ống dẫn dầu Khớp nối cầu dưới đáy biển Thiết bị chống phun dầu (BOP) Hệ thống định vị dùng âm thanh Đáy biển Hình 1.1: Mô hình hệ thống ống dẫn dầu và tàu khai thác dầu trên biển. Ví dụ về cấu trúc của ống dẫn dầu và tàu khai thác được mô tả trên Hình 1.1. Trong đó, động lực học của ống dẫn được thể hiện như một hệ phân tán và các chuyển động của nó được mô tả bởi hệ các phương trình vi phân đạo hàm riêng. 9 1.1 Các hệ thống khai thác dầu khí ngoài đại dương 1.1.1 Phân loại hệ thống ống dẫn dầu khí Mục đích của ống dẫn trên biển là một phương tiện vận chuyển chất lỏng hoặc khí từ đáy biển lên tàu nổi trên biển. Các ống dẫn dầu trên biển thường được phân loại thành các nhóm sau [34]:  Ống dẫn biển chịu lực, bao gồm: Các ống dẫn khoan, các ống dẫn sản phẩm và các ống dẫn bảo dưỡng. Các ống dẫn biển chịu lực phải luôn có độ cứng ngang để duy trì ứng suất xác định trong các ống dẫn.  Các ống dẫn biển mềm, linh hoạt: là những ống dẫn được chế tạo từ những vật liệu chịu biến dạng đàn hồi. Sự biến dạng đàn hồi của các loại ống dẫn này tuân theo định luật Hooke. Với các yêu cầu về kết cấu, ống dẫn dầu phải làm việc tốt trong các điều kiện môi trường khắc nghiệt. Một hệ thống ống dẫn điển hình được chỉ ra như trong Hình 1.1. Ngoài các lực gây ra bởi chuyển động của tàu khai thác, ống dẫn còn chịu sự tác động biến thiên của dòng chảy, sóng biển. Các dạng cơ bản của các tác động lên hệ thống ống dẫn bao gồm:  Những thay đổi trong áp lực ngang gây nên từ các ảnh hưởng kết hợp của sóng, dòng chảy và chuyển động tàu khai thác.  Những thay đổi trong lực cản quán tính, tác động dưới dạng bình phương của sức cản áp lực.  Những thay đổi vị trí theo phương thẳng đứng của tàu khai thác (gây ra bởi sự nhấp nhô của sóng biển) và các dao động của ống dẫn theo phương thẳng đứng cũng sẽ tạo lên các lực ngang trục tác động lên ống dẫn. 1.1.2 Hệ thống neo giữ tàu khai thác trên biển Hệ thống neo giữ là một thiết bị đẩy (gồm các động cơ và chân vịt) được hỗ trợ bởi hệ thống định vị dùng cho các tàu khai thác neo đậu ngoài khơi. Những hệ thống như vậy thường được lắp đặt cho các tàu và các thiết bị khai thác, lưu trữ và bốc dỡ dầu khí nổi trên biển, những thiết bị này được neo giữ xuống đáy biển bởi hệ thống neo, và cho phép