王向宇 劉培林 賈 鵬 張 磊 王洪海 王 素

（1．哈爾濱工程大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院 黑龍江哈爾濱 150001； 2．海洋石油工程股份有限公司 天津 300451）

全電式水下閥門執(zhí)行器設(shè)計(jì)及多電機(jī)同步控制策略研究＊

王向宇1劉培林2賈 鵬1張 磊2王洪海1王 素1

（1．哈爾濱工程大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院 黑龍江哈爾濱 150001； 2．海洋石油工程股份有限公司 天津 300451）

通過對(duì)全電式水下控制系統(tǒng)的研究，參考國外的相關(guān)產(chǎn)品，完成了全電式水下閥門執(zhí)行器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，為了增加閥門執(zhí)行器的可靠性，提出采用多電機(jī)冗余的方式驅(qū)動(dòng)閥門。通過對(duì)多電機(jī)冗余驅(qū)動(dòng)控制方法的研究，提出了一種基于遺傳算法對(duì)時(shí)間誤差積分進(jìn)行優(yōu)化的模糊PID控制方法，并引入了置信度對(duì)計(jì)算過程進(jìn)行了優(yōu)化，縮短了尋優(yōu)的計(jì)算量，最終實(shí)現(xiàn)了多電機(jī)同步控制。利用Adams建立了閥門執(zhí)行機(jī)構(gòu)的動(dòng)力學(xué)模型，使用Simulink對(duì)閥門不同的工作情況下的響應(yīng)進(jìn)行了聯(lián)合仿真，結(jié)果表明本文設(shè)計(jì)的多電機(jī)冗余驅(qū)動(dòng)的全電式水下閥門執(zhí)行器可以實(shí)現(xiàn)對(duì)全電式水下閥門的冗余驅(qū)動(dòng)，滿足全電式水下閥門執(zhí)行器的工作要求。

全電式水下閥門執(zhí)行器；結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；多電機(jī)冗余驅(qū)動(dòng)；遺傳算法；時(shí)間誤差積分；模糊PID控制方法；聯(lián)合仿真

全電式水下生產(chǎn)系統(tǒng)被認(rèn)為是現(xiàn)階段深水油氣田開發(fā)的最佳解決方案，全電式水下閥門執(zhí)行器在全電式水下生產(chǎn)系統(tǒng)中扮演著關(guān)鍵的角色。與傳統(tǒng)的液動(dòng)水下閥門執(zhí)行器相比，全電式水下閥門執(zhí)行器驅(qū)動(dòng)電機(jī)的壽命遠(yuǎn)低于液壓缸，為了盡可能地提高驅(qū)動(dòng)器的可靠性，全電式水下閥門執(zhí)行器的各個(gè)組件都應(yīng)當(dāng)在冗余原則下進(jìn)行設(shè)計(jì)，其中最關(guān)鍵的問題是多電機(jī)冗余驅(qū)動(dòng)的設(shè)計(jì)，包括機(jī)械結(jié)構(gòu)和多電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的控制策略設(shè)計(jì)。目前直流永磁電機(jī)以其優(yōu)異的力矩性能已在全電式閥門驅(qū)動(dòng)領(lǐng)域中被廣泛使用，掌握全電式水下閥門核心技術(shù)的公司主要有Cameron、Aker、FMC等，他們所采用的全電式水下閥門執(zhí)行器都采用永磁直流電機(jī)［1－2］。

目前有關(guān)冗余永磁直流電機(jī)設(shè)計(jì)的問題已經(jīng)成為一個(gè)學(xué)術(shù)熱點(diǎn)，涌現(xiàn)了眾多的設(shè)計(jì)形式，有中間定子、內(nèi)外雙轉(zhuǎn)子形式的［3］；有將定子繞組設(shè)計(jì)成4個(gè)獨(dú)立的三相繞組，共用同一個(gè)轉(zhuǎn)子，從而構(gòu)成4個(gè)子電機(jī)的形式［4］；還有最常見的在定子槽中嵌放2套三相集中繞組，星形接法，2套繞組互差30°電角度的形式［5］。但是上述設(shè)計(jì)形式只考慮電機(jī)本身的冗余性，卻沒有考慮系統(tǒng)的冗余性。

目前已存在的電氣同步控制理論類型模式主要有：基于同一給定電壓的并聯(lián)或串聯(lián)運(yùn)行方法和基于補(bǔ)償原理的控制方法［6］。通過比較發(fā)現(xiàn)，并聯(lián)運(yùn)行的多電機(jī)同步驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)加轉(zhuǎn)速補(bǔ)償?shù)姆绞绞禽^理想的同步控制方案［7］，多電機(jī)的電子控制技術(shù)主要有并 行控制［8］、主從控制［9］、交叉耦合控制［10］、電子虛擬總軸控制［11］、電機(jī)偏差耦合控制［12］等。本文選擇電機(jī)偏差耦合策略作為多電機(jī)同步控制方案。

基于以上分析，本文提出了一種n個(gè)永磁同步電機(jī)并聯(lián)的多電機(jī)冗余方案，即在正常情況下n個(gè)電機(jī)同時(shí)工作輸出功率，在m個(gè)電機(jī)損壞的情況下余下的n－m個(gè)電機(jī)同步工作，以達(dá)到盡可能延長執(zhí)行器壽命的目的。

1 全電式水下閥門執(zhí)行器設(shè)計(jì)

1．1 執(zhí)行器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

圖1 全電式水下閥門執(zhí)行器的機(jī)械結(jié)構(gòu)總體方案Fig．1 Overall scheme of all－electric subsea valve actuator mechanical structure

全電式水下閥門執(zhí)行器的機(jī)械結(jié)構(gòu)總體方案如圖1所示，主要由水下閥門驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)和失效－安全機(jī)構(gòu)及閥體組成。水下閥門驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)負(fù)責(zé)為閥門的開閉提供動(dòng)力，其結(jié)構(gòu)包括多個(gè)驅(qū)動(dòng)電機(jī)、ROV應(yīng)急接口以及滾珠絲杠傳動(dòng)裝置等。為了避免油氣事故的發(fā)生，全電式水下閥門執(zhí)行器需要具備失效－安全功能，水下閥門驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)通過滾珠絲杠向失效－安全裝置輸出動(dòng)力，通過結(jié)構(gòu)簡單且可靠性高的并聯(lián)彈簧機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)失效－安全功能。

1．2 電機(jī)的冗余布置方式

電機(jī)的冗余布置方式主要有串聯(lián)和并聯(lián)2種，其中串聯(lián)方式的多個(gè)電機(jī)共享同一組定子，所以并不是真正意義上的冗余，可靠性不高。本文設(shè)計(jì)的全電式水下閥門執(zhí)行器驅(qū)動(dòng)部分采用并聯(lián)的布置方式，如圖2所示。2個(gè)驅(qū)動(dòng)電機(jī)通過固定在螺母絲杠一端的1個(gè)內(nèi)齒輪并聯(lián)在閥門執(zhí)行器的傳動(dòng)軸上，通過滾珠絲杠將動(dòng)力傳遞至閥門以實(shí)現(xiàn)閥門的開閉。每個(gè)電機(jī)的輸出功率都可以滿足閥門開／關(guān)的最大負(fù)載，在正常工作的情況下所有電機(jī)可以共同輸出扭矩，所以當(dāng)某個(gè)電機(jī)出現(xiàn)故障失效時(shí)，其余電機(jī)仍可以獨(dú)自工作。該方案通過齒輪傳動(dòng)，每個(gè)電機(jī)都有獨(dú)立的定子、轉(zhuǎn)子、編碼器以及驅(qū)動(dòng)器，所以任意一組電機(jī)都可以獨(dú)立完成閥門的操作，適合能夠輸出較大扭矩的永磁同步電機(jī)。

圖2 并聯(lián)的電機(jī)冗余布置方式Fig．2 Parallel redundancy layout scheme of motor

2 多電機(jī)同步控制策略研究

2．1 多電機(jī)同步控制策略

常用的差速負(fù)反饋控制方法能夠滿足2臺(tái)電機(jī)的同步控制，但是對(duì)多臺(tái)電機(jī)并聯(lián)同步控制效果不理想，故選擇多電機(jī)偏差耦合的控制方式。多電機(jī)偏差耦合的控制方式是通過消除電機(jī)間的轉(zhuǎn)速差誤差來實(shí)現(xiàn)多電機(jī)的同步控制，精度較高，且不存在虛擬總軸等同步方式中難以消除的恒定偏差，滿足水下閥門執(zhí)行機(jī)構(gòu)電機(jī)冗余驅(qū)動(dòng)同步性的要求，其控制框圖如圖3所示。

圖3 多永磁同步電機(jī)偏差耦合控制框圖Fig．3 Block diagram of multi－permanent magnet synchronous motor deviation coupling control

2．2 經(jīng)遺傳算法整定的模糊PID控制器

為了更有效地消除電機(jī)之間的速度差，使用模糊PID控制器對(duì)速度補(bǔ)償器的輸出參數(shù)進(jìn)行訂正。因復(fù)雜環(huán)境下經(jīng)常受到未知干擾系統(tǒng)的模糊控制效果往往不夠理想，故采用遺傳算法對(duì)PID參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化整定［13］，主要分為以下幾步：

1）遺傳算法編碼方式的選擇。遺傳算法的核心操作是通過染色體（即0和1）的突變和交叉來生成新的染色體，進(jìn)而對(duì)染色體進(jìn)行排序，以篩選出性能最佳的染色體，即最優(yōu)解。本文選擇直觀、簡單的二進(jìn)制方式進(jìn)行染色體編碼。

2）適合度函數(shù)的確定。為了得到較好的動(dòng)態(tài)性能，在誤差絕對(duì)值時(shí)間積分性能指標(biāo)（ITAE指標(biāo)）的基礎(chǔ)之上構(gòu)建適合度函數(shù)。為了得到較小的累計(jì)誤差，在時(shí)間上對(duì)誤差量進(jìn)行積分；為了盡可能地縮短上升時(shí)間，增加上升時(shí)間參數(shù)并給予其一定的權(quán)重。最終得到離散化的動(dòng)態(tài)性能評(píng)價(jià)函數(shù)為

式（1）中：w1、w2分別為誤差積分和上升時(shí)間的權(quán)重；e（k）為系統(tǒng)誤差；δtu為上升時(shí)間。

為了防止動(dòng)態(tài)性能指標(biāo)在評(píng)價(jià)函數(shù)中占比太大，導(dǎo)致控制器失控，增加控制器輸入量平方的權(quán)重，即

式（2）中：u（k）為控制器輸入；w3為控制器輸入量平方值的權(quán)重。

因?yàn)榻^對(duì)值的積分無法評(píng)估系統(tǒng)中的超調(diào)量，而過大的超調(diào)量又是比較危險(xiǎn)的，在水下閥門需要快速動(dòng)作時(shí)甚至有可能損壞電機(jī)，所以在發(fā)生超調(diào)時(shí)加入了對(duì)超調(diào)量的懲罰項(xiàng)，其中通過對(duì)超調(diào)時(shí)產(chǎn)生的誤差進(jìn)行積分來評(píng)估超調(diào)量，即

式（3）中：ey（k）＝y(tǒng)（k）－y（k－1），y（k）為被優(yōu)化控制器的輸出；w4為超調(diào)量積分項(xiàng)的權(quán)重。

最后，得到最優(yōu)化控制器的評(píng)價(jià)函數(shù)為

因?yàn)檫z傳算法的功能是通過迭代進(jìn)化逼近函數(shù)的最大值，因此取適合度函數(shù)為代價(jià)函數(shù)的倒數(shù)?？紤]到超調(diào)量的懲罰，為了避免計(jì)算中出現(xiàn)零為分母，增加一個(gè)適當(dāng)?shù)某?shù)來對(duì)代價(jià)函數(shù)做調(diào)節(jié)，設(shè)置適合度函數(shù)為

3）通過置信判據(jù)優(yōu)化收斂速度。ITAE是一種很理想的PID控制滿意度評(píng)價(jià)指標(biāo)，但基于ITAE的適合度函數(shù)求解過程中要進(jìn)行大量的積分運(yùn)算，在實(shí)際的生產(chǎn)操作中也需要考慮適合度函數(shù)的計(jì)算時(shí)間，因此本文引入了一種基于置信度判據(jù)的方法優(yōu)化適合度函數(shù)的采樣周期。通過觀察可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)系統(tǒng)的輸出進(jìn)入穩(wěn)態(tài)之后，J2、J3的值都為0，所以假設(shè)驅(qū)動(dòng)電機(jī)的轉(zhuǎn)速輸入量為ω，采樣區(qū)間為t，遍歷基于最優(yōu)解PID參數(shù)的求解過程中的輸出量為ωout，則認(rèn)為ωout－ω的符號(hào)發(fā)生2次變化或值為0持續(xù)一定數(shù)目個(gè)采樣周期時(shí)，基于該采樣區(qū)間得出的適合度函數(shù)值是可信的，此時(shí)置信判據(jù)z＝1，否則z＝0。

4）對(duì)遺傳操作的優(yōu)化。在整定PID參數(shù)時(shí)，為了更快地得到最優(yōu)解，可以輸入PID參數(shù)作為參考解，在參考解的基礎(chǔ)上進(jìn)行變異，產(chǎn)生第1個(gè)種群的世代。為了得到多樣化的遺傳信息，第1次變異的幾率設(shè)置較大，本文中定為0．4。

參考M．Srinivas提出的交叉及變異的自適應(yīng)遺傳操作方法［14］，使用一種取種群適合度平均數(shù)做比較的方法對(duì)交叉和變異概率進(jìn)行改進(jìn)，其公式為

式（6）、（7）中：P′c為經(jīng)調(diào)整后的交叉概率；P′m為經(jīng)調(diào)整后的變異概率；Pc為設(shè)定的交叉概率，取0．4；Pm為設(shè)定的變異概率，取0．05；fmax為當(dāng)前世代種群中的最大適合度；favg為當(dāng)前世代種群中50個(gè)個(gè)體的平均適合度；fc為當(dāng)前操作個(gè)體的適合度；fm為經(jīng)調(diào)整后操作個(gè)體的適合度。

由式（6）、（7）可以看出，將個(gè)體的適合度看作交叉和變異概率劃分的首要條件，當(dāng)前操作個(gè)體的適合度較大時(shí)，將交叉概率和變異概率的值設(shè)定較小，保護(hù)優(yōu)秀個(gè)體；反之，將交叉概率和變異概率調(diào)小。同時(shí)，對(duì)于優(yōu)秀個(gè)體還需要考慮種群適合度的集中程度的影響，當(dāng)fmax－favg較大時(shí)，可以認(rèn)為種群比較分散，交叉概率較大，變異概率較小，加速進(jìn)化速度；反之，當(dāng)fmax－favg較小時(shí)，種群的個(gè)體之間比較相似，可以減小交叉概率，增大變異概率，防止種群進(jìn)入局部最優(yōu)。

3 仿真及結(jié)果分析

3．1 聯(lián)合仿真模型搭建

為了得到符合實(shí)際工況的仿真結(jié)果以驗(yàn)證前文所提出的多電機(jī)控制策略，本文使用Adams建立閥門執(zhí)行機(jī)構(gòu)的動(dòng)力學(xué)模型，并導(dǎo)入Simulink中對(duì)閥門的不同工作狀態(tài)進(jìn)行聯(lián)合仿真。仿真模型假設(shè)條件如下：

1）由于執(zhí)行器齒輪組質(zhì)量較大，Adams中沖擊接觸力模型對(duì)總能量也有一定的消耗，而在電機(jī)電流環(huán)響應(yīng)速度不變的情況下，速度環(huán)的變換較緩慢，位置誤差較小，所以本文的虛擬樣機(jī)仿真是在空載的情況下進(jìn)行，以便能夠更好地觀察比較控制性能。

2）為了簡化仿真模型，本文的全電式水下閥門驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)采用雙電機(jī)冗余驅(qū)動(dòng)，永磁同步電機(jī)模型選用MAXON Motor公司提供的EC－4pole系列永磁同步電機(jī)，其特征屬性見表1。

表1 仿真用永磁同步電機(jī)的特征屬性Table 1 Simulation with the characteristic attribute of the permanent magnet synchronous motor

根據(jù)控制器設(shè)計(jì)搭建永磁同步電機(jī)的控制框圖，其中永磁同步電機(jī)使用矢量控制的方式驅(qū)動(dòng)，速度環(huán)的控制可以使用Simulink軟件提供的fuzzy工具箱設(shè)置模糊PID控制器中參數(shù)的模糊推理以及解模糊化，利用搭建的遺傳算法模塊進(jìn)行模糊PID的離線整定。模糊PID子系統(tǒng)如圖4所示。

在完成模糊控制器的搭建并建立電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊之后，通過導(dǎo)入永磁同步電機(jī)模塊，從而完成虛擬樣機(jī)的搭建。利用帶有Simulink接口的Adams模塊，完成Simulink和Adams的聯(lián)合仿真，其框圖如圖5所示。

該聯(lián)合仿真帶有位移環(huán)反饋，其中Adams輸出的速度為rad／s，而PMSM模塊的輸入輸出量均為°／s，所以為了方便起見，要對(duì)Adams的輸入輸出變量進(jìn)行單位換算，換算函數(shù)值如表2所示。

3．2 不同情況下的輸出結(jié)果分析

1）階躍響應(yīng)信號(hào)。給定幅值為180°的階躍響應(yīng)信號(hào)作為從動(dòng)齒輪的目標(biāo)位置，模擬從動(dòng)齒輪在固定目標(biāo)位置情況下的工作情況，結(jié)果如圖6所示。

圖4 模糊PID子系統(tǒng)框圖Fig．4 Subsystem diagram of fuzzy PID

圖5 Simulink和Adams聯(lián)合仿真框圖Fig．5 Joint simulation diagram of Simulink and Adams

表2 Adams輸入／輸出變量表Table 2 Variable table of Adams input／output

從圖6可以看出，驅(qū)動(dòng)電機(jī)的轉(zhuǎn)速在電流限幅的作用下以一個(gè)穩(wěn)定的斜率在0．3 s之內(nèi)迅速地達(dá)到7 800°／s；此后，由于轉(zhuǎn)速環(huán)的限制，驅(qū)動(dòng)電機(jī)的轉(zhuǎn)速保持在7 800°／s左右，并持續(xù)減小位置誤差；當(dāng)從動(dòng)齒輪的位置接近設(shè)定的目標(biāo)位置時(shí)，電機(jī)轉(zhuǎn)速逐漸降低，避免超調(diào)。由于主動(dòng)齒輪由Simulink中永磁同步電機(jī)模塊產(chǎn)生的轉(zhuǎn)速變量直接驅(qū)動(dòng)，所以2個(gè)主動(dòng)齒輪的旋轉(zhuǎn)和永磁同步電機(jī)的輸出保持一致，而從動(dòng)齒輪的轉(zhuǎn)速和位置完全由Adams模塊計(jì)算，故從動(dòng)齒輪的輸出在3°的范圍內(nèi)產(chǎn)生周期性的擺動(dòng)。整個(gè)調(diào)節(jié)過程總的調(diào)節(jié)時(shí)間為1．43 s，最大穩(wěn)態(tài)誤差為0（精度0．1°／s），速度環(huán)的最大超調(diào)量為0．33%，位置環(huán)的最大超調(diào)量為0（精度0．1°）。

2）斜坡信號(hào)。給定一個(gè)斜率為12°／s的斜坡信號(hào)作為從動(dòng)齒輪的目標(biāo)速度，模擬從動(dòng)齒輪在固定目標(biāo)速度的情況下的工作情況，結(jié)果如圖7所示。

從圖7可以看出，與階躍信號(hào)的情況類似，驅(qū)動(dòng)電機(jī)在信號(hào)輸入之后的0．2 s內(nèi)快速達(dá)到了轉(zhuǎn)速峰值，并在此后的0．3 s內(nèi)降低至穩(wěn)定狀態(tài)；但不同之處在于驅(qū)動(dòng)電機(jī)的轉(zhuǎn)速是由速度環(huán)輸出的反饋信號(hào)決定的，故轉(zhuǎn)速不會(huì)直接達(dá)到驅(qū)動(dòng)電機(jī)的最大峰值7 800°／s，其轉(zhuǎn)速峰值由設(shè)定的從動(dòng)齒輪的轉(zhuǎn)速?zèng)Q定。

圖6 階躍信號(hào)輸入下的輸出情況Fig．6 Output under step signal input

3）電機(jī)失效情況。雙電機(jī)冗余驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)的目的就是為了給系統(tǒng)在電機(jī)失效的情況下提供備用的驅(qū)動(dòng)，讓閘閥仍然可以正常開關(guān)，維持油氣生產(chǎn)的正常進(jìn)行。當(dāng)電機(jī)失效時(shí)，在不考慮減速器反轉(zhuǎn)產(chǎn)生的摩擦力的情況下，電機(jī)及與其配合的傳動(dòng)齒輪可以視作負(fù)載，會(huì)對(duì)閥門的開啟或關(guān)閉產(chǎn)生一定的擾動(dòng)，而該擾動(dòng)反映在位置輸出上又會(huì)被反饋給電機(jī)的位置環(huán)，情況較為復(fù)雜。為了研究電機(jī)失效的應(yīng)急工作狀態(tài)，搭建了虛擬樣機(jī)對(duì)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)進(jìn)行仿真，通過改變輸入量來模擬齒輪失效的應(yīng)急工作狀態(tài)。

對(duì)圖5中的Adams＿sub模塊進(jìn)行修改，刪除脈寬調(diào)制逆變器2的轉(zhuǎn)速輸出2，保留永磁同步電機(jī)1的轉(zhuǎn)速輸出。給定幅值為180°的階躍響應(yīng)信號(hào)作為從動(dòng)齒輪的目標(biāo)位置，模擬從動(dòng)齒輪在固定目標(biāo)位置及單電機(jī)失效情況下的工作情況，結(jié)果如圖8所示。

圖7 斜坡信號(hào)輸入下的輸出情況Fig．7 Output under the ramp signal input

圖8 電機(jī)失效情況下的輸出情況Fig．8 Output in case of motor failure condition

從圖8可以看出，驅(qū)動(dòng)電機(jī)的轉(zhuǎn)速和從動(dòng)齒輪位置的調(diào)整過程是比較類似的；在電機(jī)失效的情況下，主動(dòng)齒輪2在該系統(tǒng)中變?yōu)榱素?fù)載，故系統(tǒng)負(fù)載變大，驅(qū)動(dòng)電機(jī)在功率不變的情況下的轉(zhuǎn)速峰值低于7 800°／s，且主動(dòng)齒輪2的轉(zhuǎn)速和驅(qū)動(dòng)電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)速之間的差值保持一個(gè)周期性的震蕩；從動(dòng)齒輪的轉(zhuǎn)速輸出依然存在和圖6c中類似的震蕩，不過因?yàn)橹鲃?dòng)齒輪2沒有功率輸入，相當(dāng)于增大了負(fù)載的質(zhì)量，所以該震蕩的幅值在1．5°左右，小于圖6c中的幅值，且達(dá)到設(shè)定從動(dòng)齒輪位置的時(shí)間也較長。

通過以上仿真分析可知，本文提出的驅(qū)動(dòng)控制策略對(duì)于速度環(huán)反應(yīng)較迅速，對(duì)于位置環(huán)無超調(diào)，符合全電式水下閥門執(zhí)行器多電機(jī)同步控制要求。

4 結(jié)論

1）通過對(duì)全電式水下控制系統(tǒng)的研究，參考國外的相關(guān)產(chǎn)品，結(jié)合全電式水下控制系統(tǒng)的特殊性能要求，完成了全電式水下閥門執(zhí)行器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，提出采用多電機(jī)的冗余布置方式以增加閥門執(zhí)行器的可靠性。

2）提出了基于多電機(jī)偏差耦合結(jié)構(gòu)的模糊PID多電機(jī)同步控制方法，采用時(shí)間誤差絕對(duì)積分指標(biāo)對(duì)模糊PID控制器的參數(shù)進(jìn)行了評(píng)估，采用遺傳算法對(duì)參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化，引入置信度對(duì)計(jì)算過程進(jìn)行了優(yōu)化，縮短了尋優(yōu)計(jì)算量，最終實(shí)現(xiàn)了多電機(jī)同步控制。

3）對(duì)閥門不同工作情況下的響應(yīng)進(jìn)行了仿真，結(jié)果表明本文提出的多電機(jī)同步控制方法可以滿足全電式水下閥門執(zhí)行器的工作要求。

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Design of an all－electric subsea valve actuator and the strategy for multi－motor synchronous control

WANG Xiangyu1LIU Peilin2JIA Peng1ZHANG Lei2WANG Honghai1WANG Su1
（1．College of Mechanical and Electrical Engineering，Harbin Engineering University，Harbin，Heilongjiang150001，China；2．Offshore Oil Engineering Co．Ltd．，Tianjin 300451，China）

Based on the study on the all－electric subsea control system，the structure design of an all－electric subsea valve actuator is completed with reference to the related products abroad．In order to enhance the reliability of the valve actuator，it is proposed that the multi－motor redundant way be used to drive the valve．On the basis of the research on redundant drive control method，a fuzzy PID control approach based on genetic algorithm to optimize the time error integral is proposed；and the confidence degree is introduced to optimize the calculation process which shortens the optimization calculation and realizes the multi－motor synchronous control．The dynamic model of the valve actuator is established by using Adams，and Simulink was used to jointly simulate the response of the valve under different working conditions．The results show that the all－electric subsea valve actuator can be driven by the multi－motor redundant way and meet the subsea control requirements．

all－electric subsea valve actuator；structure design；multi－motor redundant drive；genetic algorithm；time error integral；fuzzy PID control method；joint simulation

TE953

A

王向宇，劉培林，賈鵬，等．全電式水下閥門執(zhí)行器設(shè)計(jì)及多電機(jī)同步控制策略研究［J］．中國海上油氣，2017，29（5）：149－156．

WANG Xiangyu，LIU Peilin，JIA Peng，et al．Design of an all－electric subsea valve actuator and the strategy for multi－motor synchronous control［J］．China Offshore Oil and Gas，2017，29（5）：149－156．

1673－1506（2017）05－0149－08

10．11935／j．issn．1673－1506．2017．05．021

＊工信部海洋工程裝備科研項(xiàng)目“水下控制系統(tǒng)與關(guān)鍵設(shè)備研發(fā)”、工信部海洋工程裝備科研項(xiàng)目“水下控制系統(tǒng)對(duì)接盤、鎖緊結(jié)構(gòu)研制”，中央高?；稹靶滦蛷?fù)合式頂張式立管關(guān)鍵技術(shù)研究（編號(hào)：HEUCFP201727）”、中央高?；稹吧钏鳂I(yè)系統(tǒng)快速換接裝置及其智能力／位混合控制研究（編號(hào)：HEUCF170703）”部分研究成果。

王向宇，男，在讀博士研究生，主要從事水下智能機(jī)械和機(jī)器人控制技術(shù)的研究。地址：哈爾濱市南崗區(qū)南通大街145號(hào)哈爾濱工程大學(xué)61號(hào)樓（郵編：150001）。E－mail：wangxiangyu325＠126．com。

劉培林，男，教授級(jí)高級(jí)工程師，1988年畢業(yè)于石油大學(xué)（華東），現(xiàn)主要從事海洋石油研究設(shè)計(jì)工作。地址：天津市塘沽區(qū)丹江路1078號(hào)616信箱（郵編：300451）。E－mail：peilin＠m(xù)ail．cooec．com．cn。

2016－08－11 改回日期：2017－04－10

（編輯：呂歡歡）