丰富的海洋石油资源吸引了全球各个国家去探索发掘,而确保海洋作业安全高效进行是海洋石油事业发展的必备条件。升沉补偿装置作为其主要装置之一,由于其应用的重要性和广泛性,近年来得到了较快发展。但我国海上作业使用的升沉补偿系统仍然主要靠国外进口,不仅技术受制于人,还价格昂贵,费时误工。因此,为了提升我国海洋工程的开发能力、维护我国海洋权益,研制具有我国自主知识产权的升沉补偿装置迫在眉睫。升沉补偿装置作为海洋钻井平台必备的辅助设备,其性能的优劣直接决定钻进质量的好坏和施工安全。本文以基于恒张力原理的绞车主动补偿装置作为升沉补偿设计方案,围绕提高升沉补偿效果这一核心目标,展开了对绞车结构设计、控制理论模型建立、上位机软件编写及伺服系统设计及调试等方面的研究工作。(1)针对海洋钻井平台升沉补偿装置查阅了大量文献和资料,对现有产品的原理、结构和动力形式做了归纳总结,指出了各类产品在实际应用过程中存在的不足。对我国海洋矿区的气候条件进行了调查,并对钻进系统在海浪作用下的运动状态进行了分析。最后以上述调查分析为依据提出了基于恒张力原理的绞车主动升沉补偿器的整体设计方案,并确定了升沉补偿系统的参数。(2)现有的升沉补偿装置大多采用液压系统提供动力,因此存在着设备占用空间大,响应速度慢等问题。本文针对这一问题,设计了适用于海洋钻井平台升沉补偿系统的电动伺服绞车。根据相似原理确定了实验绞车模型的基本参数和结构。该绞车基本结构主要由伺服电机、减速器、电磁离合器、卷筒等组成。绞车利用伺服电机提供动力,并通过减速器、电磁离合器传至卷筒,从而实现卷筒的转动；卷筒总成采用内藏式结构,伺服电机、减速器及电磁离合器均内嵌在绞车卷筒内部,卷筒总成通过左、右支撑板固定在底座上；卷筒总成的左端连有制动器,制动器输出轴的左端与挂轮调速链相连,挂轮调速链的输出端是排绳器的双向螺杆;绞车卷筒每旋转一周,排绳器就沿卷筒的轴向移动一个绳宽,当排绳器到达绞车卷筒边缘时作反向运动,排绳器往返运动,从而达到整齐均匀排绳、放绳的目的。(3)升沉补偿绞车的控制过程：首先要根据地层钻进要求确定钻压,然后根据钻压确定钢丝绳的张力值,以此作为系统的控制对象。系统将实时检测的张力值与设定值进行比较,得到二者的偏差及偏差变化率,计算机通过模糊PID控制算法进行计算,将得到的控制量输入到伺服控制器,伺服控制器将控制量转换为相应的电压输入到伺服电机驱动的绞车,对伺服绞车的转向、转速、转矩进行控制,以维持钢丝绳张力值的恒定,从而为钻进系统提供正常钻进所需的钻压。针对上述控制需求,建立了控制系统的数学模型,并利用MATLAB软件进行了仿真分析。仿真结果表明,利用模糊PID控制后,系统的超调量明显减少,有更高的控制精度,且抗干扰能力明显较强。因此,利用模糊PID进行控制,不仅可以提高整个系统的控制精度,而且对于本文这种具有对象建模的不准确性及遭受各种外来干扰而导致的不稳定的复杂系统具有较强的鲁棒性。(4)根据海洋环境、装置自身参数及功能需求特点,以实验绞车模型为实验对象,构建了以NI工控机、PCIe6363数据采集卡、NI7350运动控制卡和其他调理电路组成的硬件系统,编写了基于LabVVIEW平台及Fuzzy-PID工具包的模糊PID控制程序,完成了各功能模块的基本动作控制任务。将搭建完成的绞车升沉补偿系统置于海浪模拟装置上进行了试验,试验结果表明,绞车运行平稳,样机结构满足控制需求。伺服电机能在控制程序的作用下进行准确动作,误差满足设计要求,张力检测程序能够较为准确、快速检测张力变化。模糊PID控制程序能够对输入进行快速、准确的响应,验证了理论分析的合理性。系统各模块均工作正常,基本达到系统的预定目标。本文的创新点：(1)采用恒张力绞车来实现钻柱升沉补偿功能,从而减小了升沉补偿设备的占地空间,提高了设备的响应速度。(2)将模糊控制算法应用于时变、非线性的钻井平台升沉补偿中,改善系统的鲁棒性,并提高控制的响应速度和精确度。