海洋中蕴藏着丰富的资源,随着我国逐步的加快向海洋进军的步伐,急需研发相关的海洋工程装备,其中钻井船钻柱升沉补偿装置是浮式海洋钻井的重要装备,它能够使井底钻压免受船体升沉的影响,为钻进作业的正常进行提供可靠的保障,从而延长了海上作业时间,带来巨大的经济效益。随着液压传动及控制技术的发展,钻柱升沉补偿装置经历了以下几个发展阶段：第一由大型的气液弹簧组成的被动式补偿装置,主要特点是不需要额外的提供能量,但补偿精度低,需要的高压气体体积太大,占用了较大的甲板面积：第二,在被动式的基础上增加了电液比例或伺服控制回路组成主动式补偿器(国内称为半主动式),主要特点是需要额外的提供能量,但补偿精度高(可达到被动式的十倍),同时所需的高压气体体积也相对减少：第三,各种减小高压气体体积的改进措施不断出现,除了加入主动补偿回路外,还有尤尼克转换器,变半径曲线滑轮机构;第四,打破传统的钻柱升沉补偿装置的设计理念,开发了主动绞车式钻柱升沉补偿器,液压升降型钻机等新型钻柱升沉补偿装置。钻柱升沉补偿装置作为一种大型的海洋工程装备,其研发主要存在以下几个关键问题：第一,如何确定补偿器的设计指标及主要的结构参数。海况是不断变化的,而且补偿器的作业地点也是变化的,这就导致在设计初期往往难以权衡补偿器的补偿能力与实际工况要求之间的关系,本文在充分的分析比较国外经过实际检验的成熟产品参数的基础上,给出了钻柱升沉补偿器的系列化的设计指标,以方便设计人员选取；第二,由于钻柱升沉补偿器是一种结构大,压力高的装备,需要保证其安全有效的工作,必须要有相关的故障检测及保护措施；第三,主动补偿部分控制系统的设计,需要有多个工作模式,每个工作模式对应不同的补偿目标,不同工作模式之间的切换及控制器的设计是其难点。本文在详细的比较分析国外成熟的钻柱升沉补偿系统的产品的基础上,提出我国的钻柱升沉补偿器应向模块化、通用化及系列化方向发展；对国外两种不同结构形式的主动式(国内称为半主动式)的钻柱升沉补偿装置进行力学分析,在结合不同的控制策略的基础上,得出主动补偿部分所需执行力的表达式,并进行归纳总结,其结论可直接供设计人员参考；详细的介绍了半主动式钻柱升沉补偿装置的参数计算过程,主要分为被动部分参数计算,被动部分性能验证和主动部分参数计算三个部分,其计算思路可供设计人员参考；设计了两套模拟试验装置,由简单到复杂,先后采用比例阀和伺服阀组成补偿回路,逐步提高其补偿的响应速度：采用实时控制系统开发测试平台xPC Target来进行控制系统的开发,并设计了P1D控制达到了较好的控制效果。下面对各章的内容进行简单的介绍：第一章绪论,首先分析了钻柱升沉补偿装置在钻进工作和绳索作业时的工作原理,接着按照不同的分类方法对钻柱补偿器进行全方位的介绍,指出了钻柱升沉补偿装置在发展过程中所存在的高压气体体积过大的问题及相关改进方法—尤尼克转换器;介绍了国外钻柱升沉补偿器的发展历程,对各种不同结构的补偿器进行比较分析,在此基础上概括其发展趋势——模块化、通用化、系列化,最后对我国的钻柱升沉补偿装置的发展提出了合理的建议。第二章首先介绍了升沉补偿装置的主要参数(补偿负载、补偿位移、周期及气液弹簧刚度)的概念和特点;在对国外成熟的产品参数进行归纳总结的基础上,得出其系列化的设计参数,以方便设计人员在设计石油钻井用钻柱升沉补偿器时选用；接着对钻杆柱的建模方法进行了概述,解释了其复杂的受力状态,最后运用力学分析的方法对钻柱升沉补偿系统的补偿机理进行深入的阐述,对国外的主动式(国内称为半主动式)钻柱补偿器的结构进行概括,归纳出“并联式”和“串联式”两种结构,运用达朗伯原理,结合不同的补偿策略,得出了主动补偿部分所需执行力的表达式,为半主动式钻柱升沉补偿装置的设计提供了参考依据；同时得出如下结论：在半主动式升沉补偿系统中,被动补偿部分所起的作用是支撑钻柱的大部分质量,主动补偿部分只是用来补偿各种力的变化量。第三章,根据特殊的设计要求,对串联式的半主动钻柱升沉补偿装置进行参数的计算,先进行被动部分的参数计算,在预估其体积相对变化量后运用Simulink对被动部分的补偿效果进行了验证,在证明被动部分能够大幅度的减小船体升沉的影响后,计算主动部分的参数;其计算方法和思路可供设计人员进行参考。对主动式和半主动式的功率进行了比较,结果表明采用半主动升沉补偿系统所需要的功率大约只有纯主动补偿系统的5.85%和7.31%,半主动式大大的节约了能量;最后依据计算数据,提出在控制系统设计时,应选择控制升沉补偿系统的输出压力恒定作为控制目标,因为此时所需的主动控制力的大小和所消耗的负载功率最小。第四章设计了钻柱升沉补偿装置的模拟试验,遵循由简单到复杂的原则。前期使用比例方向阀组成补偿回路,利用普通电磁换向阀回路来模拟船体的升沉,其“船体”的升沉近似匀速运动；后期使用伺服阀来组成补偿回路,利用伺服电机通过滚珠丝杠带动补偿缸体运动来模拟船体的升沉,控制“船体”按照正弦曲线规律运动,从前期到后期逐步的提高船体升沉运动的频率；利用Simulink中的xPC Target模块搭建了主机-目标机实时控制系统,进行模拟试验装置的控制系统的开发测试,设计了PID控制回路,达到了良好的控制效果。