随着陆上石油资源的逐渐枯竭，海上石油资源的开采得到了世界各国越来越多的重视，海上石油开采的相关技术和设备也得到了不断的发展。海洋钻井平台是进行海上油气开采的必要实现途径，排管机是海洋钻井平台的管处理系统的核心子系统，具有十分重要的作用。在排管机研制方面，欧美国家已有成熟的技术及工业产品，而我国目前主要依靠进口，在理论研究及工程应用方面都与欧美有着明显差距。本文针对国内海洋工程对于排管机的迫切需求，对海洋钻井平台排管机系统进行深入研究，这对于排管机系统工程化的尽快实现有着重要的意义。　　本文以中石油某单位科研项目为依托，研究的排管机系统可满足工作水深91-122m（300-400ft）的主流自升式钻井平台及部分半潜式钻井平台的要求，主要内容包括：　　1.阐述海洋钻井平台排管机的功能及管处理系统的组成。排管机的主要作用是在下钻过程中，1）将钻杆单根连接成钻杆立根，2）将钻杆立根排放至井架二层台指梁的指定位置，3）从指梁上抓取钻杆立根，并协助顶驱进行钻井作业；起钻过程中，将钻柱拆解成钻杆单根并移运至井架外的管子堆放区。与欧美国家相比，国内对海洋钻井平台排管机的研究只针对少数深水作业的大型钻井平台及陆地钻井平台，且对其控制系统的研究大都停留在单个设备层面，无法实现真正意义的管处理自动化，因此本文对排管机进行的系统设计、仿真分析和实验研究有着重要的实用价值。　　2.依据海洋钻井平台排管机的工作环境的作业要求，参考国际海洋工程相关的设计经验，确定管处理的最优流程，提出排管机的结构方案并完成各功能机构的设计。利用矢量封闭图形法，建立排管机手爪的运动学模型，得到各运动学变量的变化关系，利用仿真研究得到各主要机构的运动学曲线及手爪连杆间的运动关系。采用等效力学模型法，以手爪夹持臂为等效对象，对手爪进行动力学建模，利用仿真得到了手爪的动力学特性，并对其进行分析。　　3.考虑排管机工作于海洋环境，其与海风之间会存在强烈的流固耦合现象，为探究排管机中结构上的载荷以及流场中的速度矢量、压力和涡场的分布规律，基于流固耦合理论，通过利用格子Boltzmann方法复原Navier-Stokes方程组建立起结构与流场间的流固耦合简化模型，并开发相应的计算程序。以此为基础，引入大涡模拟的Smargorinsky模型，计入工作状态下管子所受的风载荷，对排管机关键部件的应力分布进行分析，得到其应力分析图。结合排管机所受的流场载荷及漩涡脱落规律，借助Abaqus软件对孤立的管子及夹持管子的排管机整体进行了模态分析。发现夹持管子的排管机是一种低频的振动结构，且其固有频率低于管子固有频率。排管机振动响应主要由若干低阶振动模态起控制作用，激发系统低阶响应的临界风速较小，并不会引起系统大的振动，可进一步证明排管机的结构设计可以满足其作业要求。　　4.以排管机的功能机构为研究对象，根据实际作业要求，完成了排管机的液压系统设计，建立了关键液压元件的数学模型，并从理论上分析了影响系统性能的参数。利用AMESim软件对主臂下降的稳定性及行走运动的同步性分别进行了建模及仿真研究：通过对比主臂下降中负载位移的多种仿真曲线，分析了不同先导控制形式的平衡阀对主臂下降稳定性的影响；根据行走运动中上部下部位移差异的仿真结果，分析出导致行走运动同步不理想的原因，并对以上两个问题提出了解决方案，实现系统优化。　　5.针对排管机作业空间小、运动关节多、并与多个设备配合使用的特点，设计排管机的操控方法、自动运行方法及其控制流程，并通过视景仿真平台对其进行仿真试验验证。排管机控制精度要求高，多个关节需同步运动以完成相应工序，并且夹持最长28m的管子，因此需严格限制系统的超调量与震荡。传统PID控制技术很难实现该任务，本文提出使用自整定模糊PID控制算法解决无超调高精度运动控制与关节同步运动问题。自整定模糊PID控制算法不依赖被控对象精确模型，控制灵活快速，实现了系统智能控制。通过Matlab/Simulink仿真对比，自整定模糊PID控制算法在超调量、响应速度、抗扰动性上远优于常规 PID控制算法，同时该算法运行对运行环境要求较低，适合在PLC系统上使用。