起重船模型预测动力定位控制的研究

论文摘要

随着人们对海洋的探索,海洋开发与建设事业日益发展,起重船成为海洋全方位开发必不可少的工具。起重船的作业环境十分复杂,并且,随着起重船的大型化,它的工作地点也逐渐向深海扩展,对船舶动力定位系统的精度要求越来越高。本文针对起重船的作业特点,建立起重船数学模型并对其进行仿真验证；在起重船动力定位控制器的设计中引入了先进的模型预测控制技术,使用模型预测控制算法能够预测扰动力对船舶运动的影响,用控制器对扰动力影响进行补偿,进而使起重船根据海洋环境的变化来调整位置,提高起重船的作业效率,实现起重船运动的平稳控制,保证了作业的安全可靠。本文基于合理的假定条件降低起重船模型的复杂度,仅对吊物系统部分考虑,以Thor I.Fossen所提出的船舶动力定位系统运动模型为基础,建立三自由度起重船数学模型并实现了仿真验证。本文针对外界扰动力设计模型预测控制器。针对风、浪、流等海洋环境作用力及力矩建立了环境扰动力模型,起重船吊索会受到环境干扰产生偏角对船造成外力扰动,利用球摆模型建立吊索张力模型,然后针对这些外界扰动力设计模型预测控制器。本文基于动态矩阵控制算法(以下简称DMC)实现了模型预测控制。这一算法对外界干扰信号以及输入输出约束条件具有很好的处理效果。为了使控制系统得到更加理想的控制效果,本文在DMC算法中引入了PID控制理论,采用加入了PID形式稳态误差加权项的性能指标,得到改进的DMC算法,据此设计了改进的模型预测控制器。最后,本文在MATLAB平台下对模型预测控制器进行仿真研究,验证了模型预测控制算法应用于起重船动力定位系统的有效性。这一控制器能够很好地处理推力器限制、操作区限制等约束条件,并实现了起重船运动的平稳控制。随后对改进的模型预测控制器进行仿真,结果表明,与原控制器相比,系统的动态响应加快、抗干扰能力得以提高,大大改善了控制器的控制效果。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第1章 绪论
• 1.1 课题的背景及选题的意义
• 1.2 国内外对本课题的研究
• 1.2.1 动力定位控制技术的发展状况
• 1.2.2 模型预测控制技术的发展状况
• 1.3 本文研究的主要内容
• 第2章 面向动力定位控制的起重船运动数学模型
• 2.1 引言
• 2.2 描述船舶运动的坐标系
• 2.3 船舶运动数学模型
• 2.3.1 船舶操纵运动方程
• 2.3.2 船舶的高、低频运动模型
• 2.4 起重船运动数学模型的建立与仿真
• 2.4.1 起重船运动数学模型的建立
• 2.4.2 本文采用的船舶模型
• 2.4.3 仿真船舶的模型验证
• 2.5 外界扰动力数学模型的建立
• 2.5.1 环境扰动力数学模型的建立
• 2.5.2 吊索张力数学模型的建立
• 2.6 本章小结
• 第3章 基于DMC的模型预测动力定位控制
• 3.1 模型预测控制的基本原理
• 3.1.1 预测模型
• 3.1.2 滚动优化
• 3.1.3 反馈校正
• 3.2 模型预测控制的优点
• 3.3 DMC算法
• 3.3.1 DMC算法的预测模型
• 3.3.2 基于预测状态空间模型的DMC算法
• 3.3.3 预测状态观测器
• 3.3.4 DMC系统的参数设定
• 3.3.5 DMC算法的实现
• 3.4 模型预测控制在起重船动力定位上的应用
• 3.4.1 起重船动力定位系统中的约束
• 3.4.2 基于模型预测控制方法实现动力定位系统约束处理的原理
• 3.5 本章小结
• 第4章 模型预测控制器仿真验证及改进
• 4.1 仿真条件与仿真实现
• 4.1.1 仿真条件
• 4.1.2 仿真实现
• 4.2 模型预测控制器仿真结果与分析
• 4.2.1 仿真1
• 4.2.2 仿真2
• 4.2.3 仿真3
• 4.3 DMC算法的改进
• 4.4 改进的模型预测控制器仿真结果与分析
• 4.5 本章小结
• 结论
• 攻读硕士学位期间发表的论文和取得的科研成果
• 参考文献
• 致谢