适应于变化海况的动力定位混合控制器的研究

论文摘要

随着人类向深海进军,动力定位系统越来越广泛地应用与海上作业船舶(海洋考察船、半潜船等)、海上平台(海洋钻井平台等)、水下潜器(ROV)和军用舰船(布雷舰、潜艇母船等)。它一般由位置测量系统,控制系统,推力系统三部分构成。位置测量系统(传感器)测量当前船位,控制器根据测量船位与期望值的偏差,计算出抗拒环境于扰力(风、浪、流)使船舶恢复到期望位置所需的推力,推力系统进行能量管理并对各推力器的推力进行分配,推力器产生的推力使船舶(平台)在风浪流的干扰下保持设定的航向和船位。动力定位系统的核心是控制技术,它标志着动力定位系统的发展水平。船舶动力定位系统在海上进行作业时,要求系统有能力在不同的海况下良好的运行,满足不同任务的需要,并具有可靠性与经济性,同时扩大船舶在海洋中的可操作天气范围,延长船舶海洋中的可运行时间。面对这种过程动态变化大的实际情况,传统的单一动力定位控制器存在着效率低的问题,因此,本文中引入了混合控制概念。本文在合理假设的条件下,通过对船舶的运动学和动力学的分析,建立了动力定位船舶数学模型。通过研究螺旋桨和舵的特性,给出了推进器数学模型。针对二阶波浪漂移力这一慢变的环境力,给出了环境力的估计模型。基于线性条件与非线性条件下的监督切换控制理论,研究了线性系统与非线性系统的驻留时间切换逻辑以及非线性系统的滞环切换逻辑。然后,通过引入动力定位混合控制这一新概念,即将一些满足不同控制目标的控制器进行结合,集成了混合动力定位控制系统,用以克服传统的单一控制器控制性能的局限性,改善动力定位系统在变化海况条件下的安全性和可操作性,针对某一船舶模型,设计了动力定位混合控制器与观测器,并证明了系统的稳定性。最后,通过仿真试验,验证了所提出的动力定位混合控制器在变化海况下的有效性和可行性。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题的研究意义
• 1.2 国内外研究现状
• 1.2.1 国外研究现状
• 1.2.2 国内研究现状
• 1.3 本文主要内容
• 第2章 动力定位船舶的数学建模
• 2.1 引言
• 2.2 空间描述
• 2.2.1 地球固定坐标系
• 2.2.2 运动坐标系
• 2.3 船舶运动学模型
• 2.4 船舶动力学模型
• 2.4.1 船舶低频运动数学模型
• 2.4.2 船舶高频运动数学模型
• 2.5 推进器数学模型
• 2.5.1 螺旋桨计算模型
• 2.5.2 舵计算模型
• 2.6 环境干扰力数学模型
• 2.6.1 风的数学模型
• 2.6.2 海流数学模型
• 2.6.3 海浪数学模型
• 2.7 本章小结
• 第3章 监督切换控制系统的基本理论
• 3.1 概述
• 3.1.1 监督控制
• 3.1.2 自适应监督控制
• 3.1.3 监督器理论
• 3.2 基于估计器的线性监督控制
• 3.2.1 线性控制对象及控制器
• 3.2.2 多估计器及多控制器集合
• 3.2.3 线性注入系统
• 3.2.4 驻留时间切换逻辑及其属性
• 3.3 基于估计器的非线性监督控制
• 3.3.1 非线性控制对象以及控制器的选择
• 3.3.2 多估计器组
• 3.3.3 非线性注入系统
• 3.3.4 非线性滞环切换逻辑
• 3.4 本章小结
• 第4章 动力定位船舶的混合控制器的设计
• 4.1 混合控制器系统的定义
• 4.2 混合控制器系统控制器以及观测器的设计
• 4.2.1 一般海况下的控制器以及观测器的设计
• 4.2.2 第n级海况（极端海况）下的控制器以及观测器的设计
• 4.2.3 第n-1级海况下控制器的设计
• 4.3 滞环切换逻辑的设计
• 4.4 系统的稳定性分析
• 4.5 本章小结
• 第5章 动力定位混合控制器系统的仿真验证
• 5.1 本文采用的船舶模型及其模型验证
• 5.2 海况等级划分及仿真时间说明
• 5.3 动力定位混合控制器的仿真结果
• 5.4 动力定位混合控制器的仿真结果
• 5.5 单一PID控制器与混合控制器的比较
• 5.6 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表的论文和取得的科研成果
• 致谢