鋪管作業(yè)時(shí)動(dòng)力定位船循跡控制方法研究.pdf

1、隨著我國(guó)“海洋強(qiáng)國(guó)夢(mèng)”戰(zhàn)略構(gòu)想的提出，對(duì)深海油氣資源的探索與開(kāi)發(fā)重新被定義到了新的高度，與此同時(shí)，船舶與海洋工程技術(shù)逐漸成為相關(guān)領(lǐng)域科研人員的研究熱點(diǎn)。動(dòng)力定位技術(shù)作為一種無(wú)源定位技術(shù)以其良好的機(jī)動(dòng)性、可靠性以及不受作業(yè)水深的限制等優(yōu)點(diǎn)而廣泛應(yīng)用于各種海洋工程作業(yè)中。船舶動(dòng)力定位系統(tǒng)是指船舶可以通過(guò)計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)產(chǎn)生合理的控制指令并依靠自身的推進(jìn)器系統(tǒng)使船舶保持期望位置及艏向，鋪管船在進(jìn)行管道鋪設(shè)作業(yè)時(shí)，需緩慢沿預(yù)定規(guī)劃路徑精確循跡，因

2、此，鋪管船的鋪管作業(yè)過(guò)程必須在動(dòng)力定位系統(tǒng)的協(xié)同配合下完成。本文在前人的研究基礎(chǔ)上，結(jié)合相關(guān)工程實(shí)際，在理論層面上對(duì)S型鋪管船的建模、估計(jì)器的設(shè)計(jì)以及船舶動(dòng)力定位系統(tǒng)控制理論進(jìn)行了詳細(xì)研究。
　　本文首先建立了水平面三自由度鋪管船運(yùn)動(dòng)學(xué)與動(dòng)力學(xué)數(shù)學(xué)模型，以及包括風(fēng)、浪、流在內(nèi)的海洋環(huán)境模型，在此基礎(chǔ)上，給出了鋪管船進(jìn)行管道鋪設(shè)作業(yè)的仿真船型，并對(duì)該模型的正確性進(jìn)行了仿真驗(yàn)證。針對(duì)S型鋪管船管道鋪設(shè)作業(yè)的特點(diǎn)，提出了一種能夠在保持水

3、下管道關(guān)節(jié)間作用力平衡的前提下可實(shí)時(shí)反映出管道形態(tài)動(dòng)態(tài)變化的機(jī)械臂管道建模方法，建模過(guò)程中，管道及鋪管船被視為一個(gè)系統(tǒng)，并用最少的坐標(biāo)系通過(guò)機(jī)械臂方程的形式將系統(tǒng)描述出來(lái)，由此，基于機(jī)械臂的控制方法以及穩(wěn)定性分析思想可以直接應(yīng)用到控制系統(tǒng)中，然后設(shè)計(jì)了一種能夠保證系統(tǒng)無(wú)源性以及穩(wěn)定性的無(wú)源PD控制器。精準(zhǔn)的狀態(tài)估計(jì)器是鋪管船良好控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)基礎(chǔ)，針對(duì)鋪管船模型中存在的參數(shù)不確定性情況，提出了一種非線性無(wú)源估計(jì)器，該估計(jì)器不僅可以準(zhǔn)確估

4、計(jì)出未知環(huán)境干擾對(duì)鋪管船的作用力，而且可以自含有測(cè)量噪聲的測(cè)量值中精確觀測(cè)出鋪管船的低頻位姿、速度等信息。文中對(duì)所設(shè)計(jì)估計(jì)器的速度估計(jì)誤差回路進(jìn)行了無(wú)源性分析，并利用 Lyapunov穩(wěn)定性理論進(jìn)行了穩(wěn)定性分析，最后，仿真結(jié)果證明了本文所設(shè)計(jì)估計(jì)器在解決由非線性水動(dòng)力系數(shù)引起的不確定性問(wèn)題以及估計(jì)船舶低頻位姿和速度上的有效性，同時(shí)具有較高的估計(jì)精度。實(shí)際上，鋪管船在進(jìn)行管道鋪設(shè)作業(yè)過(guò)程中，管道期望鋪設(shè)軌跡與鋪管船期望軌跡并不一致，在假設(shè)

5、管道懸跨段長(zhǎng)度為定值的前提下，通過(guò)坐標(biāo)轉(zhuǎn)換建立起管道期望鋪設(shè)軌跡與鋪管船期望軌跡之間的幾何位置關(guān)系。為實(shí)現(xiàn)鋪管船能夠沿船舶期望路徑穩(wěn)定進(jìn)行循跡作業(yè)，本文設(shè)計(jì)了基于神經(jīng)動(dòng)態(tài)模型的鋪管船終端滑模循跡控制方法，針對(duì)傳統(tǒng)控制方法中存在的速度以及推進(jìn)器推力（力矩）跳變問(wèn)題，利用神經(jīng)動(dòng)態(tài)模型所具有的平滑、有界輸出特性，取速度偏差為滑模面，并以此滑模面為基礎(chǔ)設(shè)計(jì)了鋪管船的循跡控制方法，仿真結(jié)果表明，本文所設(shè)計(jì)的控制律在保證了循跡精度的前提下，彌補(bǔ)了傳