不同海況條件下船舶動力定位混合控制系統(tǒng)設計.pdf

1、隨著科學技術的不斷發(fā)展進步，海洋資源特別是遠海、深海石油和天然氣資源的開采日益受到重視。比起近海作業(yè)，遠海、深海海洋環(huán)境條件更惡劣，環(huán)境載荷更大，對海上作業(yè)的結構物定位系統(tǒng)的要求更高。傳統(tǒng)的系泊定位系統(tǒng)因其本身的局限性，如定位精度不高，機動性差，錨鏈造價和安裝費成本較高，特別是定位能力受水深及海底情況的限制等，已經(jīng)無法滿足遠海、深海作業(yè)的定位要求。作為一種更適合深海浮式結構物位置保持和航跡跟蹤的定位方法，采用推進器的動力定位系統(tǒng)迅速發(fā)展

2、并逐漸取代傳統(tǒng)的系泊系統(tǒng)，成為深海浮式結構和船舶的主要定位方式。動力定位系統(tǒng)對各種海洋工程作業(yè)，特別是深海作業(yè)，如深海油氣開發(fā)、海底勘探、海底鋪管布纜、海底礦物質采集等顯示出越來越重要的作用。
　　船舶動力定位系統(tǒng)主要包括傳感測量系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、推進系統(tǒng)等幾大部分，其中控制系統(tǒng)是動力定位系統(tǒng)的核心。以往的船舶動力定位控制系統(tǒng)設計研究大多針對某種特定的海洋環(huán)境條件下的動力定位系統(tǒng)，采用固定控制算法和模型的觀測器及控制器，很少有研究多

3、種復雜海洋環(huán)境條件下的控制系統(tǒng)設計。針對這種情況，本文為船舶動力定位控制系統(tǒng)設計了滿足不同海況條件下工作任務要求的系統(tǒng)觀測器和控制器，引入開關邏輯算法設計混合控制器，建立可以在多種海況條件下自動切換控制算法和模型的動力定位混合控制系統(tǒng)，并通過計算機仿真驗證所設計的控制器的控制效果。
　　首先，建立船舶動力定位控制系統(tǒng)的數(shù)學模型，包括風、浪和流環(huán)境載荷模型以及船舶運動模型。其中，風載荷近似為高斯白噪聲干擾并以前饋的形式加入模型。浪載

4、荷模型分為幅值很大的高頻一階波浪載荷和幅值相對較小且緩慢變化的低頻二階波浪載荷分別處理。考慮到推進器的能耗和磨損情況，一階波浪力是控制系統(tǒng)中要重點建模和濾波的對象，也是本文中主要的環(huán)境載荷。流載荷因其復雜的物理特性，很難用建模方法進行模擬，文中對此進行了簡化處理。
　　其次，在模擬四種級別典型海況的基礎上，針對每種海況分別設計了合適的觀測器和控制器，建立了四個完整的控制反饋回路。通過分析比較三種不同的濾波算法，即常用的低通濾波算法

5、，卡爾曼濾波算法以及非線性被動濾波算法，選擇合適的濾波模型消除了一階波浪干擾作用。
　　再次，考慮介于中等級別海況和極端海況之間的第三種海況，通過權值分配來綜合第二和第四種海況下設計的控制器，單獨為其設計了控制器。又考慮到第四種海況下一階波浪力基頻相對較低使設計的濾波器陷波頻率落在系統(tǒng)低頻運動頻寬內(nèi)，改進前三種海況的觀測器模型以保留一階波浪力作用。
　　最后，通過一種尺度獨立的時滯開關邏輯，將四個不同海況條件下的控制模型融合