高海況下船舶動(dòng)力定位控制方法研究.pdf

1、隨著海洋資源的不斷開發(fā)以及其他海洋工程的需要，海洋工程船舶的作業(yè)范圍正在不斷的向深海、超深海深入，對(duì)工程船舶裝備的動(dòng)力定位系統(tǒng)的要求也越來也高。深海作業(yè)時(shí)工程船舶所遭受的海洋環(huán)境往往比近海更為惡劣，即經(jīng)常會(huì)工作于高海況下，適用于常規(guī)海況的船舶動(dòng)力定位控制策略并不能保證在高海況下達(dá)到同樣的控制效果。因此有必要針對(duì)高海況下船舶動(dòng)力定位控制方法展開研究，為高海況下船舶控制提出切實(shí)可行的控制策略。
　　到目前為止，并沒有針對(duì)高海況的確切定

2、義。本文中將高海況理解為仍處于船舶動(dòng)力定位系統(tǒng)可控范圍的惡劣海況，即此時(shí)通過改進(jìn)控制器控制策略仍能在一定程度上提升動(dòng)力定位系統(tǒng)的控制性能。海況是海風(fēng)、海浪、海流等海洋環(huán)境共同作用的結(jié)果。高海況下復(fù)雜的海洋環(huán)境具有更為顯著的不確定性、耦合性、時(shí)變性等特點(diǎn)，處于高海況下的船舶運(yùn)動(dòng)過程也就表現(xiàn)為更強(qiáng)的非線性特性。
　　針對(duì)以上提出的問題，本文主要進(jìn)行了以下幾個(gè)方面的研究工作：
　　首先，為了更準(zhǔn)確的描述高海況下船舶運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，在闡述

3、了耐波性理論與操縱性理論各自特點(diǎn)之后，基于統(tǒng)一性理論思想，建立了可用于描述不同海況下船舶運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的非線性統(tǒng)一數(shù)學(xué)模型，本文主要針對(duì)高海況。為了驗(yàn)證后續(xù)所設(shè)計(jì)控制器以及觀測器的性能，建立了相應(yīng)的海洋環(huán)境數(shù)學(xué)模型，其中對(duì)波浪負(fù)載的建模采取了波浪力幅值響應(yīng)算子方式，將波浪負(fù)載直接描述為作用于船舶上的一階波浪力和二階波浪力，更符合實(shí)際中的波浪負(fù)載的物理作用效果。
　　其次，針對(duì)高海況下波浪周期變長，頻率降低，難以分離出船舶運(yùn)動(dòng)的波頻成分，

4、基于非線性統(tǒng)一數(shù)學(xué)模型設(shè)計(jì)了一種專門適用于高海況的非線性無源觀測器，用以估計(jì)無法直接測量的船舶運(yùn)動(dòng)速度和偏差項(xiàng)。所設(shè)計(jì)觀測器具有與普通觀測器相似的無源性和穩(wěn)定性分析過程，在一定程度上降低了設(shè)計(jì)難度。
　　再次，鑒于已經(jīng)為高海況下的船舶運(yùn)動(dòng)建立了更為準(zhǔn)確的非線性統(tǒng)一數(shù)學(xué)模型，同時(shí)考慮到高海況下的船舶動(dòng)力定位控制問題屬于一類強(qiáng)非線性問題，因此將依賴于準(zhǔn)確數(shù)學(xué)模型并在處理非線性控制問題方面具有強(qiáng)大優(yōu)勢的反步控制方法應(yīng)用到高海況下船舶動(dòng)力

5、定位系統(tǒng)控制器的設(shè)計(jì)中去，通過選取恰當(dāng)?shù)臓顟B(tài)變量，構(gòu)造相應(yīng)的李雅普諾夫函數(shù)，推導(dǎo)得到了基于非線性統(tǒng)一數(shù)學(xué)模型的反步控制器。雖然采用了更為準(zhǔn)確的統(tǒng)一數(shù)學(xué)模型描述高海況下的船舶運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，但由于模型中的波浪力在實(shí)際中是無法直接測量的，并且考慮到高海況下復(fù)雜的海洋環(huán)境，總會(huì)存在不確定的未知環(huán)境干擾以及未建模動(dòng)態(tài)，為了提高高海況下船舶動(dòng)力定位系統(tǒng)控制器的魯棒性，將滑?？刂品椒☉?yīng)用到反步控制器中。針對(duì)引入滑模項(xiàng)后，控制力和力矩存在的抖振問題，利用準(zhǔn)

6、滑動(dòng)模態(tài)的邊界層設(shè)計(jì)方法進(jìn)行了去抖處理。
　　最后，基于Matlab/Simulink，在挪威科技大學(xué)開發(fā)的開源MSS（Marine Systems Simulator）海洋系統(tǒng)仿真工具包基礎(chǔ)上，針對(duì)以上控制器和觀測器的具體設(shè)計(jì)過程，分別搭建了高海況下反步控制器、去抖前反步滑模控制器、去抖后反步滑?？刂破饕约翱紤]非線性無源觀測器時(shí)的船舶動(dòng)力定位控制系統(tǒng)仿真平臺(tái)，并進(jìn)行了仿真結(jié)果的分析與討論，仿真結(jié)果表明所設(shè)計(jì)的控制器和觀測器能夠滿