多動(dòng)力定位船的協(xié)調(diào)編隊(duì)控制方法研究.pdf

1、隨著對(duì)海洋資源的不斷開(kāi)發(fā)和利用，現(xiàn)已逐漸從淺海域向深海域躍進(jìn)，伴隨而來(lái)的是對(duì)海上作業(yè)的效率和對(duì)海洋資源開(kāi)發(fā)的自動(dòng)化程度提出了更高的要求。盡管船舶動(dòng)力定位技術(shù)發(fā)展迅速，然而單艘船舶的作業(yè)能力畢竟有限，并且由于能源的限制，單艘船舶可作業(yè)的時(shí)間比較短。在實(shí)際應(yīng)用中往往需要多艘船舶相互協(xié)調(diào)，共同完成某復(fù)雜任務(wù)。另外相對(duì)于單艘船舶，多艘船舶相互協(xié)調(diào)作業(yè)有著許多潛在的優(yōu)勢(shì)：可以提高作業(yè)的效率，具有容錯(cuò)性強(qiáng)和適應(yīng)性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。因此對(duì)多動(dòng)力定位船舶的協(xié)調(diào)

2、編隊(duì)控制的研究具有重要的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。本文圍繞此熱點(diǎn)性問(wèn)題，針對(duì)多動(dòng)力定位船舶的協(xié)調(diào)編隊(duì)控制方法和船舶受擾動(dòng)時(shí)的魯棒協(xié)調(diào)編隊(duì)控制方法展開(kāi)深入地研究，其主要研究?jī)?nèi)容包括以下幾個(gè)方面：
　　首先，針對(duì)多艘動(dòng)力定位船舶在無(wú)外界擾動(dòng)下的協(xié)調(diào)編隊(duì)控制，基于虛擬領(lǐng)航者的協(xié)調(diào)策略，應(yīng)用無(wú)源同步控制理論，提出了一種基于虛擬領(lǐng)航者的無(wú)源協(xié)調(diào)編隊(duì)控制方法。該方法是基于制導(dǎo)-控制的結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)，其中制導(dǎo)系統(tǒng)是通過(guò)仿真虛擬船并設(shè)計(jì)相應(yīng)任務(wù)的控制器，從而得

3、到船舶協(xié)調(diào)作業(yè)時(shí)期望的位置和速度信息，控制系統(tǒng)則是應(yīng)用無(wú)源同步控制理論設(shè)計(jì)船舶對(duì)不同作業(yè)模式通用的協(xié)調(diào)編隊(duì)控制器，根據(jù)制導(dǎo)系統(tǒng)給出的期望信號(hào)得到相應(yīng)作業(yè)模式下船舶的控制力輸入，來(lái)驅(qū)動(dòng)船舶形成期望的隊(duì)形協(xié)同執(zhí)行某作業(yè)，同時(shí)應(yīng)用嵌套Matrosov定理來(lái)分析整個(gè)控制系統(tǒng)的漸近穩(wěn)定性。最后通過(guò)仿真驗(yàn)證了所提的協(xié)調(diào)算法可以不需要全局通信仍能使船舶實(shí)現(xiàn)不同作業(yè)模式下的協(xié)調(diào)編隊(duì)作業(yè)。
　　其次，針對(duì)多艘動(dòng)力定位船舶在更一般的有向非平衡通信拓?fù)?/p>

4、圖下的協(xié)調(diào)編隊(duì)控制，應(yīng)用無(wú)源性理論，提出了一種有向通信拓?fù)湎碌臒o(wú)源協(xié)調(diào)編隊(duì)控制方法。該方法是在前面提出的基于虛擬領(lǐng)航者的無(wú)源協(xié)調(diào)編隊(duì)控制方法基礎(chǔ)上，將船舶的控制力輸入分為鎮(zhèn)定力和協(xié)調(diào)控制力兩部分進(jìn)行設(shè)計(jì)的，且該控制力要保證系統(tǒng)的無(wú)源性。同時(shí)結(jié)合有向強(qiáng)連通圖的性質(zhì)，基于李亞普諾夫穩(wěn)定性理論對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的漸近穩(wěn)定性進(jìn)行了分析和證明。進(jìn)一步，在有向通信拓?fù)湎路謩e設(shè)計(jì)了船舶協(xié)調(diào)定位、協(xié)調(diào)循跡和編隊(duì)等常用的作業(yè)模式對(duì)應(yīng)的協(xié)調(diào)控制器，并基于混雜系統(tǒng)理

5、論實(shí)現(xiàn)了船舶在不同作業(yè)模式間的平滑切換，以滿足船舶實(shí)際作業(yè)的需求。最后通過(guò)仿真驗(yàn)證了所提的協(xié)調(diào)編隊(duì)控制算法和多作業(yè)模式下的混雜協(xié)調(diào)編隊(duì)算法的有效性。
　　再次，針對(duì)動(dòng)力定位船舶受到未知定常海流干擾下的協(xié)調(diào)編隊(duì)控制，基于虛擬領(lǐng)航者的協(xié)調(diào)策略，應(yīng)用自適應(yīng)反步法，提出了一種基于虛擬領(lǐng)航者的魯棒協(xié)調(diào)編隊(duì)控制算法。為了使所有船舶能夠?qū)崿F(xiàn)抗擾動(dòng)的協(xié)調(diào)編隊(duì)控制，通過(guò)仿真虛擬船作為領(lǐng)航者來(lái)確定每艘船舶的期望位置信息，并應(yīng)用反步法對(duì)每艘船舶設(shè)計(jì)相應(yīng)

6、的非線性控制器，來(lái)保證船舶形成期望的隊(duì)形協(xié)調(diào)作業(yè)。同時(shí)針對(duì)未知定常擾動(dòng)，應(yīng)用自適應(yīng)控制技術(shù)對(duì)基于反步法設(shè)計(jì)的控制器進(jìn)行再設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)對(duì)未知擾動(dòng)的估計(jì)，最終保證船舶在海流干擾下仍能實(shí)現(xiàn)協(xié)調(diào)編隊(duì)控制，整個(gè)系統(tǒng)的漸近穩(wěn)定性是應(yīng)用李亞普諾夫穩(wěn)定性理論進(jìn)行分析。最后通過(guò)仿真驗(yàn)證了所提的魯棒協(xié)調(diào)編隊(duì)算法的有效性。
　　最后，針對(duì)動(dòng)力定位船舶受到時(shí)變海洋環(huán)境擾動(dòng)下的協(xié)調(diào)編隊(duì)控制，將交叉耦合同步控制技術(shù)和反步滑?？刂品椒ㄏ嘟Y(jié)合，提出了一種基于交叉耦

7、合同步的魯棒協(xié)調(diào)編隊(duì)控制算法。該算法應(yīng)用交叉耦合同步控制技術(shù)來(lái)設(shè)計(jì)協(xié)調(diào)編隊(duì)控制器，主要是使得船舶受到時(shí)變擾動(dòng)仍能保持很好的協(xié)調(diào)性能。將交叉耦合控制進(jìn)行改進(jìn)，使其能夠和反步滑?？刂葡嗳诤?，得到魯棒的協(xié)調(diào)編隊(duì)控制算法來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)時(shí)變擾動(dòng)的抵抗或補(bǔ)償。由于該協(xié)調(diào)算法主要是通過(guò)定義相互之間的交叉耦合誤差來(lái)消除其同步誤差，從而實(shí)現(xiàn)協(xié)調(diào)控制，所以該方法可以推廣到更一般的無(wú)領(lǐng)航者的協(xié)調(diào)編隊(duì)控制，即所有個(gè)體的地位平等，而不需要強(qiáng)調(diào)誰(shuí)起的作用比較重要。另外應(yīng)