基于離散系統(tǒng)理論的動力定位船舶控制方法研究.pdf

1、動力定位（DP）船舶在海上航行時，由于受到風(fēng)、浪、流等干擾力的作用，其運(yùn)動表現(xiàn)為低頻和高頻的疊加形式，而船舶運(yùn)動控制主要是針對其低頻運(yùn)動而設(shè)計的。在船舶進(jìn)行長時間海上作業(yè)時，為了使其位置和艏向保持不變，如果其艏向選擇不合適而使之與環(huán)境干擾力間存在夾角，會增加推進(jìn)器系統(tǒng)抵抗環(huán)境干擾所消耗的能量，使燃料消耗加劇。長時間的海上作業(yè)時，船舶經(jīng)常遭遇到各種海況，且需進(jìn)行多種作業(yè)模式，需要在不同作業(yè)模式間進(jìn)行切換。目前的船舶控制系統(tǒng)多采用計算機(jī)控制

2、，處理的都是離散時間信號，本文在離散系統(tǒng)理論下針對動力定位船舶的位置保持控制和多任務(wù)作業(yè)的切換控制進(jìn)行研究。
　　本研究首先針對動力定位船舶在水平面的三自由度運(yùn)動，設(shè)計了離散非線性船舶運(yùn)動模型，并針對風(fēng)、浪、流等干擾力進(jìn)行建模，通過仿真試驗驗證了其合理性和正確性。然后，根據(jù)動力定位船舶在海上的低頻和高頻疊加特性，分別針對有無環(huán)境干擾和存在不同干擾等不同情況設(shè)計了離散非線性觀測器，用以估計船舶的運(yùn)動狀態(tài)（位姿和速度），并在存在高頻干

3、擾時對高頻數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波處理；為了提高觀測器的估計精度和抗干擾能力，并解決科里奧利向心力矩陣帶來的困難，將加速度反饋引入到觀測器設(shè)計中，以消除科里奧利向心力矩陣對觀測器的影響并降低船舶對外界干擾的敏感度。其次，針對動力定位船舶長時間在海上作業(yè)時的能量消耗問題，設(shè)計了環(huán)境自適應(yīng)艏向控制器和定位控制器，使船舶艏向?qū)Νh(huán)境作出自適應(yīng)調(diào)整，降低外界干擾對船舶的作用，減少燃料的消耗；針對“綠色 DP”控制中艏向并非最優(yōu)的問題，利用環(huán)境自適應(yīng)艏向控制策

4、略尋找最優(yōu)艏向，設(shè)計了環(huán)境自適應(yīng)區(qū)域位置保持控制器；環(huán)境自適應(yīng)艏向控制用以提供最優(yōu)艏向，并引入離散非線性模型預(yù)測（NMPC）實(shí)現(xiàn)區(qū)域位置保持，進(jìn)一步減少燃料的消耗，以延長海上作業(yè)時間。最后，針對多任務(wù)動力定位船舶的控制問題，設(shè)計了集成式控制器以實(shí)現(xiàn)對船舶在不同任務(wù)模式中的控制；首先針對每一種作業(yè)模式設(shè)計獨(dú)立的控制器，然后根據(jù)船舶的速度、與目標(biāo)位置的距離，以及時間等因素，設(shè)計不同的權(quán)值函數(shù)，用以結(jié)合兩種不同任務(wù)模式的控制器，以實(shí)現(xiàn)任務(wù)模式