船舶動力定位系統(tǒng)建模與隨機控制研究.pdf

1、隨著人類向深海進軍，錨式定位不再適用，動力定位系統(tǒng)(Dynamic Positioning，DP)越來越廣泛地應用于海上船舶和平臺，船舶動力定位系統(tǒng)具有廣闊的市場及發(fā)展前景。動力定位系統(tǒng)的核心是控制技術，它標志著動力定位系統(tǒng)的發(fā)展水平。而船舶結構和參數(shù)的動態(tài)變化，具有隨機特性，即存在不確定性。此外，風、浪、流造成附加的干擾力也具有隨機特性，即便部分建模后，也依舊存在不確定性。因此，不確定條件下，使得船舶動力定位系統(tǒng)具有更高控制性能，成為

2、了動力定位控制中的關鍵問題之一。
　　 本文研究工作圍繞上述關鍵問題展開，主要內容如下：
　　 (1)考慮到風浪流隨機特性造成的動態(tài)不確定性，引入隨機過程進行描述，建立了隨機微分方程描述的船舶動力定位系統(tǒng)模型；給出了隨機系數(shù)的估計方法，仿真驗證了該隨機微分動力學系統(tǒng)比確定型微分動力學系統(tǒng)更仔細地刻畫了動態(tài)不確定海況下的船舶運動響應，與實際系統(tǒng)的動力學響應吻合更好。針對課題組研究的定螺距、四推進的供應船，設計了擴展Kalm

3、an濾波器以實現(xiàn)不可測狀態(tài)的估計和參數(shù)辨識，并對其可辨識性進行了分析；對比分析了不同輸入信號、初始狀態(tài)、噪聲標準方差情況下的辨識精度，為工程應用提供指導。
　　 (2)基于隨機微分方程描述的動力定位系統(tǒng)，完成了隨機非線性Backstepping控制器的設計；為估計不可測狀態(tài)以實現(xiàn)狀態(tài)反饋，構造了隨機非線性觀測器；繼而完成了基于觀測器的隨機非線性Backstepping控制器設計；完成控制器和觀測器的穩(wěn)定性分析和仿真，驗證了控制器

4、和觀測器的有效性。
　　 (3)考慮推進約束問題，基于滾動優(yōu)化機制，設計了隨機波上的非線性動力定位系統(tǒng)預測控制器；為提高最優(yōu)控制序列搜索的有效性，提出采用比例-微分-積分(Proportional-Integral-Differential，PID)反饋輸出作為控制序列產生的基本結構；該方法利用了預測控制的前饋特性，同時利用了PID控制的反饋特性，保證系統(tǒng)具有快速收斂特性的同時，綜合考慮燃料最少，超調最小的指標，實現(xiàn)了控制器滾動

5、優(yōu)化；仿真驗證了該控制策略和控制器的有效性。
　　 (4)以帶有2個隧道式和2個全回轉推進器的供應船推力分配為目標，構造了直接分配算法，并且基于該算法，采用Matlab實現(xiàn)了動力定位能力曲線繪制，并與KONGSBERG采用StatCapV2.6.1對DP43092進行的動力定位能力分析數(shù)據(jù)仿真結果對比，驗證了該方法的有效性；為了兼顧最少燃油消耗、最小推力誤差和保持負載均衡等性能指標，同時實現(xiàn)控制所需要的推力分配，構造了直接分配+

6、遺傳算法的混合算法，該方法能快速、有效的實現(xiàn)優(yōu)化分配，具有實用價值；考慮風浪流隨機特性，將推力優(yōu)化分配建模成一個不確定規(guī)劃問題，提出構造松弛因子來實現(xiàn)該問題的求解，在不影響解的質量情況下擴大了搜索空間，從而提高了搜索到解的概率。
　　 (5)將基于Lyapunov函數(shù)的隨機控制設計方法引入到船舶動力定位抗傾覆控制中，采用構造法設計了控制器?？紤]到模型與實際系統(tǒng)存在偏差的情形，構建了對參考模型魯棒界的要求，分析了控制器的魯棒性。考

7、慮到現(xiàn)有基于Fokker-Plarrck方程等的傾覆概率仿真方法計算復雜，計算量大的特點，提出并設計了基于半離散數(shù)值方法的傾覆概率仿真算法，通過實例驗證了該算法的有效性，同時驗證了上述控制器設計與魯棒性分析的有效性。
　　 (6)研發(fā)了一套船舶動力定位控制半物理仿真系統(tǒng)，用于輔助實際控制系統(tǒng)的分析與設計。建立了船舶運動及海洋環(huán)境計算機模型模擬器、全尺寸控制器和全尺寸操作終端，并通過基于DirectX的三維動畫模擬器進行船舶三維運