半潛船動(dòng)力定位控制系統(tǒng)建模和仿真研究.pdf

1、隨著陸地石油的逐漸枯竭,人們將目光投向了深海油氣資源,傳統(tǒng)的位置錨泊方式已不再適用深水,目前不受水深限制的動(dòng)力定位系統(tǒng)已是主要趨勢(shì)。動(dòng)力定位系統(tǒng)是一個(gè)自動(dòng)保持船舶位置的控制系統(tǒng),根據(jù)測(cè)得的信號(hào)驅(qū)動(dòng)推進(jìn)單元以抵抗風(fēng)、浪、流等環(huán)境干擾的影響。由于船舶和其他海洋平臺(tái)的動(dòng)態(tài)特性是大慣性和非線性的,存在各自由度耦合和驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)延遲等諸多問題,傳統(tǒng)的PID和LQG方法雖然在動(dòng)力定位系統(tǒng)中取得一定成就,但無法滿足人們?nèi)找嫣岣叩膶?duì)動(dòng)力定位控制性能的要求,

2、因此研究更合適實(shí)際船舶動(dòng)力定位控制的控制理論和方法已成為目前船舶運(yùn)動(dòng)控制研究的一大熱點(diǎn)。
　　 模型預(yù)測(cè)控制,又稱為滾動(dòng)時(shí)域控制,由于適應(yīng)模型不確定、魯棒性強(qiáng)、在優(yōu)化控制理論的框架內(nèi)統(tǒng)一處理系統(tǒng)的約束、非線性因素和性能指標(biāo)等特點(diǎn),已成為現(xiàn)代工業(yè)過程的一種高級(jí)控制技術(shù)。隨著人們對(duì)船舶動(dòng)力定位系統(tǒng)精度、安全和高效性的要求不斷提高,本文采用模型預(yù)測(cè)控制的理論框架,以我國一艘動(dòng)力定位船舶,半潛船“泰安口”為仿真母型船的前提下,進(jìn)行機(jī)理模

3、型和控制模型的建立,提出了模型預(yù)測(cè)控制在船舶動(dòng)力定位控制系統(tǒng)中所涉及的一系列設(shè)計(jì)環(huán)節(jié),如運(yùn)動(dòng)狀態(tài)估計(jì)、高層運(yùn)動(dòng)控制器模塊及底層推力分配模塊等中的應(yīng)用,為船舶等海洋平臺(tái)動(dòng)力定位控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和研究提供了新的思路和方法,主要內(nèi)容及成果包括:
　　 1、研究了兩種功能的船舶動(dòng)力定位系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型。兩種模型按功能可分為:過程系統(tǒng)模型(機(jī)理模型)和控制系統(tǒng)模型(控制模型)。過程系統(tǒng)模型盡可能精確描述復(fù)雜海況下的風(fēng)、浪、流運(yùn)動(dòng)方程以及船舶非

4、線性運(yùn)動(dòng)規(guī)律,盡可能接近真實(shí)世界,可用于校準(zhǔn)控制系統(tǒng)和構(gòu)建模擬器,還可用于人員培訓(xùn)和測(cè)試在環(huán)硬件?？刂葡到y(tǒng)模型結(jié)構(gòu)形式相對(duì)過程系統(tǒng)模型簡單,其主要目的在于抓住真實(shí)系統(tǒng)的本質(zhì)特性,可用于設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)和分析系統(tǒng)的特性(穩(wěn)定性,限制條件,魯棒性等等)。兩種不同功能模型的建立為本論文的進(jìn)一步的控制方法研究做了基礎(chǔ)性工作。
　　 2、研究了滾動(dòng)時(shí)域?yàn)V波器在船舶動(dòng)力定位系統(tǒng)中的狀態(tài)估計(jì)作用。由于價(jià)格或技術(shù)上的原因,一般動(dòng)力定位船舶配備的測(cè)量

5、傳感系統(tǒng)只能提供帶有測(cè)量噪聲的船舶位置和船舶艏搖角和某些船舶運(yùn)動(dòng)速度,必須通過狀態(tài)估計(jì)得到船舶低頻運(yùn)動(dòng)值。本文研究了滾動(dòng)時(shí)域觀測(cè)器在動(dòng)力定位控制系統(tǒng)中的應(yīng)用,能夠從帶有測(cè)量噪聲的位移輸出中估計(jì)出船舶低頻位置和運(yùn)動(dòng)速度。采用滾動(dòng)時(shí)域優(yōu)化的思想和FIR濾波器的結(jié)構(gòu),設(shè)計(jì)了優(yōu)化滾動(dòng)時(shí)域?yàn)V波器,并對(duì)半潛船分別在時(shí)不變的和時(shí)變的質(zhì)量矩陣和阻尼矩陣進(jìn)行數(shù)值仿真,并通過與傳統(tǒng)的卡爾曼濾波器進(jìn)行仿真結(jié)果比較,以驗(yàn)證滾動(dòng)時(shí)域?yàn)V波器的有效性和魯棒性。

6、>　　 3、研究動(dòng)力定位控制系統(tǒng)的高層控制模塊的設(shè)計(jì)問題。當(dāng)設(shè)計(jì)DP控制器時(shí),存在模型不確定,驅(qū)動(dòng)器飽和硬限制條件,狀態(tài)和輸出(DP船舶的位置和艏向)限制。一個(gè)利用不變集理論的魯棒雙模滾動(dòng)時(shí)域控制被應(yīng)用DP控制器設(shè)計(jì)中?？刂破鹘K端條件被放寬,不要求精確達(dá)到原點(diǎn),而是到達(dá)某些不變橢圓集內(nèi)部。雙模式模型預(yù)測(cè)控制的內(nèi)涵是在橢圓外部,應(yīng)用模型預(yù)測(cè)控制,一旦狀態(tài)進(jìn)入到橢圓,控制方法轉(zhuǎn)為線性狀態(tài)反饋控制,并且使?fàn)顟B(tài)永遠(yuǎn)停留在橢圓內(nèi)部,穩(wěn)定系統(tǒng)。控

7、制器設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)化為線性矩陣不等式求解的半定規(guī)劃問題。最后將雙模滾動(dòng)時(shí)域控制和LQG算法應(yīng)用到動(dòng)力定位船舶中進(jìn)行仿真研究,驗(yàn)證該控制算法的可行性和有效性。
　　 4、研究了基于模型預(yù)測(cè)控制的動(dòng)態(tài)模型預(yù)測(cè)推力分配問題。動(dòng)力定位船舶是過驅(qū)動(dòng)系統(tǒng),即控制變量的個(gè)數(shù)大于受控變量的個(gè)數(shù)。將推力分配模塊單列出來設(shè)計(jì),有利于推進(jìn)器改變或推進(jìn)器發(fā)生故障時(shí),不需要重新設(shè)計(jì)上層控制器而進(jìn)行故障重構(gòu)控制。現(xiàn)在目前所存在的推力分配模塊主要采用靜態(tài)分配方法,忽

8、略了輸入和輸出的動(dòng)態(tài)關(guān)系。本論文在考慮推進(jìn)器不同動(dòng)態(tài)特性和各種硬性飽和條件的情況下,研究了動(dòng)態(tài)模型預(yù)測(cè)推力分配問題。最后將靜態(tài)分配和基于模型預(yù)測(cè)控制的動(dòng)態(tài)分配的仿真結(jié)果進(jìn)行了比較。
　　 本文的研究以一艘半潛船實(shí)船“泰安()”為對(duì)象,在建立實(shí)船機(jī)理模型和控制模型的基礎(chǔ)上,集中研究了動(dòng)力定位系統(tǒng)的狀態(tài)觀測(cè)器、控制算法和過驅(qū)動(dòng)動(dòng)態(tài)推力分配上,重點(diǎn)探討了模型預(yù)測(cè)控制理論或滾動(dòng)時(shí)域控制理論在動(dòng)力定位控制系統(tǒng)中的應(yīng)用,文中做了大量的仿真研