帶觀測(cè)器的船舶動(dòng)力定位控制策略與穩(wěn)定性研究.pdf

1、隨著經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，能源和資源短缺問題越來越突出，在新能源還不能取代傳統(tǒng)能源之前，人們將更多的目光投向資源豐富的海洋，對(duì)海洋的開發(fā)和探索也將越來越廣，也需要用到更多的海上鉆井平臺(tái)，其核心關(guān)鍵技術(shù)就包括動(dòng)力定位系統(tǒng)研究。目前關(guān)于動(dòng)力定位系統(tǒng)的熱點(diǎn)研究主要有:根據(jù)風(fēng)、浪、流等環(huán)境擾動(dòng)力以及推力和水動(dòng)力建立船舶/平臺(tái)的外載荷模型;獲取精度更高的船舶動(dòng)力學(xué)模型;多種智能方法融合的高精度混合智能控制算法;二階波浪漂移力估算與快速補(bǔ)償技術(shù);風(fēng)向風(fēng)速

2、多普勒測(cè)量和風(fēng)前饋技術(shù);研發(fā)基于多傳感器融合技術(shù)的高精度的動(dòng)力定位位置參考系統(tǒng);帶熱備份的多重冗余控制系統(tǒng);基于推進(jìn)器功率特性曲線，研究能耗最小最優(yōu)的推力分配算法，實(shí)現(xiàn)綠色動(dòng)力定位。
　　本文以海平面上運(yùn)動(dòng)的船舶為對(duì)象，采用非線性控制理論的方法，對(duì)船舶動(dòng)力定位系統(tǒng)的建模、螺旋槳推力估算、船舶模型室內(nèi)位置測(cè)量、觀測(cè)器設(shè)計(jì)、船舶航向及縱蕩運(yùn)動(dòng)控制、船舶動(dòng)力定位控制進(jìn)行了研究，論文主要研究內(nèi)容和成果如下:
　　(1)考慮船舶所處的

3、環(huán)境、海況復(fù)雜多變，探討了環(huán)境擾動(dòng)力（風(fēng)、浪、流）的數(shù)學(xué)模型。然后，針對(duì)模型船舶動(dòng)力定位系統(tǒng)室內(nèi)GPS信號(hào)受限，提出一種基于超聲波的高精度室內(nèi)定位解決方案。該方案先應(yīng)用加權(quán)最小二乘法建立了系統(tǒng)定位算法的數(shù)學(xué)模型，給出了方程的求解過程。接著，針對(duì)螺旋槳模型及其動(dòng)態(tài)特性難以描述的問題，提出一種基于Chebyshev擬合式的螺旋槳四象限推力估算方案。該方案先根據(jù)諾爾特斯特洛姆系列圖譜，選取Chebyshev擬合式給出船舶螺旋槳四象限特性的推力

4、系數(shù)和扭矩系數(shù)的表達(dá)式，并進(jìn)一步將之轉(zhuǎn)化成普通多項(xiàng)表達(dá)式。隨后根據(jù)給出的螺旋槳四象限的數(shù)學(xué)模型，估算出螺旋槳的推力。通過26∶1的2.8米船舶模型實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了超聲波室內(nèi)定位系統(tǒng)以及螺旋槳推力估算的有效性。最后，從動(dòng)力學(xué)的角度，對(duì)船舶運(yùn)動(dòng)的動(dòng)態(tài)特性、船舶水動(dòng)力特性進(jìn)行探討分析，建立了船舶的運(yùn)動(dòng)方程。
　　(2)考慮采用線性Kalman濾波需線性化船舶運(yùn)動(dòng)方程，提出基于輸入狀態(tài)穩(wěn)定的船舶動(dòng)力定位系統(tǒng)非線性觀測(cè)器設(shè)計(jì)。該觀測(cè)器將系統(tǒng)噪聲

5、、測(cè)量噪聲以及未建模動(dòng)態(tài)考慮進(jìn)來，濾去測(cè)量值的高頻噪聲，將測(cè)量值分離出高頻和低頻兩部分，并估計(jì)出測(cè)量系統(tǒng)無法給出的船舶各狀態(tài)值，能起到很好的濾波和估計(jì)作用。最后利用李雅普諾夫穩(wěn)定性證明該觀測(cè)器是輸入-狀態(tài)穩(wěn)定（Input to State Stability，ISS），仿真結(jié)果表明該非線性觀測(cè)器具有較強(qiáng)的魯棒性和抗干擾能力。
　　(3)考慮船舶的操縱特性，研究了船舶航向控制及縱蕩運(yùn)動(dòng)控制問題?？紤]非線性船舶航向控制中船舶參數(shù)及擾動(dòng)

6、的不確定性，分別對(duì)擾動(dòng)界已知和界未知兩種情況，設(shè)計(jì)了相應(yīng)的非線性自適應(yīng)魯棒控制器。首先對(duì)擾動(dòng)界已知的非線性船舶實(shí)現(xiàn)船舶航向跟蹤控制，并取得全局指數(shù)穩(wěn)定的控制效果。考慮到環(huán)境的隨機(jī)性對(duì)船舶的影響，又對(duì)擾動(dòng)界未知的非線性船舶實(shí)現(xiàn)航向跟蹤控制，并利用李雅普諾夫方法證明系統(tǒng)滿足L2控制標(biāo)準(zhǔn)，取得了全局穩(wěn)定的控制效果。在保證航向穩(wěn)定基礎(chǔ)上，對(duì)船舶的縱蕩運(yùn)動(dòng)進(jìn)行控制以實(shí)現(xiàn)船舶定位或跟蹤。考慮到船舶由于受風(fēng)、浪、流、作業(yè)環(huán)境（航速、操作模式）、航海條

7、件等不確定因素的影響，很難用一個(gè)精確的船舶模型來描述船舶縱蕩運(yùn)動(dòng)。為此為船舶的縱蕩運(yùn)動(dòng)設(shè)計(jì)了一個(gè)自適應(yīng)模糊控制器，其穩(wěn)定性通過李雅普諾夫穩(wěn)定性理論得到了證明。仿真結(jié)果驗(yàn)證了上述算法的有效性。
　　(4)針對(duì)船舶動(dòng)力定位非線性模型，進(jìn)行了船舶動(dòng)力定位控制算法研究?？紤]到環(huán)境擾動(dòng)不確定問題，在簡化船舶動(dòng)力定位系統(tǒng)模型的基礎(chǔ)上，提出了一種帶觀測(cè)器的不確定擾動(dòng)非線性船舶動(dòng)力定位自適應(yīng)輸出反饋控制算法。首先設(shè)計(jì)了一個(gè)非線性觀測(cè)器，從附有噪聲

8、的輸出中估計(jì)出船舶位置及運(yùn)動(dòng)速度。然后用濾波后的位置信號(hào)，針對(duì)擾動(dòng)不確定非線性船舶設(shè)計(jì)帶觀測(cè)器的自適應(yīng)反步控制器，該控制器在Backstepping設(shè)計(jì)方法的基礎(chǔ)上引入積分環(huán)節(jié)，對(duì)存在未知參數(shù)和動(dòng)態(tài)不確定擾動(dòng)的船舶能有效的改善系統(tǒng)性能。根據(jù)李雅普諾夫穩(wěn)定性理論證明所設(shè)計(jì)的控制器是全局漸近穩(wěn)定的?？紤]到船舶高頻運(yùn)動(dòng)及環(huán)境擾動(dòng)力的影響，針對(duì)船舶綜合模型提出船舶動(dòng)力定位的平行分布補(bǔ)償（Parallel Distributed Compensa