带观测器的船舶动力定位控制策略与稳定性研究控制理论与控制工程专业论文.docxVIP

分类号： 分类号： 学校代号：11845 UDC： 密级： 学号：1110904008 广东工业大学博士学位论文 (工学博士) 带观测器的船舶动力定位控制策略与稳 定性研究 指导教师姓名、职称： 王筮羞熬援 学科(专业)或领域名称： 控制理论量控剑王猩 学生所属学院： 自动丝堂瞳 论文答辩日期： 呈Q12生鱼旦 万方数据 A A Dissertation Submitted to Guangdong University of Technology for the Degree of Doctor of Philosophy Study on Control Strategy and Stability of Ship’S Dynamic Positioning with observer PhD．Candidate：Ye Baoyu Supervisor：Prof．Wang Qinruo June 2012 SchooI of Automation Guangdong University of Technology Guangzhou，Guangdong，P R．China，51 0006 万方数据 摘要摘 摘要 摘 要 随着经济的高速发展，能源和资源短缺问题越来越突出，在新能源还不能取代传 统能源之前，人们将更多的目光投向资源丰富的海洋，对海洋的开发和探索也将越来 越广，也需要用到更多的海上钻井平台，其核心关键技术就包括动力定位系统研究。 目前关于动力定位系统的热点研究主要有：根据风、浪、流等环境扰动力以及推力和 水动力建立船舶／平台的外载荷模型；获取精度更高的船舶动力学模型；多种智能方法 融合的高精度混合智能控制算法；二阶波浪漂移力估算与快速补偿技术；风向风速多 普勒测量和风前馈技术；研发基于多传感器融合技术的高精度的动力定位位置参考系 统：带热备份的多重冗余控制系统；基于推进器功率特性曲线，研究能耗最小最优的 推力分配算法，实现绿色动力定位。 本文以海平面上运动的船舶为对象，采用非线性控制理论的方法，对船舶动力定 位系统的建模、螺旋桨推力估算、船舶模型室内位置测量、观测器设计、船舶航向及 纵荡运动控制、船舶动力定位控制进行了研究，论文主要研究内容和成果如下： (1)考虑船舶所处的环境、海况复杂多变，探讨了环境扰动力(风、浪、流)的 数学模型。然后，针对模型船舶动力定位系统室内GPS信号受限，提出一种基于超声 波的高精度室内定位解决方案。该方案先应用加权最4,--乘法建立了系统定位算法的 数学模型，给出了方程的求解过程。接着，针对螺旋桨模型及其动态特性难以描述的 问题，提出一种基于Chebyshev拟合式的螺旋桨四象限推力估算方案。该方案先根据 诺尔特斯特洛姆系列图谱，选取Chebyshev拟合式给出船舶螺旋桨四象限特性的推力 系数和扭矩系数的表达式，并进一步将之转化成普通多项表达式。随后根据给出的螺 旋桨四象限的数学模型，估算出螺旋桨的推力。通过26：1的2．8米船舶模型实验，验 证了超声波室内定位系统以及螺旋桨推力估算的有效性。最后，从动力学的角度，对 船舶运动的动态特性、船舶水动力特性进行探讨分析，建立了船舶的运动方程。 (2)考虑采用线性Kalman滤波需线性化船舶运动方程，提出基于输入状态稳定 的船舶动力定位系统非线性观测器设计。该观测器将系统噪声、测量噪声以及未建模 动态考虑进来，滤去测量值的高频噪声，将测量值分离出高频和低频两部分，并估计 出测量系统无法给出的船舶各状态值，能起到很好的滤波和估计作用。最后利用李雅 普诺夫稳定性证明该观测器是输入一状态稳定(Inputto State Stability，ISS)，仿真结果 表明该非线性观测器具有较强的鲁棒性和抗干扰能力。 万方数据 广东工业大学博士学位论文(3)考虑船舶的操纵特性，研究了船舶航向控制及纵荡运动控制问题。考虑非线 广东工业大学博士学位论文 (3)考虑船舶的操纵特性，研究了船舶航向控制及纵荡运动控制问题。考虑非线 性船舶航向控制中船舶参数及扰动的不确定性，分别对扰动界已知和界未知两种情况， 设计了相应的非线性自适应鲁棒控制器。首先对扰动界已知的非线性船舶实现船舶航 向跟踪控制，并取得全局指数稳定的控制效果。考虑到环境的随机性对船舶的影响， 又对扰动界未知的非线性船舶实现航向跟踪控制，并利用李雅普诺夫方法证明系统满 足三2控制标准，取得了全局稳定的控制效果。在保证航向稳定基础上，对船舶的纵荡 运动进行控制以实现船舶定位或跟踪。考虑到船舶由于受风、浪、流、作业环境(航 速、操作模式)、航海条件等不确定因素的影响，很难用一个精确的船舶模型来描述船 舶纵荡运动。为此为船舶的纵荡运动设计了一个自适应模糊控制器，其稳定性通过李 雅普诺夫稳定性理论