动力定位船舶自动区域控制研究

发布时间：2020-10-29 15:40

　　 随着人们对海洋资源开发需求的增加,动力定位系统受到越来越多的关注。控制技术是动力定位系统的核心,其性能的好坏直接影响到船舶或平台海上定位的精确性、稳定性和操纵性以及能耗问题。随着时代的发展,人们对节能环保意识的提高,绿色控制日益受到重视。本文主要针对动力定位系统能耗问题,结合环境最优艏向和自动区域控制两种绿色控制思想,设计了基于环境最优的自动区域控制器。整个自动区域控制过程包含两个步骤,首先从较远的初始点运动到安全区域的中心点,然后在安全操作区域进行自动区域控制,实现节能环保的目标。针对这两个步骤,本文设计了完整的自动区域控制器。本文的主要工作内容包括:(1)针对从较远距离初始点到达自动区域控制中心点阶段,采用传统PID控制存在控制输出易出现快速饱和且控制参数较难调整至最优问题,设计出三种不同的参考轨迹PID控制器。通过仿真和实验对三种控制器效果进行比较,验证了基于参考轨迹PID控制器的有效性。(2)针对自动区域控制需要提前对未来状态进行预测问题,设计了基于增量式状态空间模型预测控制器,并结合无源观测器使当前状态可观测并估计当前环境力,在模型预测控制中考虑各种推力约束,引入二次规划方法求解最优的控制输出。通过仿真表明了模型预测控制器与PID控制器对比的优势,并验证了无源观测器的观测能力和估计环境力能力以及模型预测控制器在缓变环境力情况下的有效性。(3)针对长期定点定位能源消耗问题,基于Green DP的思想,设计了基于环境最优的自动区域控制器,结合环境最优艏向和自动区域控制两种绿色控制思想,将区域划分为安全工作区、环境最优补偿区和模型预测控制区。分别在海况缓变和剧变时进行了定点定位和自动区域控制的仿真实验,通过四组仿真实验对比验证了该自动区域控制器在不同海况都能保证船舶的安全作业,且具有节能减排的优点。
【学位单位】：武汉理工大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2018
【中图分类】：U664.82
【部分图文】：

法将船舶定位到一个点，此时由于未完全滤除的高频运动和时刻存，执行机构会不停的运转，频繁的运转将加剧执行机构的磨损以及消耗，而实际工程应用中有些工况只需将船舶定位在一个安全区域满足工程作业要求，从而避免了执行机构频繁运转。文将针对上述问题进行研究，设计完整的自动区域控制器，实现平区域控制中心过程和长时间区域定位节省能耗的目的，对提高船舶安全性、经济性与可靠性等具有重要的理论研究意义和工程应用价力定位系统简介动力定位系统原理 系统能够仅通过船舶或海洋平台上的推进装置产生的推力来抵抗外，使船舶尽可能的保持其预定位置与艏向或沿着预设的轨迹运动[3-图 1.1 所示。

图 1.2 DP 系统六种工作模式动力定位控制系统发展概述据滤波与状态估计是 DP 控制系统中非常重要的一部分。在 DP 控，要求控制给出的推进系统指令尽可能只响应缓慢变化的外部干响应一阶波浪力、噪音等高频振荡干扰信号。估计器还可以估计未建模的环境载荷等参数。滤波方法上，第一代 DPS 采用低通滤波器，其缺点是需要海上浮体足够长[5]。第二代 DPS 中采用卡尔-7]，Balchen J G 提出了在 DP 船舶中使用卡尔曼滤波技术和最优控了 PID 控制器中积分饱和、相位滞后的缺点[8]。从此，卡尔曼滤波统中被广泛的使用。卡尔曼滤波器实际上解决了如何运用船舶运来自测量系统的带有噪声的测量值，最优地估计出船舶状态问题来在 1980 被 Balchen J G 提升和扩展，引入扩展卡尔曼滤波，该观突破性的成果[9]。但卡尔曼滤波器需要把运动学方程进行线性化，

数学模型过于简单往往不能准确表现出整个系统的动态性降低；建立过于精细的数学模型并不意味着控制器性多给控制器的分析造成相当大的困难。因此，本章将根，建立合适的数学模型。给出所需坐标系以及运动参量的定义；随后建立船 freedom，简称 DOF）运动学模型和动力学模型；随后建根据控制器的需求选择合适的自由度，得到 DP 船舶 3D系及运动参量定义船舶的位置和姿态等运动变量，首先需要定义所需坐标究时，一般采用北东坐标系（North-east Reference Frame体坐标系（Body-fixed Reference Frame，或称{b } 坐标系示船体在上述坐标系中的 6DOF 运动状态：
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本文编号：2861110