船舶动力定位控制策略研究综述
发布时间：2021-08-16 16:01
船舶动力定位系统由测量系统、控制系统、电力推进系统和舵桨装置组成,其中控制系统是动力定位系统最重要的环节。本文介绍船舶动力定位系统常用的控制模型,详细分析用于动力定位控制系统的控制策略包括PID控制、模糊\神经网络自适应控制、预测控制、容错控制的研究与应用现状,并概括了各种控制策略存在的优缺点。最后从控制策略和海上作业需求变化两方面出发,提出了船舶DP控制系统的未来发展目标,以及下一步重点研究方向。
【文章来源】：舰船科学技术. 2020,42(17)北大核心
【文章页数】：5 页
【部分图文】：
动力定位模糊自适应控制策略原理图Fig.2TheSchematicdiagramoffuzzyadaptivecontrolstrategy
不确定性和参数未知的被控系统设计控制器。上述成果中所提出的控制策略均通过了Lyapunov稳定性证明和仿真验证，然而在设计控制器时需假设系统所有状态变量是可测的，而实际情况却刚好相反，系统状态变量无法通过传感器进行测量。文献[16–17]针对这种制约条件，通过构造高增益状态观测器，设计了基于FLS/NN自适应的输出反馈控制器，理论证明和仿真试验证明方法的正确性和有效性。基于FLS/NN自适应控制系统设计方法有如下优点：不需要建立系统精确地数学模型；对于未知干扰情况可通过构造干扰观测器解决。该方法虽然优点多，但目前尚无应用成果，主要原因在于：1）基于万能逼近器的自适应控制方法本身工程应用不成熟，船舶DP控制系统相对比较复杂，配置有特殊作业系统的船舶平台造价昂贵，应首选成熟可靠的控制方法；2）模型逼近过程需要根据反馈误差不断的调节参数，表现出控制量的不断调节，这与动力定位控制系统的绿色节能控制、推进器保护相冲突；3）在以往研究中，通常假设输出变量完全可测的，而实际中位置、首向变量测量值会存在随机干扰，即需要用先进的滤波算法如EKF，UKF等进行处理。2.3基于模型预测算法的DP控制策略模型预测控制（Modelpredictivecontrol，MPC）又称为滚动时域控制，优化控制流程为：1）获取当前时刻系统状态测量值；2）求解一个优化控制问题得到预测控制时域控制率；3）将第1个控制量作为系统输入；4）下一时刻回到第1步。MPC优点在于控制输入变量可保证系统在预测控制时域内由跟踪误差等构成性能函数取得最优值，并且能够有效地处理复杂系统的约束问题，实现复杂目标控制，因此，MPC成功地应用于船舶DP控制系统[18–21]，基本原理框图如图3所示。性能指标函数通常选用如下形式：J=12T0{μ1[?
˙η=R(ψ)υ，M˙υ+CRB(υ)υ+CA(υr)υr+D(υr)+G(η)=τwind+τwave2+τmoor+τice+τthr。υ=[u,v,w,p,q,r]Tuvwpqr其中：为系统状态变量，为纵荡，为横荡，为垂荡，为横摇角，为纵摇角，为首向角。由于现有船舶动力定位系统控制任务为水面船舶的定点控制、首向保持和航迹跟踪，控制目标为船舶的经度、纬度和首向角，因此，目前绝大部分科研工作以及成熟产品均不考虑上述复杂的六自由度模型，仅研究如下简化模型[4–6]：{˙η=R(ψ)υ，M˙υ=Dυ+τ+(t)。υ=[u,v,r]Tuvr其中：为纵向速度、横向速度、首向角速率构成的状态变量，为纵荡，为横荡，为首向角。本文仅介绍2种模型，实际如输入受限、未知干扰、一阶波浪力等情况，此处不做深入探讨。2动力定位系统控制策略DP控制策略经历了从经典的由低通滤波和PID控制结合的第1代过渡到以Kalman滤波和最优控制结合的第2代DP控制策略，并逐渐发展为以智能控制技术为基础的第3代DP控制策略。2.1基于PID算法的DP控制策略PID原理简单，易于工程应用，且鲁棒性强，适用于环境恶劣的工业控制过程，常用DP控制策略表达式为：u(t)=Kp[e(t)+1/Tit0e(t)dt+Tdde(t)/dt]。其中e(t)为跟踪误差。基本原理框图如图1所示。图1动力定位PID控制策略原理图Fig.1TheSchematicdiagramofPIDcontrolstrategyfordynamicpositioningmodel考虑船舶存在对定位时间要求不高且控制过程中有异常外力影响系统的情况，Svenn[7]设计了一种基于PID的混合控制方法，当误差较大时，控制器中积分部分采用大数值作为调节参数，当接近期望值时，控制器切换为常规PID进行调节。直翼推进器响应速度足够高，可以保证定位的高精度、实时性，Philipp[8]针对配置直翼推进器的DP船舶设计PID控制器，并?
【参考文献】：
期刊论文
[1]带有推进器故障的船舶动力定位系统的鲁棒滑模容错控制[J]. 郝立颖,韩金城,郭戈,李莉莉. 控制与决策. 2020(06)
[2]滑模控制船舶动力定位控制系统研究[J]. 关克平,张新放. 舰船科学技术. 2018(05)
[3]基于滑模自抗扰的半潜式海洋平台动力定位控制方法研究[J]. 和红磊,王玉龙. 船舶工程. 2016(11)
[4]相关噪声下非线性滤波及在动力定位中的应用[J]. 林孝工,焦玉召,梁坤,李恒. 控制理论与应用. 2016(08)
[5]带有UKF滚动时域估计的动力定位控制器[J]. 苏义鑫,赵俊. 哈尔滨工程大学学报. 2016(10)
[6]基于EKF的船舶模型预测动力定位导引控制器设计[J]. 刘菊,熊晓东,汪大鹏,李鹏. 造船技术. 2016(02)
[7]动态不确定海况下的船舶动力定位控制算法[J]. 孙蓓蓓. 舰船科学技术. 2016(04)
[8]基于扰动观测器的动力定位船终端滑模航迹跟踪控制[J]. 付明玉,刘佳,吴宝奇. 中国造船. 2015(04)
[9]强跟踪自适应CKF及其在动力定位中应用[J]. 徐树生,李娟,温利,龚丽农. 电机与控制学报. 2015(02)
[10]船舶动力定位关键技术研究综述[J]. 吴德烽,杨国豪. 舰船科学技术. 2014(07)
博士论文
[1]动力定位船推进器故障容错控制方法研究[D]. 李鸣阳.哈尔滨工程大学 2018
[2]多动力定位船的协调编队控制方法研究[D]. 焦建芳.哈尔滨工程大学 2014
[3]船舶动力定位容错控制方法研究[D]. 宁继鹏.哈尔滨工程大学 2013
硕士论文
[1]船舶动力定位测量系统智能故障诊断方法研究[D]. 张赞.哈尔滨工程大学 2017
[2]多艘动力定位船鲁棒自适应编队控制研究[D]. 王彬.哈尔滨工程大学 2017
[3]多DP船协调编队有限时间控制方法研究[D]. 骆伟.哈尔滨工程大学 2017
[4]执行器故障的船舶动力定位系统容错控制[D]. 胡明佳.大连海事大学 2016
[5]船舶动力定位系统模型预测控制研究[D]. 王刚.大连海事大学 2016
[6]基于模糊预测控制的船舶动力定位系统控制器研究[D]. 熊卫卫.江苏科技大学 2012
本文编号：3345976
【文章来源】：舰船科学技术. 2020,42(17)北大核心
【文章页数】：5 页
【部分图文】：
动力定位模糊自适应控制策略原理图Fig.2TheSchematicdiagramoffuzzyadaptivecontrolstrategy
不确定性和参数未知的被控系统设计控制器。上述成果中所提出的控制策略均通过了Lyapunov稳定性证明和仿真验证，然而在设计控制器时需假设系统所有状态变量是可测的，而实际情况却刚好相反，系统状态变量无法通过传感器进行测量。文献[16–17]针对这种制约条件，通过构造高增益状态观测器，设计了基于FLS/NN自适应的输出反馈控制器，理论证明和仿真试验证明方法的正确性和有效性。基于FLS/NN自适应控制系统设计方法有如下优点：不需要建立系统精确地数学模型；对于未知干扰情况可通过构造干扰观测器解决。该方法虽然优点多，但目前尚无应用成果，主要原因在于：1）基于万能逼近器的自适应控制方法本身工程应用不成熟，船舶DP控制系统相对比较复杂，配置有特殊作业系统的船舶平台造价昂贵，应首选成熟可靠的控制方法；2）模型逼近过程需要根据反馈误差不断的调节参数，表现出控制量的不断调节，这与动力定位控制系统的绿色节能控制、推进器保护相冲突；3）在以往研究中，通常假设输出变量完全可测的，而实际中位置、首向变量测量值会存在随机干扰，即需要用先进的滤波算法如EKF，UKF等进行处理。2.3基于模型预测算法的DP控制策略模型预测控制（Modelpredictivecontrol，MPC）又称为滚动时域控制，优化控制流程为：1）获取当前时刻系统状态测量值；2）求解一个优化控制问题得到预测控制时域控制率；3）将第1个控制量作为系统输入；4）下一时刻回到第1步。MPC优点在于控制输入变量可保证系统在预测控制时域内由跟踪误差等构成性能函数取得最优值，并且能够有效地处理复杂系统的约束问题，实现复杂目标控制，因此，MPC成功地应用于船舶DP控制系统[18–21]，基本原理框图如图3所示。性能指标函数通常选用如下形式：J=12T0{μ1[?
˙η=R(ψ)υ，M˙υ+CRB(υ)υ+CA(υr)υr+D(υr)+G(η)=τwind+τwave2+τmoor+τice+τthr。υ=[u,v,w,p,q,r]Tuvwpqr其中：为系统状态变量，为纵荡，为横荡，为垂荡，为横摇角，为纵摇角，为首向角。由于现有船舶动力定位系统控制任务为水面船舶的定点控制、首向保持和航迹跟踪，控制目标为船舶的经度、纬度和首向角，因此，目前绝大部分科研工作以及成熟产品均不考虑上述复杂的六自由度模型，仅研究如下简化模型[4–6]：{˙η=R(ψ)υ，M˙υ=Dυ+τ+(t)。υ=[u,v,r]Tuvr其中：为纵向速度、横向速度、首向角速率构成的状态变量，为纵荡，为横荡，为首向角。本文仅介绍2种模型，实际如输入受限、未知干扰、一阶波浪力等情况，此处不做深入探讨。2动力定位系统控制策略DP控制策略经历了从经典的由低通滤波和PID控制结合的第1代过渡到以Kalman滤波和最优控制结合的第2代DP控制策略，并逐渐发展为以智能控制技术为基础的第3代DP控制策略。2.1基于PID算法的DP控制策略PID原理简单，易于工程应用，且鲁棒性强，适用于环境恶劣的工业控制过程，常用DP控制策略表达式为：u(t)=Kp[e(t)+1/Tit0e(t)dt+Tdde(t)/dt]。其中e(t)为跟踪误差。基本原理框图如图1所示。图1动力定位PID控制策略原理图Fig.1TheSchematicdiagramofPIDcontrolstrategyfordynamicpositioningmodel考虑船舶存在对定位时间要求不高且控制过程中有异常外力影响系统的情况，Svenn[7]设计了一种基于PID的混合控制方法，当误差较大时，控制器中积分部分采用大数值作为调节参数，当接近期望值时，控制器切换为常规PID进行调节。直翼推进器响应速度足够高，可以保证定位的高精度、实时性，Philipp[8]针对配置直翼推进器的DP船舶设计PID控制器，并?
【参考文献】：
期刊论文
[1]带有推进器故障的船舶动力定位系统的鲁棒滑模容错控制[J]. 郝立颖,韩金城,郭戈,李莉莉. 控制与决策. 2020(06)
[2]滑模控制船舶动力定位控制系统研究[J]. 关克平,张新放. 舰船科学技术. 2018(05)
[3]基于滑模自抗扰的半潜式海洋平台动力定位控制方法研究[J]. 和红磊,王玉龙. 船舶工程. 2016(11)
[4]相关噪声下非线性滤波及在动力定位中的应用[J]. 林孝工,焦玉召,梁坤,李恒. 控制理论与应用. 2016(08)
[5]带有UKF滚动时域估计的动力定位控制器[J]. 苏义鑫,赵俊. 哈尔滨工程大学学报. 2016(10)
[6]基于EKF的船舶模型预测动力定位导引控制器设计[J]. 刘菊,熊晓东,汪大鹏,李鹏. 造船技术. 2016(02)
[7]动态不确定海况下的船舶动力定位控制算法[J]. 孙蓓蓓. 舰船科学技术. 2016(04)
[8]基于扰动观测器的动力定位船终端滑模航迹跟踪控制[J]. 付明玉,刘佳,吴宝奇. 中国造船. 2015(04)
[9]强跟踪自适应CKF及其在动力定位中应用[J]. 徐树生,李娟,温利,龚丽农. 电机与控制学报. 2015(02)
[10]船舶动力定位关键技术研究综述[J]. 吴德烽,杨国豪. 舰船科学技术. 2014(07)
博士论文
[1]动力定位船推进器故障容错控制方法研究[D]. 李鸣阳.哈尔滨工程大学 2018
[2]多动力定位船的协调编队控制方法研究[D]. 焦建芳.哈尔滨工程大学 2014
[3]船舶动力定位容错控制方法研究[D]. 宁继鹏.哈尔滨工程大学 2013
硕士论文
[1]船舶动力定位测量系统智能故障诊断方法研究[D]. 张赞.哈尔滨工程大学 2017
[2]多艘动力定位船鲁棒自适应编队控制研究[D]. 王彬.哈尔滨工程大学 2017
[3]多DP船协调编队有限时间控制方法研究[D]. 骆伟.哈尔滨工程大学 2017
[4]执行器故障的船舶动力定位系统容错控制[D]. 胡明佳.大连海事大学 2016
[5]船舶动力定位系统模型预测控制研究[D]. 王刚.大连海事大学 2016
[6]基于模糊预测控制的船舶动力定位系统控制器研究[D]. 熊卫卫.江苏科技大学 2012
本文编号：3345976
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