动力定位系统模型预测控制与失效移位研究

发布时间：2017-09-28 03:00

  本文关键词：动力定位系统模型预测控制与失效移位研究

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【摘要】：我国南海油气资源总量占全国的1/3,并且主要集中在500～3000m深水海域,随着"建设海洋强国"、《中国制造2025》和"2]世纪海上丝绸之路"国家战略的逐步实施,越来越多深水作业的船舶或平台将会配备动力定位系统。现在海洋行业对动力定位船舶或平台作业的安全性和可靠性要求越来越高,为了确保动力定位船舶或平台的作业安全,必须同时确保动力定位系统的控制精度和一旦发生动力定位系统失效后能及时、安全、有效地解脱。本文首先建立了动力定位系统船舶数学模型,按38:1缩小比设计、制作了供给船船模用于海洋环境扰动仿真平台和预测模型控制算法的试验验证,然后搭建了海洋环境扰动仿真平台用于预测模型控制算法和钻井平台漂移曲线的仿真计算,并提出了基于状态估计器的模型预测控制算法,开发了基于钻井平台漂移和驱离曲线的深水钻井船或平台动力定位系统失效移位计算软件,并通过了"海洋石油981"平台实船验证,主要的研究工作包括以下四个方面内容:1、首先描述船舶运动的坐标系,并建立了动力定位系统船舶数学模型,包括船舶动力学模型和船舶运动学模型,按38:1缩小比设计、制作了海洋平台供给船船模,通过大量的试验获得了船模的水动力参数,最后基于Matlab搭建了动力定位系统船舶运动数学模型,为后续仿真、船模试验奠定了基础。2、从船舶动力定位控制系统研究的核心问题——环境扰动切入。为了有效地量化海洋环境对动力定位船舶或平台的作用,分别建立了精确的风力、波浪和海流数学模型,基于Matlab/Simulink构建了海洋环境风力、波浪扰动的仿真平台,综合研究风力、波浪扰动的特性以及风力、波浪扰动对船舶的作用力/力矩和船舶位置的影响,最后利用所搭建的供给船船模进行了水池验证试验,验证了所搭建海洋环境扰动仿真平台的准确性、有效性和通用性。3、针对动力定位系统中存在状态不完全可测时的控制问题,提出了基于状态估计器的模型预测控制算法,实现了约束条件下的动力定位系统精确控制,基于Matlab/Simulink对有无约束及有无状态估计器的模型预测控制进行了仿真对比分析,最后进行供给船船模水池试验,通过仿真计算和船模试验结果验证了基于状态估计器的模型预测控制算法的有效性和准确性。4、针对深水钻井船或平台发生动力定位系统失效移位时隔水管系统的解脱时间问题,统计分析了钻井船或平台动力定位系统失效移位事故数据,分析了钻井船或平台动力定位系统失效移位模式,研究深水钻井船或平台在动力定位系统失效后的平台移位运动规律,根据海洋环境扰动仿真平台仿真计算钻井平台漂移曲线,建立了深水钻井船或平台隔水管系统紧急解脱界限值的计算方法,开发了深水钻井船或平台动力定位系统失效移位计算软件,并通过"海洋石油981"平台实船验证,确保能及时、有效、准确地解脱隔水管系统,保证了深水动力定位钻井船或平台的作业安全。
【关键词】：动力定位 环境扰动 模型预测控制 钻井平台 移位
【学位授予单位】：大连海事大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：U664.82
【目录】：

• 创新点摘要5-6
• 摘要6-8
• ABSTRACT8-13
• 第1章 绪论13-34
• 1.1 研究背景及意义13-18
• 1.2 动力定位系统简介18-23
• 1.2.1 动力定位系统定义及组成18-20
• 1.2.2 动力定位船舶定义20
• 1.2.3 动力定位分级及要求20-23
• 1.3 国内外动力定位控制系统研究现状23-27
• 1.3.1 国外动力定位控制系统研究现状23-25
• 1.3.2 国内动力定位控制系统研究现状25-27
• 1.4 动力定位模型预测控制研究现状27-29
• 1.5 动力定位系统失效移位研究现状29-31
• 1.6 本文的主要内容31-34
• 第2章 动力定位船舶运动数学模型34-54
• 2.1 坐标系统34-36
• 2.2 运动学36-38
• 2.3 动力学38-45
• 2.4 船舶运动数学模型45-47
• 2.5 动力定位船舶数学模型和试验模型47-53
• 2.5.1 动力定位船舶数学模型47-48
• 2.5.2 动力定位船舶试验模型48-52
• 2.5.3 船模试验水池及相关测量系统52-53
• 2.6 本章小结53-54
• 第3章 动力定位系统海洋环境扰动建模、仿真与验证54-87
• 3.1 风力模型55-65
• 3.1.1 风速和风向55
• 3.1.2 风的时域仿真55-56
• 3.1.3 风力、风力矩及系数的计算56-57
• 3.1.4 风力扰动仿真计算57-64
• 3.1.5 风力扰动船模试验64-65
• 3.2 波浪力模型65-76
• 3.2.1 随机海浪模型65-66
• 3.2.2 波浪响应模型66-67
• 3.2.3 波浪力响应幅值算子67-68
• 3.2.4 波浪力68
• 3.2.5 波浪扰动仿真计算68-76
• 3.2.6 波浪扰动船模试验76
• 3.3 海流模型76-79
• 3.3.1 海流对船舶运动的影响77
• 3.3.2 海流作用于船体的干扰力及力矩77-79
• 3.4 海洋环境扰动仿真平台模拟分析79-84
• 3.5 海洋环境扰动船模水池试验84-85
• 3.6 本章小结85-87
• 第4章 动力定位系统模型预测控制87-113
• 4.1 模型预测控制基本原理87-91
• 4.2 动力定位系统数学模型的处理91-92
• 4.3 基于状态方程的预测控制器设计92-101
• 4.3.1 状态空间预测模型93-95
• 4.3.2 滚动优化95-97
• 4.3.3 反馈校正97
• 4.3.4 约束处理97-99
• 4.3.5 估计器设计99-101
• 4.4 模型预测控制器仿真计算101-107
• 4.4.1 无风静水下仿真102-104
• 4.4.2 风浪综合扰动下仿真104-107
• 4.5 模型预测控制器船模试验验证107-112
• 4.5.1 无风静水下船模试验107-110
• 4.5.2 风浪综合扰动下船模试验110-112
• 4.5.3 船模试验误差分析112
• 4.6 本章小结112-113
• 第5章 动力定位系统失效移位分析与计算113-147
• 5.1 动力定位系统失效移位事故与模式113-120
• 5.1.1 动力定位系统失效移位事故113-118
• 5.1.2 动力定位系统失效移位模式118-120
• 5.2 动力定位能力分析与漂移仿真计算120-130
• 5.2.1 动力定位能力分析120-129
• 5.2.2 动力定位系统失效漂移仿真计算129-130
• 5.3 动力定位系统失效移位隔水管系统130-133
• 5.4 动力定位系统失效移位分析133-135
• 5.5 动力定位系统失效移位界限值计算135-137
• 5.6 动力定位系统失效移位界限值软件开发与实船验证137-146
• 5.7 本章小结146-147
• 第6章 结论与展望147-149
• 6.1 结论147-148
• 6.2 展望148-149
• 参考文献149-162
• 攻读学位期间公开发表论文162-165
• 致谢165-166
• 作者简介166

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1 赵志高,杨建民,王磊,程俊勇;动力定位系统发展状况及研究方法[J];海洋工程;2002年01期

2 周利;王磊;;船舶动力定位系统与锚泊辅助动力定位系统的时域模拟比较[J];船海工程;2009年04期

3 史斌杰;吴U営，

本文编号：933383