船舶动力定位非线性模型预测控制研究

发布时间：2020-07-05 10:57

【摘要】：随着我国海洋工程逐渐向深海延伸,动力定位系统在海洋工程的应用越来越广泛,动力定位技术的研究显得极为迫切和必要。本文以船舶动力定位系统为研究对象,主要采用分离型建模方法和非线性模型预测控制等理论方法,研究动力定位船舶的六自由度操纵运动数学模型和动力定位控制算法等一系列问题,主要研究内容为如下4个方面:首先,针对“多桨多舵”动力定位船舶进行低速大漂角运动且极易受到海洋环境扰动影响的运动特点,采用分离型建模思想,提出了一种全速域动力定位船舶六自由度操纵运动数学模型。该模型充分考虑了可变螺距螺旋桨推进器的多象限工况,海洋环境中不规则风扰动和短峰不规则波浪扰动。以一艘深水多用途海洋工程拖船为研究对象进行了旋回试验、停船试验和侧推试验,仿真结果表明所建立的模型满足动力定位船舶测试仿真平台和船舶动力定位模拟器的精度要求。其次,针对动力定位船舶存在系统输入和输入变化率饱和且受到未知时变扰动条件下的非线性控制问题。首先采用模型预测控制算法设计船舶动力定位控制器,将线性化的船舶运动数学模型作为预测模型,提出一种含有积分器的船舶动力定位模型预测控制算法。然后考虑动力定位船舶是复杂的非线性系统,线性模型预测控制算法易出现发散现象的问题,应用精确反馈线性化设计工具将原非线性系统转换为线性系统,同时采用序列二次规划方法求解非线性约束问题,提出了一种基于精确反馈线性化的船舶动力定位非线性模型预测控制算法。以一艘动力定位供给船为研究对象进行了仿真验证,仿真结果表明,本文所提出控制算法能够在系统存在输入和输入变化率饱和的情况下,克服海洋环境如风浪等未知时变扰动对船舶的影响,使船舶到达并保持在期望位置和艏向。接着,针对非线性模型预测控制算法在线计算量大的实时控制问题,提出了一种基于拉盖尔函数的船舶动力定位非线性模型预测控制算法。该算法引入拉盖尔函数,用于描述线性控制结构的控制增量信号,降低了非线性优化问题中各系数矩阵的维度,从而降低了在线优化的计算负荷。最后以一艘动力定位供给船为研究对象进行了仿真对比实验,仿真结果表明该算法保留了原非线性模型预测控制算法控制性能,同时降低了控制器的计算量,达到了实时性的要求。最后,针对动力定位系统实船使用前需进行不同阶段的系统测试,以及采用模型试验、实船试验测试动力定位系统存在风险大、费用高、调试周期长等缺点,首先开发了一套针对船舶动力定位控制算法测试的仿真系统,采用多线程技术、三维图形技术、计算机网络技术等手段实现了界面友好、操作方便的实时仿真系统。同时基于实验室的航海模拟器系统和本文所提出的动力定位船舶六自由度运动数学模型,研发了针对动力定位控制系统的硬件在环测试仿真系统,该系统与荷兰某动力定位厂商的动力定位控制系统成功对接,验证了系统的可行性和有效性。本文所研究的动力定位船舶运动数学模型和船舶动力定位控制算法对提高动力定位系统的定位精度,推进国产化的海洋工程装备研制具有现实意义,为发展“绿色”海洋经济奠定了重要理论基础。
【学位授予单位】：大连海事大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：U664.82
【图文】：

动力定位,工程船,自航

国内自２０世纪７０年代开始研究动力定位技术，但大多数研究单位尚处于理论研究或逡逑试验研究阶段。哈尔滨工程大学自１９８３年开始研究船舶动力定位技术，并在１９９７年成功逡逑研制了我国第一套装备水面的动力定位系统［７１。２００９年８月，中国船舶工业集团７０８研究逡逑所首次成功设计了世界最先进的ＤＰ－３级动力定位系统，获得了中国船级社和美国船级社逡逑的认可，并通过了故障模式与影响分析的全面验证［８］。２０１２年５月，我国首座自主设计、逡逑建造的第六代深水半潜式钻井平台“海洋石油９８１邋”建造成功，配备了目前世界上最先进逡逑的ＤＰ－３动力定位控制系统，能够在深海中精确定位［９］。２０１４年１０月，哈尔滨工程大学牵逡逑头研发的“ＤＰ－３动力定位系统研制”项目通过了工信部验收，实现了我国ＤＰ－３动力定位逡逑系统“零”的突破［１Ｇ］。近几年，我国在动力定位船舶设计和建造均有较大的突破，如首逡逑艘动力定位自航工程船“华海龙”号、首艘３邋０００米级动力定位深水铺管起重船“海洋石逡逑油２０１”、首艘动力定位挖沟船“海洋石油２９５”、首艘深海动力定位原油转驳船（Ｎ６９７－逡逑ＣＴＶ）等陆续投入使用。尽管我国在动力定位技术的研究取得了一定的成果，但在理论逡逑研究与实际应用之间存在较大差距，大多数关键技术仍依赖于国外。逡逑

动力定位,挖沟

【参考文献】