船舶自动靠泊简捷非线性鲁棒控制

发布时间：2020-08-21 05:48

【摘要】：为了解决欠驱动船舶港内操纵时受限水域、不确定数学模型、相对较强环境扰动下自动靠泊控制器设计的关键性问题,本文以“船舶自动靠泊简捷非线性鲁棒控制”为选题,充分考虑航海实践的要求,进行系统性的理论探索研究。期望为船舶靠泊辅助支持系统或智能船舶全航线自动控制提供理论指导和技术支撑,从而进一步提高靠泊效率,降低安全风险。本文分别针对船舶自动靠泊控制任务中的港内操纵运动数学模型、控制理论算法、控制工程应用3个关键点进行深入探究,采用“简捷”+“鲁棒”+“自适应”的技术路线,即控制律要简捷、有效,易于工程实现,控制器能够在外界环境扰动和模型参数摄动有界条件下具有鲁棒性,在扰动和模型参数不确定下具有适应性。目标是通过解决船舶港内靠泊操纵控制中所涉及的几个难题,实现考虑船舶控制工程实践需求(执行器输入饱和、算法实时性等)的自动靠泊控制。本文首先针对船舶港内操纵时操控性和连贯性能变差,存在低速、大漂角运动,且风、流等干扰相对增大的特点,充分考虑浅水、低速、风、流等港内环境,以及船体、舵、桨等各部分的相互干扰和倒车特性,以应用广泛的右旋单桨船为研究对象,进行模型优化和参数修正,并利用三次样条插值算法对在常速域(漂角小于20°)与低速域(漂角大于30°)之间的过渡速域的流体力进行了计算,给出了一种适用于船舶港内操纵的、考虑右旋单桨倒车特性的船舶运动数学模型。最后通过对某液化气(LPG)船的仿真试验(旋回试验、Z型试验、停船试验、浅水试验、低速试验),验证所建模型的有效性。在控制算法方面,针对欠驱动船舶自动靠泊控制中模型动态不确定和有界扰动未知等问题,采用附加控制方法进行坐标转换,解决了欠驱动问题,并利用航海动态深度信息的神经网络自适应方法重构不确定的模型动态与未知扰动;针对港内螺旋桨非定常转速下航向保持控制问题,通过非线性环节来构造状态反馈或输出反馈的反馈(或修饰)方式,提出了基于非线性函数驱动的简捷非线性反馈和非线性修饰算法,并利用李雅普诺夫直接法及闭环系统响应分析法进行稳定性分析。在工程应用方面,为了加强船舶港内操纵与控制的安全性(从减小舵幅和舵机的负荷角度考虑),利用易于工程实践的闭环增益成形算法设计PID控制参数,选取双极性S函数驱动的非线性反馈技术设计控制器;为解决多参数自动靠泊神经网络控制器的计算负荷问题,提出一种考虑靠泊实践要求的简捷神经网络控制器设计的优化方法,该方法通过优化网络输入参数和有效信息提取频率,减少了计算维数;为解决自动靠泊自适应神经网络算法的计算负荷大的问题,在考虑到舵、桨执行器的输入饱和的基础上,利用动态面(DSC)技术与最小学习参数(MLP)的方法降低计算负载度,易于工程实现。本文所有实验采用Matlab/Simulink编程实现,验证了控制器设计方法的有效性。该研究对于推进高技术船舶制造业的发展具有重要的现实意义,为建设低碳、节能、环保和安全的海上交通运输奠定了重要的理论基础。
【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】：

梅山,参考线,码头,宁波

第１章绪论不会压向泊位方向，故不必担心由于横距太小而碰撞码头的问题，但由，需要提前带好拖轮、摆好船位、控制好抵泊角度，流越急越需要尽可。值得注意的是抵泊角度太大，会导致内舷正横方向横向水动力过大，边岛礁压去，甚至利用两条拖轮全速顶推都难以克服，这是该港靠泊的１］。逡逑

模型图,多输入多输出,船长,模型

比较典型的靠泊港还有京唐港［２５］、上海洋山申港［２６］、烟台港［２７］等等，在此逡逑不做一一赘述。逡逑根据以上分析，可总结出如图１．３所示的航海信息多输入多输出（ＭＭＯ，邋Ｍｕｌｔｉｐｌｅ逡逑Ｉｎｐｕｔ邋Ｍｕｌｔｉｐｌｅ邋Ｏｕｔｐｕｔ）的船长靠泊模型。根据文献综述及实践经验，总结出靠泊的关键是逡逑灵活运用靠泊三要素，减少横向千扰力（包括正横风、流干扰等），使船舶靠泊达到所逡逑期望路径的位形和姿态（包括靠泊可控、靠泊位置准确且无超调、靠泊后各自由度速度逡逑为零）。也就是说，不论靠泊条件如何（包括吹开风、吹拢风、顶流、顺流、开流和拢逡逑流），整个靠泊过程中要有足够的转船力矩和动力，减少横向干扰力，确保船舶按照所逡逑期望的靠泊计划步步推进，直到安全地靠妥码头。逡逑逦Ｈ环境扰动｜逦逡逑靠泊方案逡逑逦逦邋逦ｙ逦ｆｓ＾—逦逡逑Ｉ邋ｔ逡逑？ｈ港口信息ｉ广叫逡逑Ｌ－邋－邋－＿一－１反馈彳ｇ号逡逑图１．３多输入多输出（ＭＩＭＯ）的船长靠泊模型逡逑Ｆｉｇ．邋１．３邋ＭＩＭＯ邋ｍａｓｔｅｒ邋ｂｅｒｔｈｉｎｇ邋ｍｏｄｅｌ逡逑１．３船舶自动靠泊控制研究现状逡逑自动靠泊控制研宄始于２０世纪９０年代初，属于ＭＩＭＯ控制问题。到目前为止，逡逑该研宄主要依靠人的经验和精确的控制算法［２８］。由于自动靠泊问题涉及船舶在浅水中的逡逑低速运动，风、浪、流干扰相对增大，系统信息量增多，操纵和控制更趋困难［７］。因此，逡逑船舶自动靠泊已成为船舶运动控制中的一个亟待解决的难题。其所隐含的科学问题是研逡逑宄受限水域、不确定数学模型、较强环境扰动下的船舶操纵及定位控制［２９］。近年来

船模试验,键合图法,绞缆,缆绳

图１．４利用船缆的自动靠泊系统船模试验图逡逑Ｆｉｇ．邋１．４邋Ｓｈｉｐ邋ｍｏｄｅｌ邋ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ邋ｏｆ邋ａｕｔｏｍａｔｉｃ邋ｂｅｒｔｈｉｎｇ邋ｓｙｓｔｅｍ邋ｕｓｉｎｇ邋ｍｏｏｒｉｎｇ邋ｌｉｎｅｓ逡逑２０１７年Ｙａｎｇ等［５４］人设计了一种船基绞缆控制装置（如图１．４所示），可实现利用逡逑艏艉部两根缆绳进行平行靠泊，整个系统采用键合图法进行系统建模，利用非接触式超逡逑－１６－逡逑

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