船舶鋪管作業(yè)動力定位控制方法研究.pdf

1、深海油氣管道鋪設(shè)船舶的動力定位(DynamicPositioning,DP)控制技術(shù),是鋪管船用動力定位系統(tǒng)設(shè)計的關(guān)鍵技術(shù)。本學(xué)位論文結(jié)合相關(guān)工程需求,從理論上對J型鋪管動力定位系統(tǒng)的建模和鋪管船動力定位輸出反饋控制理論開展了深入的研究,其研究內(nèi)容主要包括以下幾個方面:
　　建立了動力定位船舶運(yùn)動學(xué)、動力學(xué)和海洋環(huán)境干擾模型。提出一種計算J型鋪管作業(yè)中管道對船體作用力的懸鏈線非線性方程方法,將船舶的位置、艏向、運(yùn)動速度和放管速度作

2、為影響管道力的因素考慮。通過建立船舶、環(huán)境和管道模型給出了動力定位船進(jìn)行鋪管作業(yè)的仿真模型,并基于模型進(jìn)行了仿真驗證。
　　DP鋪管船輸出反饋控制器的基礎(chǔ)是設(shè)計鋪管船狀態(tài)觀測器,對于此問題,提出一種魯棒強(qiáng)跟蹤擴(kuò)展Kalman濾波器(RobustStrongTrackingExtendedKalmanFilter,RST-EKF)。該濾波器在DP鋪管船模型存在參數(shù)不確定性時,利用指數(shù)漸消因子放大當(dāng)前位置和艏向測量值權(quán)系數(shù),使濾波器快

3、速收斂;同時,針對船舶位置參考系統(tǒng)和羅經(jīng)存在野值的問題,引入根據(jù)新息不同情況進(jìn)行分段的穩(wěn)健矩陣函數(shù),避免了指數(shù)漸消因子對野值產(chǎn)生的粗差不合理放大,保證了濾波器的魯棒性。仿真結(jié)果表明,該算法可以保證模型參數(shù)具有不確定性時濾波器的收斂速度,同時對新息粗差具有較好的魯棒性。進(jìn)一步,為了克服EKF不具有全局穩(wěn)定性的問題,在系統(tǒng)模型存在結(jié)構(gòu)不確定性情況下,提出了一種自適應(yīng)滑模無源非線性觀測器。對滑模面增益上界,提出一種切換自適應(yīng)律進(jìn)行估計,避免了

4、增益過大產(chǎn)生的觀測器振蕩和增益過小造成的系統(tǒng)不穩(wěn)定,最后證明了觀測誤差是全局一致有界的。仿真基于帶有非線性水動力矩陣的DP鋪管船動力學(xué)模型進(jìn)行,結(jié)果表明,觀測器能夠克服非線性水動力矩陣引入的模型結(jié)構(gòu)不確定性,具有良好的估計精度和魯棒性。
　　針對鋪管船DP作業(yè)時的最優(yōu)跟蹤控制問題,提出一種自適應(yīng)逆最優(yōu)反步循跡狀態(tài)反饋控制器。首先針對系統(tǒng)線性化部分設(shè)計最優(yōu)跟蹤控制律,再利用線性最優(yōu)跟蹤控制律給出的時變代數(shù)Riccati方程結(jié)合反步法

5、對系統(tǒng)進(jìn)行狀態(tài)變換,并針對慢變海洋環(huán)境干擾設(shè)計了自適應(yīng)律進(jìn)行估計補(bǔ)償,隨后給出了使系統(tǒng)穩(wěn)定的自適應(yīng)反步循跡控制律,最后根據(jù)逆最優(yōu)思想,給出所設(shè)計控制律作用下的最優(yōu)性能指標(biāo)。仿真中利用PID控制器與兩組不同參數(shù)的最優(yōu)控制器進(jìn)行比較,說明了所提出算法的有效性。在此基礎(chǔ)上,為了使控制器更適合鋪管過程中船舶的行進(jìn)——航停循環(huán)作業(yè)工況,提出帶有速度校正環(huán)節(jié)的逆最優(yōu)反步法狀態(tài)反饋路徑跟蹤控制器,該方法能夠在線靈活調(diào)整期望速度。首先設(shè)計逆最優(yōu)反步路徑

6、跟蹤控制律使船體漸近跟蹤期望路徑,然后根據(jù)該控制律給出可最小化的性能指標(biāo),再設(shè)計梯度更新律使速度誤差收斂于零。仿真結(jié)果表明該算法在實(shí)現(xiàn)最優(yōu)控制的同時,可以滿足船舶行進(jìn)——航停工作模式的要求。
　　針對船舶鋪管時管道和船體期望路徑不同的問題,假設(shè)管道與海底接觸點(diǎn)(著地點(diǎn))到船體間的距離保持不變,并通過坐標(biāo)轉(zhuǎn)換將管道著地點(diǎn)實(shí)際路徑與海底期望路徑映射為船體實(shí)際和期望路徑,然后設(shè)計了反饋線性化循跡控制器用以驗證所給出的坐標(biāo)變換方法。仿真結(jié)

7、果表明上述方法可以控制DP船將管道鋪設(shè)于給定路徑上。進(jìn)一步,為了使控制器更好的適應(yīng)DP船行進(jìn)鋪管時船體勻加速——勻速——勻減速的運(yùn)動過程,提出一種帶有加速度校正環(huán)節(jié)的反饋線性化狀態(tài)反饋路徑跟蹤控制器,該方法能夠在線靈活調(diào)整期望加速度。首先將原DP鋪管船二階系統(tǒng)的控制項求導(dǎo),得到一個新的三階增廣系統(tǒng)并對其設(shè)計反饋線性化路徑跟蹤控制律,使系統(tǒng)輸出漸近跟蹤期望路徑,再設(shè)計梯度更新律使加速度誤差收斂于零,并通過調(diào)節(jié)期望加速度實(shí)現(xiàn)了定常速度的誤差