過驅(qū)動水面航行器的控制分配技術研究.pdf

1、隨著陸地與近海油氣資源的開發(fā)不斷向深海區(qū)域拓展，各類水面船舶與海洋結(jié)構(gòu)物對推力器系統(tǒng)的工作性能提出了更高的要求。全驅(qū)動、過驅(qū)動的推進系統(tǒng)配置應經(jīng)成為半潛式鉆井平臺、鉆井船舶、供給船、穿梭油輪等作業(yè)類與輔助作業(yè)類水面航行器進行深海作業(yè)的主要選擇。合理、高效地利用冗余的推進裝置，建立綜合考慮控制分配算法、系統(tǒng)多樣運行模式與海洋環(huán)境變化以及推力器故障的控制分配管理系統(tǒng)，對提高過驅(qū)動水面航行器海上作業(yè)的安全性、經(jīng)濟性與可靠性具有重要的理論研究意

2、義和實際應用價值。
　　 本文綜述了國內(nèi)外過驅(qū)動系統(tǒng)的控制分配技術研究現(xiàn)狀，全面總結(jié)了控制分配方法的研究現(xiàn)狀以及過驅(qū)動系統(tǒng)控制分配研究的關鍵技術、主要研究成果和存在的問題。闡述了過驅(qū)動水面航行器的控制分配問題，給出了最優(yōu)化解的求解模型。在分析了過驅(qū)動水面航行器控制分配時所涉及的執(zhí)行機構(gòu)約束條件與功率約束條件的基礎上，給出了水面航行器各類執(zhí)行機構(gòu)的控制分配可行域。
　　 針對水面航行器不同的推力器配置，探討了基于不同推力器

3、配置矩陣的廣義逆分配策略。對基于能量消耗最優(yōu)為目標函數(shù)控制分配求解時可能出現(xiàn)的奇異情況而導致推力的不合理輸出，應用奇異值分解對廣義逆分配算法進行優(yōu)化，通過對當前最優(yōu)推力方向下的推力器配置矩陣的最小增益的監(jiān)測來判斷奇異情況的發(fā)生。受奇異值分解思想的啟發(fā)，提出了考慮奇異值分解的推力器系統(tǒng)配置方案來優(yōu)化設計推力器系統(tǒng)的總體布置以及推力器在配電系統(tǒng)中的組合排布，并在981深水鉆井平臺上對該優(yōu)化配置方法進行了驗證。
　　 考慮到傳統(tǒng)的推力

4、分配根據(jù)推力器的布置情況預先設定并始終執(zhí)行一種推力分配邏輯已經(jīng)不能適應水面航行器的作業(yè)海況與作業(yè)任務的變化，基于監(jiān)督器的多模切換理論，建立了基于監(jiān)督器的的控制分配切換結(jié)構(gòu)，上層的監(jiān)督控制器綜合考慮系統(tǒng)當前的運行模式、外界海洋環(huán)境條件以及推力器系統(tǒng)的故障情況等因素進行控制分配器間的自動切換，在下層的控制分配策略集合中建立了固定方向角模式與可變方向角模式的分配策略，使帶有可轉(zhuǎn)向推力器的推力器系統(tǒng)可以根據(jù)外界海況的變化或系統(tǒng)運行模式的改變靈活

5、調(diào)整運行域。
　　 為了提高水面航行器控制系統(tǒng)對推力器系統(tǒng)故障的容錯能力，對推力器系統(tǒng)的故障模式及其影響進行了分析。在廣義逆法的基礎上提出了基于故障推力器權(quán)值懲罰、推力器系統(tǒng)配置改變以及約束條件調(diào)整的容錯再分配策略，開展了可轉(zhuǎn)向推力器的推力故障容錯與回轉(zhuǎn)故障容錯的仿真與水池試驗。對一全回轉(zhuǎn)推力器系統(tǒng)開展了故障模式與影響分析，由于實際系統(tǒng)中故障模式的風險因子往往很難準確界定其危險程度，采取模糊集合對故障的發(fā)生率、故障的嚴重度與系統(tǒng)