多艘動力定位船舶同步運動控制研究.pdf

1、隨著人們對海洋資源的深入開發(fā)，動力定位技術(shù)也得到了迅猛發(fā)展。然而，考慮到單艘動力定位船舶的作業(yè)能力和作業(yè)范圍有限，而相比之下，多艘動力定位船舶協(xié)同作業(yè)不但能夠提高海上任務的效率，而且還能執(zhí)行某些特種作業(yè)，像船舶航行補給、海上巡邏、破冰船的護航等海上任務。近年來，隨著多艘船舶的控制研究逐漸成為船舶控制研究的熱點，多艘船舶的同步控制作為多艘船舶控制的分支，也引起了廣泛地關(guān)注和研究。
　　本文以多艘動力定位船舶為研究對象，考慮到多艘船舶

2、協(xié)同作業(yè)涉及到船舶通信問題，針對船舶之間通信受限的情況，如何保證船舶之間仍能保持同步運動；另外，在實際的海上作業(yè)時，海洋環(huán)境的復雜多變成為多艘船舶的同步運動控制研究的難點，如何能夠抵抗時變的擾動確保多艘船舶的同步運動，以保證作業(yè)任務的安全進行；在船舶之間的通信網(wǎng)絡不可靠時，要保證船舶之間的同步運動，就需要引入通信時延，在考慮通信時延時，如何保證船舶之間的延遲同步；以及，當海上的作業(yè)任務改變時，如何確保不同作業(yè)任務之間的安全切換，這些都是

3、多船同步運動控制研究中需要考慮的難點，也是本課題的研究重點。
　　本文從以下幾個方面對多艘船舶的同步運動控制進行分析。
　　首先，簡單介紹了本論文所涉及到的數(shù)學圖論、Lyapunov穩(wěn)定性以及無源控制理論等基本知識。并且為了建立水平面三自由度船舶運動數(shù)學模型，建立了兩種參考坐標系，接著，介紹了Euler-Lagrange系統(tǒng)的基本概念以及性質(zhì)，并且基于Euler-Lagrange系統(tǒng)的一般表達式，利用運動學和動力學原理，建立

4、了動力定位船舶三自由度運動數(shù)學模型，并且對所建立的船舶運動數(shù)學模型進行了直航以及定?；剞D(zhuǎn)仿真實驗的驗證，證實所建立船模的合理性。
　　其次，考慮到多艘船舶的通信異常情況，即某些船舶由于環(huán)境或者自身通信范圍的限制，不能接受相鄰船舶發(fā)送的狀態(tài)信息，而只能發(fā)出信息。針對這種情況，利用數(shù)學圖論中有向強連通圖的知識，建立船舶之間的通信拓撲結(jié)構(gòu)，該拓撲結(jié)構(gòu)不要求船舶之間的通信是雙向的，并且該拓撲圖不一定是平衡圖，在此基礎上，設計了有向通信拓撲

5、下的多艘船舶的同步運動控制器，控制船舶實現(xiàn)了同步運動。
　　接著，考慮到未知海洋環(huán)境擾動，包括二次波浪力，海流和風擾動，假設測量噪聲和一次波浪力已經(jīng)由濾波器濾去，由此，設計了擾動觀測器對隨時間變化的外界干擾進行在線實時估計。并且為了使同步運動的效果達到更好，本文采用基于交叉耦合的控制思想，該思想主要是通過將耦合誤差引入到控制器的分析與設計中，由此，設計了具有全局一致有界的魯棒同步運動控制策略，并對整個閉環(huán)控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性進行了分析

6、和討論，最后，設計仿真實驗證實了所提出的控制方法的合理性和正確性。
　　然后，考慮到船舶之間通信存在時延的情況，設計了時延同步魯棒控制器，對設計的控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性做了相關(guān)分析，并設計實驗證明了所設計的時延系統(tǒng)的同步運動控制器對定常的通信時延具有一定的魯棒性。
　　再者，考慮到多艘船舶同步作業(yè)時，不同任務之間的安全切換問題，利用導引-控制系統(tǒng)的思想，并采用反步滑?？刂疲O計了基于導引系統(tǒng)的多艘船舶自適應同步運動控制策略。導引系