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1、隨著人們對(duì)海洋資源的深入開(kāi)發(fā),動(dòng)力定位技術(shù)也得到了迅猛發(fā)展。然而,考慮到單艘動(dòng)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(dòng)力定位船舶協(xié)同作業(yè)不但能夠提高海上任務(wù)的效率,而且還能執(zhí)行某些特種作業(yè),像船舶航行補(bǔ)給、海上巡邏、破冰船的護(hù)航等海上任務(wù)。近年來(lái),隨著多艘船舶的控制研究逐漸成為船舶控制研究的熱點(diǎn),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(dòng)力定位船舶為研究對(duì)象,考慮到多艘船舶
2、協(xié)同作業(yè)涉及到船舶通信問(wèn)題,針對(duì)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(yùn)動(dòng);另外,在實(shí)際的海上作業(yè)時(shí),海洋環(huán)境的復(fù)雜多變成為多艘船舶的同步運(yùn)動(dòng)控制研究的難點(diǎn),如何能夠抵抗時(shí)變的擾動(dòng)確保多艘船舶的同步運(yùn)動(dòng),以保證作業(yè)任務(wù)的安全進(jìn)行;在船舶之間的通信網(wǎng)絡(luò)不可靠時(shí),要保證船舶之間的同步運(yùn)動(dòng),就需要引入通信時(shí)延,在考慮通信時(shí)延時(shí),如何保證船舶之間的延遲同步;以及,當(dāng)海上的作業(yè)任務(wù)改變時(shí),如何確保不同作業(yè)任務(wù)之間的安全切換,這些都是
3、多船同步運(yùn)動(dòng)控制研究中需要考慮的難點(diǎn),也是本課題的研究重點(diǎn)。
本文從以下幾個(gè)方面對(duì)多艘船舶的同步運(yùn)動(dòng)控制進(jìn)行分析。
首先,簡(jiǎn)單介紹了本論文所涉及到的數(shù)學(xué)圖論、Lyapunov穩(wěn)定性以及無(wú)源控制理論等基本知識(shí)。并且為了建立水平面三自由度船舶運(yùn)動(dòng)數(shù)學(xué)模型,建立了兩種參考坐標(biāo)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(dá)式,利用運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)原理,建立
4、了動(dòng)力定位船舶三自由度運(yùn)動(dòng)數(shù)學(xué)模型,并且對(duì)所建立的船舶運(yùn)動(dòng)數(shù)學(xué)模型進(jìn)行了直航以及定?;剞D(zhuǎn)仿真實(shí)驗(yàn)的驗(yàn)證,證實(shí)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(duì)這種情況,利用數(shù)學(xué)圖論中有向強(qiáng)連通圖的知識(shí),建立船舶之間的通信拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),該拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)不要求船舶之間的通信是雙向的,并且該拓?fù)鋱D不一定是平衡圖,在此基礎(chǔ)上,設(shè)計(jì)了有向通信拓?fù)?/p>
5、下的多艘船舶的同步運(yùn)動(dòng)控制器,控制船舶實(shí)現(xiàn)了同步運(yùn)動(dòng)。
接著,考慮到未知海洋環(huán)境擾動(dòng),包括二次波浪力,海流和風(fēng)擾動(dòng),假設(shè)測(cè)量噪聲和一次波浪力已經(jīng)由濾波器濾去,由此,設(shè)計(jì)了擾動(dòng)觀測(cè)器對(duì)隨時(shí)間變化的外界干擾進(jìn)行在線實(shí)時(shí)估計(jì)。并且為了使同步運(yùn)動(dòng)的效果達(dá)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(guò)將耦合誤差引入到控制器的分析與設(shè)計(jì)中,由此,設(shè)計(jì)了具有全局一致有界的魯棒同步運(yùn)動(dòng)控制策略,并對(duì)整個(gè)閉環(huán)控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性進(jìn)行了分析
6、和討論,最后,設(shè)計(jì)仿真實(shí)驗(yàn)證實(shí)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(shí)延的情況,設(shè)計(jì)了時(shí)延同步魯棒控制器,對(duì)設(shè)計(jì)的控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性做了相關(guān)分析,并設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)證明了所設(shè)計(jì)的時(shí)延系統(tǒng)的同步運(yùn)動(dòng)控制器對(duì)定常的通信時(shí)延具有一定的魯棒性。
再者,考慮到多艘船舶同步作業(yè)時(shí),不同任務(wù)之間的安全切換問(wèn)題,利用導(dǎo)引-控制系統(tǒng)的思想,并采用反步滑??刂疲O(shè)計(jì)了基于導(dǎo)引系統(tǒng)的多艘船舶自適應(yīng)同步運(yùn)動(dòng)控制策略。導(dǎo)引系
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