高海況下船舶動力定位控制方法研究.pdf

1、隨著海洋資源的不斷開發(fā)以及其他海洋工程的需要，海洋工程船舶的作業(yè)范圍正在不斷的向深海、超深海深入，對工程船舶裝備的動力定位系統(tǒng)的要求也越來也高。深海作業(yè)時工程船舶所遭受的海洋環(huán)境往往比近海更為惡劣，即經(jīng)常會工作于高海況下，適用于常規(guī)海況的船舶動力定位控制策略并不能保證在高海況下達到同樣的控制效果。因此有必要針對高海況下船舶動力定位控制方法展開研究，為高海況下船舶控制提出切實可行的控制策略。
　　到目前為止，并沒有針對高海況的確切定

2、義。本文中將高海況理解為仍處于船舶動力定位系統(tǒng)可控范圍的惡劣海況，即此時通過改進控制器控制策略仍能在一定程度上提升動力定位系統(tǒng)的控制性能。海況是海風(fēng)、海浪、海流等海洋環(huán)境共同作用的結(jié)果。高海況下復(fù)雜的海洋環(huán)境具有更為顯著的不確定性、耦合性、時變性等特點，處于高海況下的船舶運動過程也就表現(xiàn)為更強的非線性特性。
　　針對以上提出的問題，本文主要進行了以下幾個方面的研究工作：
　　首先，為了更準確的描述高海況下船舶運動狀態(tài)，在闡述

3、了耐波性理論與操縱性理論各自特點之后，基于統(tǒng)一性理論思想，建立了可用于描述不同海況下船舶運動狀態(tài)的非線性統(tǒng)一數(shù)學(xué)模型，本文主要針對高海況。為了驗證后續(xù)所設(shè)計控制器以及觀測器的性能，建立了相應(yīng)的海洋環(huán)境數(shù)學(xué)模型，其中對波浪負載的建模采取了波浪力幅值響應(yīng)算子方式，將波浪負載直接描述為作用于船舶上的一階波浪力和二階波浪力，更符合實際中的波浪負載的物理作用效果。
　　其次，針對高海況下波浪周期變長，頻率降低，難以分離出船舶運動的波頻成分，

4、基于非線性統(tǒng)一數(shù)學(xué)模型設(shè)計了一種專門適用于高海況的非線性無源觀測器，用以估計無法直接測量的船舶運動速度和偏差項。所設(shè)計觀測器具有與普通觀測器相似的無源性和穩(wěn)定性分析過程，在一定程度上降低了設(shè)計難度。
　　再次，鑒于已經(jīng)為高海況下的船舶運動建立了更為準確的非線性統(tǒng)一數(shù)學(xué)模型，同時考慮到高海況下的船舶動力定位控制問題屬于一類強非線性問題，因此將依賴于準確數(shù)學(xué)模型并在處理非線性控制問題方面具有強大優(yōu)勢的反步控制方法應(yīng)用到高海況下船舶動力

5、定位系統(tǒng)控制器的設(shè)計中去，通過選取恰當(dāng)?shù)臓顟B(tài)變量，構(gòu)造相應(yīng)的李雅普諾夫函數(shù)，推導(dǎo)得到了基于非線性統(tǒng)一數(shù)學(xué)模型的反步控制器。雖然采用了更為準確的統(tǒng)一數(shù)學(xué)模型描述高海況下的船舶運動狀態(tài)，但由于模型中的波浪力在實際中是無法直接測量的，并且考慮到高海況下復(fù)雜的海洋環(huán)境，總會存在不確定的未知環(huán)境干擾以及未建模動態(tài)，為了提高高海況下船舶動力定位系統(tǒng)控制器的魯棒性，將滑模控制方法應(yīng)用到反步控制器中。針對引入滑模項后，控制力和力矩存在的抖振問題，利用準

6、滑動模態(tài)的邊界層設(shè)計方法進行了去抖處理。
　　最后，基于Matlab/Simulink，在挪威科技大學(xué)開發(fā)的開源MSS（Marine Systems Simulator）海洋系統(tǒng)仿真工具包基礎(chǔ)上，針對以上控制器和觀測器的具體設(shè)計過程，分別搭建了高海況下反步控制器、去抖前反步滑?？刂破鳌⑷ザ逗蠓床交？刂破饕约翱紤]非線性無源觀測器時的船舶動力定位控制系統(tǒng)仿真平臺，并進行了仿真結(jié)果的分析與討論，仿真結(jié)果表明所設(shè)計的控制器和觀測器能夠滿