平臺(tái)三用工作船有約束動(dòng)力定位系統(tǒng)的控制和仿真研究.pdf

1、隨著人類向深海進(jìn)軍，傳統(tǒng)的錨泊方式在安全性，經(jīng)濟(jì)性上都不再合適。動(dòng)力定位（DP）已成為深海作業(yè)的關(guān)鍵技術(shù)之一?？刂萍夹g(shù)是DP系統(tǒng)的核心，傳統(tǒng)的Kalman濾波和LQG控制是無(wú)約束DP系統(tǒng)的最優(yōu)控制方法，在實(shí)用中取得了巨大成功，然而，DP控制系統(tǒng)始終面臨一些難題：復(fù)雜的非線性特性對(duì)建模精度的影響；多變的海況，不確定的環(huán)境干擾力，系統(tǒng)設(shè)備的物理限制，不同的工況以及故障等給 DP系統(tǒng)加上的各種約束；船舶的大慣性特點(diǎn)引起的反饋控制滯后等等。隨著

2、 DP系統(tǒng)定位精度和控制性能要求的日益提高，解決動(dòng)力定位系統(tǒng)的約束問(wèn)題，提高控制技術(shù)的魯棒性和動(dòng)態(tài)性能已經(jīng)成為DP控制領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)之一。
　　本文的研究工作針對(duì)上述的熱點(diǎn)問(wèn)題展開，以我國(guó)一艘海洋平臺(tái)三用工作船“南海222”輪為仿真母船，在建立船舶運(yùn)動(dòng)和環(huán)境干擾力模型的基礎(chǔ)上，對(duì)有約束 DP系統(tǒng)的控制方法進(jìn)行了一系列研究，包括有約束 DP系統(tǒng)狀態(tài)估計(jì)、控制器和推力分配方案等方面的設(shè)計(jì)與改進(jìn)，并進(jìn)行了相關(guān)的仿真研究，為 DP控制系統(tǒng)

3、的研究、設(shè)計(jì)和改進(jìn)提供了一種思路和方法，主要研究?jī)?nèi)容和成果如下：
　?。?）動(dòng)力定位船舶運(yùn)動(dòng)數(shù)學(xué)模型的建立。本文針對(duì)仿真母船建立了兩種船舶運(yùn)動(dòng)數(shù)學(xué)模型，一種是過(guò)程模型，另一種是控制模型。過(guò)程模型是按照MMG方法建立船舶運(yùn)動(dòng)非線性數(shù)學(xué)模型，對(duì)風(fēng)、浪、流等環(huán)境干擾力進(jìn)行細(xì)致建模，力求接近真實(shí)世界；控制模型是在過(guò)程模型的基礎(chǔ)上簡(jiǎn)化，抓住系統(tǒng)的本質(zhì)特性建立的。兩種模型為動(dòng)力定位控制系統(tǒng)的研究奠定了基礎(chǔ)，過(guò)程模型用于模擬船舶真實(shí)運(yùn)動(dòng)；控制模

4、型用于狀態(tài)估計(jì)和控制器的設(shè)計(jì)。仿真結(jié)果表明，過(guò)程模型較好地描述船舶運(yùn)動(dòng)和環(huán)境干擾力的特征，控制模型的趨勢(shì)與過(guò)程模型接近，兩種模型都是正確可靠的。
　?。?）有約束動(dòng)力定位系統(tǒng)的狀態(tài)估計(jì)方法。本文結(jié)合經(jīng)典的Kalman濾波和滾動(dòng)時(shí)域的思想，設(shè)計(jì)一種可以處理約束的滾動(dòng)時(shí)域?yàn)V波器。仿真實(shí)驗(yàn)表明，一般情況下，Kalman濾波器和滾動(dòng)時(shí)域?yàn)V波器都能滿足動(dòng)力定位系統(tǒng)的要求，但在系統(tǒng)噪聲不是零均值白噪聲等約束條件或者系統(tǒng)模型參數(shù)變化時(shí)，滾動(dòng)時(shí)域

5、濾波器比Kalman濾波器魯棒性更好。
　?。?）有約束動(dòng)力定位系統(tǒng)控制器的設(shè)計(jì)。本文設(shè)計(jì)了基于DMC控制的模型預(yù)測(cè)控制器來(lái)處理動(dòng)力定位中的約束問(wèn)題，仿真實(shí)驗(yàn)表明與傳統(tǒng)LQG控制器相比，DMC預(yù)測(cè)控制器的魯棒性和動(dòng)態(tài)性能更優(yōu)。
　?。?）加速度前饋和模型預(yù)測(cè)前饋控制策略。本文從經(jīng)典的LQG控制器出發(fā)，提出兩種采用前饋控制提前抵消環(huán)境干擾力，改善控制器性能的措施。一種為加速度反饋，當(dāng)硬件條件滿足時(shí)，采用加速度傳感器信息來(lái)改善控

6、制器性能；另一種為模型預(yù)測(cè)前饋控制，當(dāng)硬件條件不滿足時(shí)，引入模型預(yù)測(cè)控制，通過(guò)模型預(yù)測(cè)的思路來(lái)提前抵消環(huán)境干擾力。仿真實(shí)驗(yàn)表明，兩種措施均能較好地改善控制器的性能。
　?。?）有約束DP系統(tǒng)的推力分配方案。本文根據(jù)仿真母船的特點(diǎn)，采用了二次規(guī)劃法和偽逆矩陣的方法開展推力分配研究。并將推進(jìn)器動(dòng)態(tài)模型引入推力分配環(huán)節(jié)。仿真實(shí)驗(yàn)表明：無(wú)約束狀態(tài)下，二次規(guī)劃法和逆矩陣法均能滿足動(dòng)力定位系統(tǒng)要求，但二次規(guī)劃法在處理推進(jìn)器約束上更占優(yōu)勢(shì)，采用