水面船舶動力定位模型的若干關(guān)鍵問題研究.pdf

1、隨著人們對海洋資源的不斷探索和開發(fā)，對海洋裝備的需求不斷增加，而我國船舶動力定位產(chǎn)品整體相對低端，大多依賴進口。目前，動力定位產(chǎn)品基本被挪威的Kongsberg Simard公司、法國的Alstom公司、澳大利亞的Nautronix公司這三大公司壟斷。為提升自主知識產(chǎn)權(quán)和高端產(chǎn)品的研發(fā)能力，我國政府把提高自主創(chuàng)新能力擺在全部科技工作的首位，力爭造就一批具有國際競爭力的企業(yè)，大幅度提高國家競爭力。廣東省是中國海岸線最長、海疆最廣的省區(qū)。全

2、省海岸線長達8500公里，占全國海岸線的三分之一以上，海洋資源豐富，海洋裝備市場需求量大。因此，研發(fā)海洋自動化裝備，打破國外技術(shù)壟斷迫在眉睫。
　　動力定位系統(tǒng)(Dynamic Positioning System，DPS)是集導(dǎo)航技術(shù)、自動化技術(shù)、動力技術(shù)、可靠性技術(shù)為一體化的系統(tǒng)。船舶動力定位技術(shù)不僅包括在動力裝置下進行位置、姿態(tài)保持，還包括自動導(dǎo)航、航向保持、自動停泊、避讓、掉頭轉(zhuǎn)彎等。作為船舶動力定位的動力提供者，推力系統(tǒng)

3、通常為一個冗余系統(tǒng)，對于特定的縱向力、橫向力和回轉(zhuǎn)力矩，存在多解。如何快速、高效地進行推力分配，保證推進器低能耗和低磨損的工作狀態(tài)是動力定位系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)之一。船舶在航行過程中，不僅需要克服外界擾動（例如風(fēng)、浪、流等）保持一定的航速、航向，有時還要按照需要改變航向、航跡和速度等。因此控制器就要掌握船舶環(huán)境載荷力數(shù)學(xué)模型和船舶的操縱運動屬性，實現(xiàn)船舶的靈活作業(yè)。本文主要研究內(nèi)容歸納下:
　　1.動力定位船舶風(fēng)載荷力建模。動力定位船舶在

4、一定風(fēng)、浪、流等環(huán)境干擾力下需要具有一定的工作狀態(tài)保持的能力，文中采用模擬風(fēng)洞試驗進行船舶風(fēng)載荷約束試驗，獲取風(fēng)載荷力和力矩特性。由于實驗條件有限，實驗數(shù)據(jù)平滑性較差，文中對比其他船舶風(fēng)洞試驗結(jié)果，驗證此風(fēng)洞實驗結(jié)果的有效性，并采用支持向量機回歸算法獲得其360°風(fēng)載荷力數(shù)學(xué)模型。對于浪、流載荷力數(shù)學(xué)模型本文給出常用的數(shù)學(xué)模型。
　　2.動力定位船舶推力分配的研究。針對動力定位船舶冗余推力系統(tǒng)，為實現(xiàn)推進器節(jié)約能耗，降低磨損，文中

5、提出一種快速推力分配策略。此策略不僅考慮到推力限幅、推力禁區(qū)、奇異結(jié)構(gòu)，還可以解決回轉(zhuǎn)型推力進器角度變化率問題。推力分配算法的定位能力直接影響到船舶在環(huán)境干擾下的位置保持能力以及控制系統(tǒng)的準(zhǔn)確性和快速性，文中對該推力分配算法進行了定位能力分析，得到該推力分配算法船舶在全驅(qū)動和欠驅(qū)動下風(fēng)浪中定位能力曲線。
　　3.基于支持向量機的船模航跡回歸。操縱實際船舶利用其實時航跡曲線建立其操縱運動方程時，通常采用全球定位系統(tǒng)(Global P

6、osition System，GPS)進行航跡采樣。此時的航跡一般在精度上可以滿足需求。但是實船試驗費用昂貴，人力耗費也比較大，通常是利用其縮尺船模研究其操縱運動屬性。GPS定位系統(tǒng)受環(huán)境限制，很難保證縮尺船模的定位精度，當(dāng)我們采用其他定位系統(tǒng)時無法避免采樣航跡還有大量噪聲信號，不利于我們辨識船舶水動力模型。本文采用支持向量機算法進行航模航跡去噪。無論是在處理變異高斯噪聲污染的Mariner輪模航跡上，還是在超聲波定位系統(tǒng)采集的實際船模

7、航跡上，該方法均取得不錯的效果。
　　4.基于自航模試驗的操縱運動數(shù)學(xué)建模。通常情況下動力定位船舶運動控制器的設(shè)計離不開其操縱運動數(shù)學(xué)模型，而且船舶操縱運動特性已經(jīng)被國際海事組織列為考核船舶機動性能的關(guān)鍵性指標(biāo)之一。本文通過解耦試驗分析，基于自航模試驗數(shù)據(jù)，分析了粘性水動力的可辨識性，進行了粘性水動力、廣義粘性水動力建模和慣性類水動力參數(shù)辨識。文中將解耦建模與辨識建模相結(jié)合應(yīng)用于船模操縱運動數(shù)學(xué)模型，并利用建立的模型對船模速度和航