现代船舶动力定位系统的建模研究

摘要

世界经济飞速发展,探索和开发海洋资源成为各国寻求可持续发展的重要途径。船舶和半潜式平台等浮式作业系统是深海作业的重要载体,伴随着人类对海洋开发和探索的范围越来越广,对船舶和平台的定位系统的研究日益受到重视。
　　 船舶动力定位(Dynamic Positioning,简称DP)系统是指船舶依靠推力系统的力量,克服风、海流、海浪等外部环境的干扰,从而使自身保持在一定位置和艏向的系统。和传统的锚泊定位相比,现代船舶动力定位系统具有不受水深限制、定位准确、迅速等优点。海洋环境复杂多变,如何建立准确的数学模型一直是船舶动力定位系统的研究热点。
　　 本文分析了船舶动力定位系统的国内外研究现状,以课题所研究的海洋工程船为研究对象,分别建立了动力定位船舶、海洋环境干扰力和推进器系统的数学模型,并通过控制系统的整体设计和仿真实验证明了模型的有效性。
　　 文章首先研究了不同的船舶模型结构及其水动力项的计算方法,然后结合具体的实验船模计算了其相关的流体动力导数和数学模型,介绍了实验船模和实船模型的转换方法。海上动力定位船舶的海洋环境扰动作用力主要包括风、海浪和海流等,海洋环境复杂多变,在不同的海况下扰动模型也不同,文章讨论了海洋环境作用力的数学模型。介绍了推力器系统的结构,分配策略,提出了螺旋桨推进器的推力数学模型及推力和转矩系数的计算方法。
　　 其次,研究了Kalman滤波器的设计及其性能。根据动力定位系统的数学模型,研究了动力定位的滤波和状态估计方法；通过滤波和参数估计,得到船舶的低频速度和位置信号。介绍了Kalman滤波器的原理及其在系统中的应用,根据系统的模型特性,提出了一种自适应Kalman滤波器的设计方法。
　　 最后,文章初步探讨了动力定位系统的控制策略。针对船舶动力定位系统模型的非线性特性,设计一个具有自适应性的非线性Backstepping控制方法,并在MATLAB软件环境下通过仿真研究验证模型和控制策略的有效性。