船舶推进器辅助锚泊定位系统控制方法研究

摘要

在当代世界经济形势的紧张格局下，深海远洋资源的优势日益突出，定位系统作为水下能源开采勘探的关键技术已经成为海上工程操纵领域的研究热点。综合考虑定位效果与建设费用等因素，不同深度海域作业的浮式平台所采用的定位方式也不同。目前常用的两种水面位姿保持系统有浅水锚泊定位系统和深水动力定位系统，前者具有结构简单、成本低廉等特点，后者具有机动灵活、操作便捷等优势。权衡两种定位系统在运营维护、控位性能和水深限制这几个方面的影响，逐渐将研究焦点转向推进器辅助锚泊系统这种联合定位方式。由于锚泊系统与推进器系统的相互结合，使得该定位系统与单独使用某种定位系统相比，具有更高的稳定性、冗余度以及更小的功率损耗，且推进器的辅助作用使得整体系统定位精度更高。
　　本文主要介绍和分析了推进器辅助锚泊定位系统在海上运载平台上的应用，并对其主要控制方法进行了详细的阐述。以一艘海洋工程船为研究对象，在深水条件下采用四点系泊布链方式，分成三大模块对推进器辅助锚泊定位系统及其控制算法进行逐步解析。第一部分主要探讨了悬链式锚泊线的静态特性及其在环境载荷作用下的动态响应特性；第二部分详细介绍了动力定位系统的核心，控制方案设计与推进器推力配置优化计算；第三部分重点分析了广义预测控制算法在混合式定位系统中的应用，并提出阶梯式控制策略实现原算法的改进。
　　在锚泊系统的设计中，基于静态悬链线方程，本文编写了平台所受锚链外力的动态响应程序，并与参考文献进行了对比验证。在动力定位系统的设计中，基于扩展卡尔曼滤波器和常规控制器对动力定位系统整体方案进行了仿真设计。在推进器与传统锚泊线相结合的混合式定位系统中，重点考虑了其控制算法的选取。引入基于模型的广义预测控制对混合式定位系统进行了定点控位计算，并考虑到原算法的逆阵奇异现象提出改进的阶梯式控制策略运用到基本算法中。文中对各部分内容均实现了时域内的数值仿真，所得结论与分析成果可为实际工程应用提供相关参考，同时也为推进器辅助锚泊定位系统在海上运载平台中的研究起到一定推动作用。

目录

声明

第1章 绪论

1.1 论文研究背景与意义

1.2 锚泊定位系统简介

1.3 动力定位系统简介

1.4 推进器辅助锚泊定位系统

1.5 模型预测控制算法

1.6 本文研究主要内容

第2章 定位系统模型基础

2.1 引言

2.2 船舶运动数学模型

2.3 环境载荷数学模型

2.4 本章小结

第3章 锚泊定位系统的设计

3.1 引言

3.2 锚泊系统的静力分析

3.3 锚泊系统的动力分析

3.4 分布式锚泊的回复力

3.5 本章小结

第4章 动力定位系统的设计

4.1 引言

4.2 动力定位系统结构

4.3 EKF滤波器的设计

4.4 线性二次型最优控制器的设计

4.5 推力分配策略的选取

4.6 本章小结

第5章 广义预测控制算法描述

5.1 引言

5.2 预测控制基本原理

5.3 广义预测控制算法

5.4 本章小结

第6章 推进器辅助锚泊定位系统控制器的设计

6.1 引言

6.2 推进器辅助锚泊定位系统的GPC设计

6.3 推进器辅助锚泊定位系统的GPC算法仿真

6.4 改进的广义预测控制算法设计

6.5 基于SGPC的动力定位控制算法

6.6 本章小结

结论

附录

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文和取得的研究成果

致谢