单点系泊下船舶动力定位控制方法研究

摘要

近些年来,随着人们对海洋开发的需求日益增加,出现了很多海上工程作业的船舶,这些工程船舶在海上进行着各种各样的作业,包括海洋考察、水产捕捞、油气开采、布雷扫雷等特殊作业。单点系泊是船舶在海上定位作业的重要方式,具有结构简单、经济可靠等优点。但是在深海或海况恶劣的条件下,单纯使用单点系泊无法实现精确定位,并且对系泊缆的损害较大,因此需要借助动力定位控制系统来实现定位。单点系泊下的船舶动力定位控制系统可以提高定位精度及系统的安全性。
　　首先,本文以单点系泊状态下的动力定位船舶为研究对象,在固定坐标系下和船体坐标系下,建立了单点系泊下船舶的运动学数学模型和动力学数学模型。由于船舶在海上会受到风浪流等环境干扰力的影响,本文建立了环境干扰力数学模型,对风浪流的力和力矩进行了估算,并根据单点系泊下船舶的受力特点,通过建立单点系泊系统的数学模型来对系泊力进行计算。进行了船舶模型验证试验,用图表的形式论证了所建立的数学模型的正确性。
　　其次,研究单点系泊下船舶的运动,即风标效应。单点系泊下的船舶在受到风浪流干扰时,船舶在存在环境干扰情况下的两种运动形式:保持在稳定平衡位置和发生鱼尾状摆动。研究了船舶最终的平衡位置以及平衡位置的稳定性,分析船舶运动时系泊缆的受力情况。并通过仿真研究了环境力、系泊缆长度和系泊缆材质对船舶运动产生的影响。研究表明船舶发生鱼尾摆动时系泊缆会产生脉冲张力,这是系泊缆容易发生断缆的主要原因。这些影响对于单点系泊下动力定位船舶的安全性是很重要的。
　　再次,基于单点系泊下船舶的运动特点的研究,为了保证系泊缆在负载范围之内,通过对线性二次型最优控制理论的研究,然后将单点系泊下船舶的水平面三自由度模型线性化,并且建立了适用于线性二次型最优控制状态调节问题的系统状态方程,然后在系统状态方程的基础上设计了线性二次型最优控制器,并根据由环境干扰确定的定位点来实现单点系泊下的船舶定位功能。
　　最后,通过仿真验证了本文所设计的最优状态反馈控制器的有效性。结果表明本文所设计的控制器能够实现单点系泊下动力定位船舶的定位控制,定位精度很高,并且在定位的过程中船舶无明显的摆动,系泊缆的张力变化不大并且在负载范围内,从而保证了系泊缆的完整性。对比了最优控制和经典PID控制下的性能指标大小,表明了最优控制能够实现误差与控制输出的最小化。

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第1章 绪论

1.1课题的背景及意义

1.2单点系泊下船舶动力定位系统概述

1.3国内外的研究现状

1.4本文主要研究内容

第2章 单点系泊下船舶运动数学模型

2.1引言

2.2船舶运动坐标系

2.3船舶运动学模型

2.4船舶动力学模型

2.5船舶水动力和力矩

2.6船舶模型验证

2.7环境干扰数学模型

2.8系泊缆数学模型

2.9本章小结

第3章 单点系泊下船舶的运动分析

3.1引言

3.2单点系泊下船舶运动分析

3.3非线性影响的评价

3.4单点系泊下船舶运动仿真结果分析

3.5本章小结

第4章 单点系泊下船舶动力定位最优控制器设计与仿真

4.1引言

4.2单点系泊下船舶线性二次型最优控制器设计

4.3 定位点的确定

4.4仿真研究

4.5 本章小结

结论

参考文献

发表的论文和取得的科研成果

致谢