水面船绕定点回转艏向和位置控制方法研究

摘要

本文研究在动力定位系统的自动定位模式下，水面船舶绕给定点进行回转运动的艏向和位置控制方法。船舶绕给定点进行回转运动是动力定位系统的一种重要功能，在实际工程实践中，如船舶进港、海床作业，有着广泛的应用。在船舶绕给定点回转运动过程中，船舶的运动中心不再固定在默认的船舶中心上，而是由操作人员根据实际应用需要给定的，船舶坐标系中的给定点定位在固定位置，并控制船舶在保证控制性能的同时达到设定艏向。
　　 本文建立了三自由度船舶运动数学模型以及环境干扰数学模型，并给出船舶运动所涉及的坐标系框架。针对不同给定回转中心研究了船舶回转运动的导引策略。通过对目前存在的向量法和极坐标法两种相关导引方法的对比分析，将复杂的以给定点为控制目标的位置控制问题转化为以船舶中心为位置控制目标的一般问题，并在导引过程中采用定位定向的方法，根据给出的船舶初始位置信息、回转中心及给定的回转率，计算船舶的期望运动轨迹。
　　 基于所建立的数学模型和所设计的导引策略，研究设计了比较适合工程应用的非线性PID和最优控制两种控制方法。首先介绍了线性弹簧质量阻尼系统，然后结合船舶模型进行了经典PID反馈和加速度反馈相结合的控制器的分析，最后结合本课题建立的水面船数学模型，将经典PID反馈的概念进行推广，进行了位置和艏向非线性PID控制器的设计，并给出了稳定性证明。通过对不同给定回转点以及环境干扰的仿真验证了这种控制方法的有效性和鲁棒性。
　　 最后研究设计了船舶绕定点回转定位的最优控制算法，为了保证控制算法的稳定性，设计过程中引入船舶平行坐标系，应用小角理论，将船舶模型进行了线性化。采用船舶实际位置及艏向与期望位置及艏向的偏差最小来作为最优控制器的二次型性能指标，并考虑了推进器饱和的限制，从而保证在整个控制过程中精度最高，并进行了仿真研究。
　　 仿真结果表明，两种控制方案都能使船舶绕给定的回转中心进行回转运动，并最终在设定艏向进行定位，但对变化快，频率高的干扰最优控制有更高的精度和更好的鲁棒性。