铺管起重船动力定位系统推力分配方法研究

摘要

动力定位就是船舶或海上平台利用自身装备的各类传感器自动检测出船舶的实际位置与目标位置的偏差，以及外界环境力(海风、海浪、海流等)的影响，控制器能够实时的计算所需推力和扭矩的大小，使船舶尽可能地保持在海平面上要求的位置上，实现定位。推力分配单元是动力定位系统的重要组成部分，该单元能够按照动力定位控制器输出的横向、纵向合力和艏向回转力矩指令，合理地为各个推进器分配推力。推力分配包括推力分配管理与推力分配方法两部分内容。本文以深水铺管起重船“海洋石油201”为研究对象，对动力定位系统的推力分配问题进行研究。
　　 首先，本文建立了铺管起重船的运动数学模型，包括运动学模型与动力学模型，船舶在海洋环境中的风、浪、流等环境干扰力以及推进器模型的建立，铺管工况下的作业载荷。
　　 推力分配通常可分为二次无约束的推力分配问题，二次有约束的推力分配问题，以及非线性有约束的推力分配问题。针对以上分类分别建立推力分配的数学模型，采用伪逆法、二次规划以及序列二次规划的方法分别对以上三类推力分配问题进行研究。
　　 不同的工作模式有其适合的推力分配方法，目前为止没有找到某种推力分配方法是对于所有工作模式都是最为适合的。因此引入了推力分配管理这个概念，所谓推力分配管理就是在考虑船舶工作模式情况下对于船舶推进器进行合理的使用与管理。推力分配管理通常包括推进器选取，推进器分组，推进器偏置。
　　 最后，根据研究的对象设计PID控制器，控制器根据艏向和位置偏差计算所需的推力指令，将其传递给推力分配单元，应用matlab软件对铺管起重船运动模型进行了仿真验证。本文对三种推力分配优化算法进行仿真，证明了三种方法在推力分配应用上的成功。为说明它们的优缺点，在同一控制器和仿真环境下，对这些推力分配方法做了比较说明。同时还对目标函数中系数矩阵对推力分配的影响进行了仿真研究。