平台三用工作船有约束动力定位系统的控制和仿真研究

摘要

随着人类向深海进军，传统的锚泊方式在安全性，经济性上都不再合适。动力定位（DP）已成为深海作业的关键技术之一。控制技术是DP系统的核心，传统的Kalman滤波和LQG控制是无约束DP系统的最优控制方法，在实用中取得了巨大成功，然而，DP控制系统始终面临一些难题：复杂的非线性特性对建模精度的影响；多变的海况，不确定的环境干扰力，系统设备的物理限制，不同的工况以及故障等给 DP系统加上的各种约束；船舶的大惯性特点引起的反馈控制滞后等等。随着 DP系统定位精度和控制性能要求的日益提高，解决动力定位系统的约束问题，提高控制技术的鲁棒性和动态性能已经成为DP控制领域的研究热点之一。
　　本文的研究工作针对上述的热点问题展开，以我国一艘海洋平台三用工作船“南海222”轮为仿真母船，在建立船舶运动和环境干扰力模型的基础上，对有约束 DP系统的控制方法进行了一系列研究，包括有约束 DP系统状态估计、控制器和推力分配方案等方面的设计与改进，并进行了相关的仿真研究，为 DP控制系统的研究、设计和改进提供了一种思路和方法，主要研究内容和成果如下：
　　（1）动力定位船舶运动数学模型的建立。本文针对仿真母船建立了两种船舶运动数学模型，一种是过程模型，另一种是控制模型。过程模型是按照MMG方法建立船舶运动非线性数学模型，对风、浪、流等环境干扰力进行细致建模，力求接近真实世界；控制模型是在过程模型的基础上简化，抓住系统的本质特性建立的。两种模型为动力定位控制系统的研究奠定了基础，过程模型用于模拟船舶真实运动；控制模型用于状态估计和控制器的设计。仿真结果表明，过程模型较好地描述船舶运动和环境干扰力的特征，控制模型的趋势与过程模型接近，两种模型都是正确可靠的。
　　（2）有约束动力定位系统的状态估计方法。本文结合经典的Kalman滤波和滚动时域的思想，设计一种可以处理约束的滚动时域滤波器。仿真实验表明，一般情况下，Kalman滤波器和滚动时域滤波器都能满足动力定位系统的要求，但在系统噪声不是零均值白噪声等约束条件或者系统模型参数变化时，滚动时域滤波器比Kalman滤波器鲁棒性更好。
　　（3）有约束动力定位系统控制器的设计。本文设计了基于DMC控制的模型预测控制器来处理动力定位中的约束问题，仿真实验表明与传统LQG控制器相比，DMC预测控制器的鲁棒性和动态性能更优。
　　（4）加速度前馈和模型预测前馈控制策略。本文从经典的LQG控制器出发，提出两种采用前馈控制提前抵消环境干扰力，改善控制器性能的措施。一种为加速度反馈，当硬件条件满足时，采用加速度传感器信息来改善控制器性能；另一种为模型预测前馈控制，当硬件条件不满足时，引入模型预测控制，通过模型预测的思路来提前抵消环境干扰力。仿真实验表明，两种措施均能较好地改善控制器的性能。
　　（5）有约束DP系统的推力分配方案。本文根据仿真母船的特点，采用了二次规划法和伪逆矩阵的方法开展推力分配研究。并将推进器动态模型引入推力分配环节。仿真实验表明：无约束状态下，二次规划法和逆矩阵法均能满足动力定位系统要求，但二次规划法在处理推进器约束上更占优势，采用动态推力模型更能反映推进器的真实特性。
　　本文的研究以一艘平台三用工作船“南海222”轮为研究对象，在建立船舶运动机理模型和控制模型的基础上，深入研究了有约束动力定位系统的状态观测器、控制算法和推力分配问题，文中做了大量的仿真研究，结果表明本文建立的模型和设计改进工作的有效性。

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第1章 绪 论

1.1 动力定位系统研究背景和意义

1.2 船舶动力定位系统简介

1.3 仿真对象船舶简介

1.4 动力定位控制系统的发展历程及研究现状

1.5 本文的主要工作及内容安排

第2章 动力定位系统的数学模型

2.1 引言

2.2 船舶运动模型

2.3 海洋环境干扰力模型

2.4 推进系统和舵模型

2.5 仿真实验

2.6 本章小结

第3章 有约束动力定位系统状态估计

3.1 引言

3.2 船舶运动控制模型

3.3 无约束动力定位系统滤波器

3.4 基于滚动时域估计的有约束动力定位系统滤波器

3.5 仿真实验

3.6 本章小结

第4章 有约束动力定位系统控制器

4.1 引言

4.2 无约束动力定位最优控制器

4.3 基于模型预测控制的有约束DP控制器

4.4 前馈控制在动力定位系统中的应用

4.5 本章小结

第5章 有约束动力定位系统推力分配优化

5.1 引言

5.2 DP系统常用的推进器

5.3 DP系统推力分配研究现状

5.4 推力分配数学模型

5.5 仿真分析

5.6 本章小结

第6章 总结与展望

6.1 全文内容总结

6.2 本文创新点

6.3 工作展望

参考文献

致谢

攻读博士学位期间发表的论文及参加的科研项目

附录