耙吸挖泥船DP/DT控制算法研究

摘要

耙吸挖泥船海上作业要求保持在特定区域或者按照预定轨迹航行,这些工作需要有性能良好的动力定位系统来保证。随着耙吸挖泥船深海作业的不断深入,对动力定位技术的指标要求也越来越严格。本课题是江苏省科技厅重大成果转化项目,文中以某大型耙吸挖泥船为研究背景,结合实际工程应用针对耙吸挖泥船定点定位(DP)和动态循迹(DT)两种功能下控制器设计进行探讨和研究,论文主要包括以下几个方面的工作:
　　针对耙吸挖泥船DP-艏喷工作模式在零航速下建立DP低频运动模型,模型建立过程中详细阐述了艏喷作业产生的反推力的补偿方法。针对DT-疏浚和DT-航行工作模式在一定航速下建立DT低频运动模型,在循迹过程中分析船体阻力以及疏浚作业时耙臂产生的拖曳力,并建立其计算模型。同时为满足控制器设计需要,建立了风浪流等环境干扰力模型。
　　针对耙吸挖泥船DP控制器设计,结合工程应用,采用增量式数字PID控制算法。由于PID控制算法目前还广泛应用于船舶控制系统中,并且适合低频运动控制,在零航速情况下,各自由度方向可以解耦进行分析。文中依据PID控制算法思想对耙吸挖泥船三个自由度设计独立的控制器,并且编写 MATLAB程序仿真平移作业时的定位效果。仿真效果表明:采用增量式数字PID控制算法具有良好的控制效果,可以很好的对耙吸挖泥船进行定点定位控制,能够满足实际作业需要。
　　针对耙吸挖泥船 DT-疏浚模式,结合常规航迹控制策略和“视线”(LOS)控制策略,根据偏差大小范围采用分区控制策略对航迹控制进行分析。同时考虑到在疏浚过程中变吃水情况,系统模型参数处于不断变化状态,因此在 DT-控制器设计部分充分考虑模型的不确定性因素,运用模糊PID控制算法作为实际工程应用方法。在认真总结和分析实船工作人员经验的基础之上,制定相应模糊控制规则,结合分区控制思想设计DT控制器。此外,采用MATLAB中模糊工具箱和Simulink对DT疏浚工作模式在不同工况下对比分析实际控制效果。仿真结果显示:在分区控制策略下结合模糊 PID控制算法,能够获得更好的系统动态性能,更重要的是能够提高疏浚精度,具有实际工程价值。

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Contents

第1章 绪论

1.1 课题研究背景及其意义

1.2 船舶动力定位技术简介

1.3 国内外研究现状及发展趋势

1.4 本课题研究内容

第2章 耙吸挖泥船运动及海洋环境干扰建模

2.1 引言

2.2 坐标系建立

2.3 风、浪、流干扰建模

2.4 艏喷反推力模型

2.5 耙臂拖拽力模型

2.6 船体阻力

2.7 耙吸挖泥船动力定位数学模型

2.8 本章小结

第3章 控制策略分析

3.1 引言

3.2 PID控制算法

3.3 模糊控制理论

3.4 航迹控制策略

3.5 本章小结

第4章 耙吸挖泥船DP/DT控制器设计

4.1 引言

4.2 DP控制器设计

4.3 DT控制器设计

4.4 本章小结

结论与展望

参考文献

攻读硕士期间发表的论文及科研成果

致谢