不同海況條件下船舶動(dòng)力定位混合控制系統(tǒng)設(shè)計(jì).pdf

1、隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展進(jìn)步，海洋資源特別是遠(yuǎn)海、深海石油和天然氣資源的開采日益受到重視。比起近海作業(yè)，遠(yuǎn)海、深海海洋環(huán)境條件更惡劣，環(huán)境載荷更大，對(duì)海上作業(yè)的結(jié)構(gòu)物定位系統(tǒng)的要求更高。傳統(tǒng)的系泊定位系統(tǒng)因其本身的局限性，如定位精度不高，機(jī)動(dòng)性差，錨鏈造價(jià)和安裝費(fèi)成本較高，特別是定位能力受水深及海底情況的限制等，已經(jīng)無法滿足遠(yuǎn)海、深海作業(yè)的定位要求。作為一種更適合深海浮式結(jié)構(gòu)物位置保持和航跡跟蹤的定位方法，采用推進(jìn)器的動(dòng)力定位系統(tǒng)迅速發(fā)展

2、并逐漸取代傳統(tǒng)的系泊系統(tǒng)，成為深海浮式結(jié)構(gòu)和船舶的主要定位方式。動(dòng)力定位系統(tǒng)對(duì)各種海洋工程作業(yè)，特別是深海作業(yè)，如深海油氣開發(fā)、海底勘探、海底鋪管布纜、海底礦物質(zhì)采集等顯示出越來越重要的作用。
　　船舶動(dòng)力定位系統(tǒng)主要包括傳感測(cè)量系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、推進(jìn)系統(tǒng)等幾大部分，其中控制系統(tǒng)是動(dòng)力定位系統(tǒng)的核心。以往的船舶動(dòng)力定位控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)研究大多針對(duì)某種特定的海洋環(huán)境條件下的動(dòng)力定位系統(tǒng)，采用固定控制算法和模型的觀測(cè)器及控制器，很少有研究多

3、種復(fù)雜海洋環(huán)境條件下的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)。針對(duì)這種情況，本文為船舶動(dòng)力定位控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)了滿足不同海況條件下工作任務(wù)要求的系統(tǒng)觀測(cè)器和控制器，引入開關(guān)邏輯算法設(shè)計(jì)混合控制器，建立可以在多種海況條件下自動(dòng)切換控制算法和模型的動(dòng)力定位混合控制系統(tǒng)，并通過計(jì)算機(jī)仿真驗(yàn)證所設(shè)計(jì)的控制器的控制效果。
　　首先，建立船舶動(dòng)力定位控制系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，包括風(fēng)、浪和流環(huán)境載荷模型以及船舶運(yùn)動(dòng)模型。其中，風(fēng)載荷近似為高斯白噪聲干擾并以前饋的形式加入模型。浪載

4、荷模型分為幅值很大的高頻一階波浪載荷和幅值相對(duì)較小且緩慢變化的低頻二階波浪載荷分別處理?？紤]到推進(jìn)器的能耗和磨損情況，一階波浪力是控制系統(tǒng)中要重點(diǎn)建模和濾波的對(duì)象，也是本文中主要的環(huán)境載荷。流載荷因其復(fù)雜的物理特性，很難用建模方法進(jìn)行模擬，文中對(duì)此進(jìn)行了簡(jiǎn)化處理。
　　其次，在模擬四種級(jí)別典型海況的基礎(chǔ)上，針對(duì)每種海況分別設(shè)計(jì)了合適的觀測(cè)器和控制器，建立了四個(gè)完整的控制反饋回路。通過分析比較三種不同的濾波算法，即常用的低通濾波算法

5、，卡爾曼濾波算法以及非線性被動(dòng)濾波算法，選擇合適的濾波模型消除了一階波浪干擾作用。
　　再次，考慮介于中等級(jí)別海況和極端海況之間的第三種海況，通過權(quán)值分配來綜合第二和第四種海況下設(shè)計(jì)的控制器，單獨(dú)為其設(shè)計(jì)了控制器。又考慮到第四種海況下一階波浪力基頻相對(duì)較低使設(shè)計(jì)的濾波器陷波頻率落在系統(tǒng)低頻運(yùn)動(dòng)頻寬內(nèi)，改進(jìn)前三種海況的觀測(cè)器模型以保留一階波浪力作用。
　　最后，通過一種尺度獨(dú)立的時(shí)滯開關(guān)邏輯，將四個(gè)不同海況條件下的控制模型融合