帶觀測器的船舶動力定位控制策略與穩(wěn)定性研究.pdf

1、隨著經(jīng)濟的高速發(fā)展，能源和資源短缺問題越來越突出，在新能源還不能取代傳統(tǒng)能源之前，人們將更多的目光投向資源豐富的海洋，對海洋的開發(fā)和探索也將越來越廣，也需要用到更多的海上鉆井平臺，其核心關(guān)鍵技術(shù)就包括動力定位系統(tǒng)研究。目前關(guān)于動力定位系統(tǒng)的熱點研究主要有:根據(jù)風(fēng)、浪、流等環(huán)境擾動力以及推力和水動力建立船舶/平臺的外載荷模型;獲取精度更高的船舶動力學(xué)模型;多種智能方法融合的高精度混合智能控制算法;二階波浪漂移力估算與快速補償技術(shù);風(fēng)向風(fēng)速

2、多普勒測量和風(fēng)前饋技術(shù);研發(fā)基于多傳感器融合技術(shù)的高精度的動力定位位置參考系統(tǒng);帶熱備份的多重冗余控制系統(tǒng);基于推進器功率特性曲線，研究能耗最小最優(yōu)的推力分配算法，實現(xiàn)綠色動力定位。
　　本文以海平面上運動的船舶為對象，采用非線性控制理論的方法，對船舶動力定位系統(tǒng)的建模、螺旋槳推力估算、船舶模型室內(nèi)位置測量、觀測器設(shè)計、船舶航向及縱蕩運動控制、船舶動力定位控制進行了研究，論文主要研究內(nèi)容和成果如下:
　　(1)考慮船舶所處的

3、環(huán)境、海況復(fù)雜多變，探討了環(huán)境擾動力（風(fēng)、浪、流）的數(shù)學(xué)模型。然后，針對模型船舶動力定位系統(tǒng)室內(nèi)GPS信號受限，提出一種基于超聲波的高精度室內(nèi)定位解決方案。該方案先應(yīng)用加權(quán)最小二乘法建立了系統(tǒng)定位算法的數(shù)學(xué)模型，給出了方程的求解過程。接著，針對螺旋槳模型及其動態(tài)特性難以描述的問題，提出一種基于Chebyshev擬合式的螺旋槳四象限推力估算方案。該方案先根據(jù)諾爾特斯特洛姆系列圖譜，選取Chebyshev擬合式給出船舶螺旋槳四象限特性的推力

4、系數(shù)和扭矩系數(shù)的表達式，并進一步將之轉(zhuǎn)化成普通多項表達式。隨后根據(jù)給出的螺旋槳四象限的數(shù)學(xué)模型，估算出螺旋槳的推力。通過26∶1的2.8米船舶模型實驗，驗證了超聲波室內(nèi)定位系統(tǒng)以及螺旋槳推力估算的有效性。最后，從動力學(xué)的角度，對船舶運動的動態(tài)特性、船舶水動力特性進行探討分析，建立了船舶的運動方程。
　　(2)考慮采用線性Kalman濾波需線性化船舶運動方程，提出基于輸入狀態(tài)穩(wěn)定的船舶動力定位系統(tǒng)非線性觀測器設(shè)計。該觀測器將系統(tǒng)噪聲

5、、測量噪聲以及未建模動態(tài)考慮進來，濾去測量值的高頻噪聲，將測量值分離出高頻和低頻兩部分，并估計出測量系統(tǒng)無法給出的船舶各狀態(tài)值，能起到很好的濾波和估計作用。最后利用李雅普諾夫穩(wěn)定性證明該觀測器是輸入-狀態(tài)穩(wěn)定（Input to State Stability，ISS），仿真結(jié)果表明該非線性觀測器具有較強的魯棒性和抗干擾能力。
　　(3)考慮船舶的操縱特性，研究了船舶航向控制及縱蕩運動控制問題。考慮非線性船舶航向控制中船舶參數(shù)及擾動

6、的不確定性，分別對擾動界已知和界未知兩種情況，設(shè)計了相應(yīng)的非線性自適應(yīng)魯棒控制器。首先對擾動界已知的非線性船舶實現(xiàn)船舶航向跟蹤控制，并取得全局指數(shù)穩(wěn)定的控制效果?？紤]到環(huán)境的隨機性對船舶的影響，又對擾動界未知的非線性船舶實現(xiàn)航向跟蹤控制，并利用李雅普諾夫方法證明系統(tǒng)滿足L2控制標準，取得了全局穩(wěn)定的控制效果。在保證航向穩(wěn)定基礎(chǔ)上，對船舶的縱蕩運動進行控制以實現(xiàn)船舶定位或跟蹤?？紤]到船舶由于受風(fēng)、浪、流、作業(yè)環(huán)境（航速、操作模式）、航海條

7、件等不確定因素的影響，很難用一個精確的船舶模型來描述船舶縱蕩運動。為此為船舶的縱蕩運動設(shè)計了一個自適應(yīng)模糊控制器，其穩(wěn)定性通過李雅普諾夫穩(wěn)定性理論得到了證明。仿真結(jié)果驗證了上述算法的有效性。
　　(4)針對船舶動力定位非線性模型，進行了船舶動力定位控制算法研究?？紤]到環(huán)境擾動不確定問題，在簡化船舶動力定位系統(tǒng)模型的基礎(chǔ)上，提出了一種帶觀測器的不確定擾動非線性船舶動力定位自適應(yīng)輸出反饋控制算法。首先設(shè)計了一個非線性觀測器，從附有噪聲

8、的輸出中估計出船舶位置及運動速度。然后用濾波后的位置信號，針對擾動不確定非線性船舶設(shè)計帶觀測器的自適應(yīng)反步控制器，該控制器在Backstepping設(shè)計方法的基礎(chǔ)上引入積分環(huán)節(jié)，對存在未知參數(shù)和動態(tài)不確定擾動的船舶能有效的改善系統(tǒng)性能。根據(jù)李雅普諾夫穩(wěn)定性理論證明所設(shè)計的控制器是全局漸近穩(wěn)定的?？紤]到船舶高頻運動及環(huán)境擾動力的影響，針對船舶綜合模型提出船舶動力定位的平行分布補償（Parallel Distributed Compensa