多艘動(dòng)力定位船舶同步運(yùn)動(dòng)控制研究.pdf

1、隨著人們對海洋資源的深入開發(fā)，動(dòng)力定位技術(shù)也得到了迅猛發(fā)展。然而，考慮到單艘動(dòng)力定位船舶的作業(yè)能力和作業(yè)范圍有限，而相比之下，多艘動(dòng)力定位船舶協(xié)同作業(yè)不但能夠提高海上任務(wù)的效率，而且還能執(zhí)行某些特種作業(yè)，像船舶航行補(bǔ)給、海上巡邏、破冰船的護(hù)航等海上任務(wù)。近年來，隨著多艘船舶的控制研究逐漸成為船舶控制研究的熱點(diǎn)，多艘船舶的同步控制作為多艘船舶控制的分支，也引起了廣泛地關(guān)注和研究。
　　本文以多艘動(dòng)力定位船舶為研究對象，考慮到多艘船舶

2、協(xié)同作業(yè)涉及到船舶通信問題，針對船舶之間通信受限的情況，如何保證船舶之間仍能保持同步運(yùn)動(dòng)；另外，在實(shí)際的海上作業(yè)時(shí)，海洋環(huán)境的復(fù)雜多變成為多艘船舶的同步運(yùn)動(dòng)控制研究的難點(diǎn)，如何能夠抵抗時(shí)變的擾動(dòng)確保多艘船舶的同步運(yùn)動(dòng)，以保證作業(yè)任務(wù)的安全進(jìn)行；在船舶之間的通信網(wǎng)絡(luò)不可靠時(shí)，要保證船舶之間的同步運(yùn)動(dòng)，就需要引入通信時(shí)延，在考慮通信時(shí)延時(shí)，如何保證船舶之間的延遲同步；以及，當(dāng)海上的作業(yè)任務(wù)改變時(shí)，如何確保不同作業(yè)任務(wù)之間的安全切換，這些都是

3、多船同步運(yùn)動(dòng)控制研究中需要考慮的難點(diǎn)，也是本課題的研究重點(diǎn)。
　　本文從以下幾個(gè)方面對多艘船舶的同步運(yùn)動(dòng)控制進(jìn)行分析。
　　首先，簡單介紹了本論文所涉及到的數(shù)學(xué)圖論、Lyapunov穩(wěn)定性以及無源控制理論等基本知識。并且為了建立水平面三自由度船舶運(yùn)動(dòng)數(shù)學(xué)模型，建立了兩種參考坐標(biāo)系，接著，介紹了Euler-Lagrange系統(tǒng)的基本概念以及性質(zhì)，并且基于Euler-Lagrange系統(tǒng)的一般表達(dá)式，利用運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)原理，建立

4、了動(dòng)力定位船舶三自由度運(yùn)動(dòng)數(shù)學(xué)模型，并且對所建立的船舶運(yùn)動(dòng)數(shù)學(xué)模型進(jìn)行了直航以及定?；剞D(zhuǎn)仿真實(shí)驗(yàn)的驗(yàn)證，證實(shí)所建立船模的合理性。
　　其次，考慮到多艘船舶的通信異常情況，即某些船舶由于環(huán)境或者自身通信范圍的限制，不能接受相鄰船舶發(fā)送的狀態(tài)信息，而只能發(fā)出信息。針對這種情況，利用數(shù)學(xué)圖論中有向強(qiáng)連通圖的知識，建立船舶之間的通信拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，該拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)不要求船舶之間的通信是雙向的，并且該拓?fù)鋱D不一定是平衡圖，在此基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了有向通信拓?fù)?/p>

5、下的多艘船舶的同步運(yùn)動(dòng)控制器，控制船舶實(shí)現(xiàn)了同步運(yùn)動(dòng)。
　　接著，考慮到未知海洋環(huán)境擾動(dòng)，包括二次波浪力，海流和風(fēng)擾動(dòng)，假設(shè)測量噪聲和一次波浪力已經(jīng)由濾波器濾去，由此，設(shè)計(jì)了擾動(dòng)觀測器對隨時(shí)間變化的外界干擾進(jìn)行在線實(shí)時(shí)估計(jì)。并且為了使同步運(yùn)動(dòng)的效果達(dá)到更好，本文采用基于交叉耦合的控制思想，該思想主要是通過將耦合誤差引入到控制器的分析與設(shè)計(jì)中，由此，設(shè)計(jì)了具有全局一致有界的魯棒同步運(yùn)動(dòng)控制策略，并對整個(gè)閉環(huán)控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性進(jìn)行了分析

6、和討論，最后，設(shè)計(jì)仿真實(shí)驗(yàn)證實(shí)了所提出的控制方法的合理性和正確性。
　　然后，考慮到船舶之間通信存在時(shí)延的情況，設(shè)計(jì)了時(shí)延同步魯棒控制器，對設(shè)計(jì)的控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性做了相關(guān)分析，并設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)證明了所設(shè)計(jì)的時(shí)延系統(tǒng)的同步運(yùn)動(dòng)控制器對定常的通信時(shí)延具有一定的魯棒性。
　　再者，考慮到多艘船舶同步作業(yè)時(shí)，不同任務(wù)之間的安全切換問題，利用導(dǎo)引-控制系統(tǒng)的思想，并采用反步滑模控制，設(shè)計(jì)了基于導(dǎo)引系統(tǒng)的多艘船舶自適應(yīng)同步運(yùn)動(dòng)控制策略。導(dǎo)引系