非線性模型預(yù)測控制在動(dòng)力定位中的應(yīng)用研究.pdf

1、隨著陸地資源的不斷開發(fā)以及過度使用,人們將探索的視野深入到了海洋領(lǐng)域,作為船舶支持系統(tǒng)之一,船舶動(dòng)力定位(DP)系統(tǒng)得到了迅速的發(fā)展,并相繼應(yīng)用于各種海上作業(yè)平臺(tái)。動(dòng)力定位系統(tǒng)的核心是控制系統(tǒng),其控制性能的優(yōu)劣將直接影響到整個(gè)動(dòng)力定位系統(tǒng)運(yùn)行的實(shí)際效果。非線性模型預(yù)測控制(NMPC)是隨著工業(yè)過程控制產(chǎn)生的一種控制算法,能夠有效地處理非線性、多約束問題。本文在挪威Kongsberg的綠色動(dòng)力定位(GreenDP)思想的啟發(fā)下,基于非線性

2、模型預(yù)測控制技術(shù),結(jié)合船舶模型的特點(diǎn)設(shè)計(jì)船舶動(dòng)力定位控制器,最終實(shí)現(xiàn)了動(dòng)力定位控制系統(tǒng)節(jié)能減排的功能。
　　首先,建立了船舶動(dòng)力定位系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型。根據(jù)船舶仿真系統(tǒng)的實(shí)際的需求,建立了水面船舶三自由度低頻與高頻模型模型,其中包括船舶運(yùn)動(dòng)學(xué)模型與船舶動(dòng)力學(xué)模型。同時(shí),建立了海洋環(huán)境數(shù)學(xué)模型,包括陣風(fēng)模型、海流以及二階波浪力等環(huán)境干擾力作用模型。
　　其次,研究非線性模型預(yù)測控制方法在船舶動(dòng)力定位系統(tǒng)中的應(yīng)用。針對本文要解決的動(dòng)力

3、定位控制系統(tǒng)問題,對模型進(jìn)行適當(dāng)處理,并給出相關(guān)的約束條件,給出控制器設(shè)計(jì)階段使用到的數(shù)學(xué)概念。之后,根據(jù)非線性解析模型預(yù)測控制算法設(shè)計(jì)了基于該算法的船舶動(dòng)力定位控制器,并通過Lyapunov穩(wěn)定性判據(jù)證明該控制器的穩(wěn)定性,仿真驗(yàn)證結(jié)果證明了該控制器的有效性。
　　最后,基于GreenDP思想,對所設(shè)計(jì)綠色動(dòng)力定位控制系統(tǒng)進(jìn)行仿真驗(yàn)證。介紹了Kongsberg公司對GreenDP的組成定義,描述該控制器使用特點(diǎn)以及使用情況。船舶綠

4、色動(dòng)力定位控制系統(tǒng)主要包含三個(gè)組成部分:非線性估計(jì)濾波器、環(huán)境補(bǔ)償器以及非線性模型預(yù)測控制器。分別對非線性濾波器、環(huán)境補(bǔ)償器以及非線性模型預(yù)測控制器進(jìn)行設(shè)計(jì),結(jié)合實(shí)際作業(yè)需求,并給出控制器作用域的說明。通過三組仿真試驗(yàn),得出有關(guān)的結(jié)果和結(jié)論,驗(yàn)證了所設(shè)計(jì)的綠色動(dòng)力定位系統(tǒng)具有節(jié)能減排方面優(yōu)點(diǎn)。
　　本文將非線性模型預(yù)測控制技術(shù)引入到動(dòng)力定位系統(tǒng)中,設(shè)計(jì)了基于非線性模型預(yù)測控制算法的動(dòng)力定位控制器,分為有約束和無約束條件下,通過仿真