動(dòng)力定位船任務(wù)驅(qū)動(dòng)的跟蹤控制方法研究.pdf

1、動(dòng)力定位(Dynamic Positioning,DP)船具有優(yōu)良的機(jī)動(dòng)性、靈活性和不受海洋深度限制的優(yōu)點(diǎn)，在海洋工程中得到了廣泛的應(yīng)用。跟蹤控制是動(dòng)力定位船的基本控制功能，主要包括低速循跡、高速循跡、目標(biāo)跟蹤和特種跟蹤4種控制任務(wù)，一項(xiàng)海洋作業(yè)通常需要結(jié)合某幾種跟蹤控制任務(wù)來完成。目前國內(nèi)外公開發(fā)表的大多數(shù)文獻(xiàn)僅針對(duì)一種跟蹤控制進(jìn)行研究，控制方法很少涉及如何得到對(duì)不同跟蹤任務(wù)的良好響應(yīng)。同時(shí)，由于動(dòng)力定位船執(zhí)行不同的跟蹤任務(wù)會(huì)出現(xiàn)不同

2、的動(dòng)態(tài)表現(xiàn)，單一控制器難以保證對(duì)所有跟蹤任務(wù)都具有良好的跟蹤效果。因此，從提高資源的利用率、增加適應(yīng)性、提高系統(tǒng)自動(dòng)化水平和無人化的角度出發(fā)，研究能夠根據(jù)海洋作業(yè)要求、自主完成期望跟蹤任務(wù)的動(dòng)力定位船跟蹤控制方法是迫切而必要的，具有重要的工程價(jià)值和理論意義。
　　本文針對(duì)動(dòng)力定位船的跟蹤控制方法展開了深入研究，將跟蹤控制決策問題考慮到控制方法的設(shè)計(jì)中，提出任務(wù)驅(qū)動(dòng)的概念，為描述任務(wù)層到控制層的任務(wù)驅(qū)動(dòng)邏輯，建立動(dòng)力定位船跟蹤控制任

3、務(wù)驅(qū)動(dòng)Petri網(wǎng)模型，并以此為基礎(chǔ)針對(duì)跟蹤任務(wù)的特點(diǎn)深入研究控制方法。主要完成了以下幾個(gè)方面的研究工作：
　　首先，通過動(dòng)力定位船跟蹤控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)分析，提出一種包含離散任務(wù)層、連續(xù)實(shí)時(shí)控制層和驅(qū)動(dòng)邏輯的跟蹤控制系統(tǒng)分層結(jié)構(gòu)。其中任務(wù)層負(fù)責(zé)決策導(dǎo)引和控制算法的調(diào)用，控制層負(fù)責(zé)對(duì)系統(tǒng)連續(xù)控制。通過提出任務(wù)驅(qū)動(dòng)的概念，分析跟蹤任務(wù)的控制目標(biāo)，基于船舶工作狀態(tài)(Vessel Operational Condition,VOC)得到離散任

4、務(wù)層到連續(xù)實(shí)時(shí)控制層的驅(qū)動(dòng)邏輯，建立動(dòng)力定位船跟蹤控制的任務(wù)驅(qū)動(dòng)Petri網(wǎng)模型，為有針對(duì)性地研究不同跟蹤任務(wù)的控制方法提供研究框架和理論依據(jù)。
　　其次，針對(duì)控制模型中同時(shí)含有非線性阻尼和科里奧力向心力的動(dòng)力定位船低速循跡跟蹤任務(wù)，基于虛擬質(zhì)點(diǎn)導(dǎo)引算法，提出一種能夠保證系統(tǒng)穩(wěn)定性的半全局一致指數(shù)穩(wěn)定觀測(cè)控制算法，解決了只有船舶位置和艏向可用于控制器設(shè)計(jì)時(shí)難以保證強(qiáng)非線性船舶控制系統(tǒng)閉環(huán)穩(wěn)定性的問題。并針對(duì)僅設(shè)備路徑已知的動(dòng)力定位

5、船特種跟蹤任務(wù)，基于相對(duì)位置導(dǎo)引算法，提出強(qiáng)干擾補(bǔ)償自適應(yīng)動(dòng)態(tài)面控制，利用自適應(yīng)項(xiàng)估計(jì)控制模型中的不確定參數(shù)，解決了反步控制中計(jì)算虛擬控制量導(dǎo)數(shù)所導(dǎo)致的“計(jì)算膨脹”問題和設(shè)備干擾可能引起的系統(tǒng)不確定性問題，保證了閉環(huán)控制系統(tǒng)的一致漸近有界。通過仿真驗(yàn)證所提出控制方法的有效性。
　　然后，針對(duì)出現(xiàn)欠驅(qū)動(dòng)控制特性的動(dòng)力定位船高速循跡跟蹤任務(wù)，為解決視線法(Line of Sight,LOS)僅適用于直線路徑跟蹤的問題，使用Serret

6、-Frenet(SF)坐標(biāo)對(duì)通用的LOS導(dǎo)引算法進(jìn)行重設(shè)計(jì)，提出SFLOS閉環(huán)導(dǎo)引算法，根據(jù)船舶當(dāng)前狀態(tài)信息為控制算法產(chǎn)生期望輸入。并基于整體船舶控制模型，使用自適應(yīng)項(xiàng)補(bǔ)償慢變環(huán)境干擾，設(shè)計(jì)不受全/欠驅(qū)動(dòng)控制特性限制的自適應(yīng)反步控制算法，結(jié)合SFLOS算法提出級(jí)聯(lián)閉環(huán)導(dǎo)引跟蹤控制，保證了閉環(huán)導(dǎo)引控制回路的一致漸近穩(wěn)定。仿真驗(yàn)證了所提出控制算法的良好跟蹤效果。
　　最后，針對(duì)僅有目標(biāo)的當(dāng)前位置和速度信息可用的目標(biāo)跟蹤任務(wù)，為解決動(dòng)力

7、定位船欠驅(qū)動(dòng)高速目標(biāo)跟蹤控制問題，設(shè)計(jì)平行目標(biāo)接近(Constant Bearing,CB)閉環(huán)導(dǎo)引算法為控制提供期望輸入，并提出CB閉環(huán)導(dǎo)引控制保證導(dǎo)引控制回路的穩(wěn)定性。通過引入速度切換函數(shù)，基于反步控制為全速度范圍目標(biāo)跟蹤任務(wù)提出全局穩(wěn)定切換控制方法，保證了動(dòng)力定位船在欠驅(qū)動(dòng)高速目標(biāo)跟蹤和全驅(qū)動(dòng)低速目標(biāo)跟蹤之間的穩(wěn)定切換，仿真驗(yàn)證了控制算法的有效性。并基于本文設(shè)計(jì)的所有導(dǎo)引和控制算法對(duì)所提出的任務(wù)驅(qū)動(dòng)Petri網(wǎng)模型進(jìn)行了仿真驗(yàn)證。