動力定位船任務(wù)驅(qū)動的跟蹤控制方法研究.pdf

1、動力定位(Dynamic Positioning,DP)船具有優(yōu)良的機動性、靈活性和不受海洋深度限制的優(yōu)點，在海洋工程中得到了廣泛的應(yīng)用。跟蹤控制是動力定位船的基本控制功能，主要包括低速循跡、高速循跡、目標跟蹤和特種跟蹤4種控制任務(wù)，一項海洋作業(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)文獻僅針對一種跟蹤控制進行研究，控制方法很少涉及如何得到對不同跟蹤任務(wù)的良好響應(yīng)。同時，由于動力定位船執(zhí)行不同的跟蹤任務(wù)會出現(xiàn)不同

2、的動態(tài)表現(xiàn)，單一控制器難以保證對所有跟蹤任務(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，具有重要的工程價值和理論意義。
　　本文針對動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)計中，提出任務(wù)驅(qū)動的概念，為描述任務(wù)層到控制層的任務(wù)驅(qū)動邏輯，建立動力定位船跟蹤控制任

3、務(wù)驅(qū)動Petri網(wǎng)模型，并以此為基礎(chǔ)針對跟蹤任務(wù)的特點深入研究控制方法。主要完成了以下幾個方面的研究工作：
　　首先，通過動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)實時控制層和驅(qū)動邏輯的跟蹤控制系統(tǒng)分層結(jié)構(gòu)。其中任務(wù)層負責決策導(dǎo)引和控制算法的調(diào)用，控制層負責對系統(tǒng)連續(xù)控制。通過提出任務(wù)驅(qū)動的概念，分析跟蹤任務(wù)的控制目標，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)實時控制層的驅(qū)動邏輯，建立動力定位船跟蹤控制的任務(wù)驅(qū)動Petri網(wǎng)模型，為有針對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，針對控制模型中同時含有非線性阻尼和科里奧力向心力的動力定位船低速循跡跟蹤任務(wù)，基于虛擬質(zhì)點導(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)計時難以保證強非線性船舶控制系統(tǒng)閉環(huán)穩(wěn)定性的問題。并針對僅設(shè)備路徑已知的動力定位

5、船特種跟蹤任務(wù)，基于相對位置導(dǎo)引算法，提出強干擾補償自適應(yīng)動態(tài)面控制，利用自適應(yīng)項估計控制模型中的不確定參數(shù)，解決了反步控制中計算虛擬控制量導(dǎo)數(shù)所導(dǎo)致的“計算膨脹”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。通過仿真驗證所提出控制方法的有效性。
　　然后，針對出現(xiàn)欠驅(qū)動控制特性的動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)坐標對通用的LOS導(dǎo)引算法進行重設(shè)計，提出SFLOS閉環(huán)導(dǎo)引算法，根據(jù)船舶當前狀態(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)項補償慢變環(huán)境干擾，設(shè)計不受全/欠驅(qū)動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。仿真驗證了所提出控制算法的良好跟蹤效果。
　　最后，針對僅有目標的當前位置和速度信息可用的目標跟蹤任務(wù)，為解決動力

7、定位船欠驅(qū)動高速目標跟蹤控制問題，設(shè)計平行目標接近(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跟蹤任務(wù)提出全局穩(wěn)定切換控制方法，保證了動力定位船在欠驅(qū)動高速目標跟蹤和全驅(qū)動低速目標跟蹤之間的穩(wěn)定切換，仿真驗證了控制算法的有效性。并基于本文設(shè)計的所有導(dǎo)引和控制算法對所提出的任務(wù)驅(qū)動Petri網(wǎng)模型進行了仿真驗證。