基于離散系統(tǒng)理論的動力定位船舶控制方法研究.pdf

1、動力定位（DP）船舶在海上航行時，由于受到風、浪、流等干擾力的作用，其運動表現為低頻和高頻的疊加形式，而船舶運動控制主要是針對其低頻運動而設計的。在船舶進行長時間海上作業(yè)時，為了使其位置和艏向保持不變，如果其艏向選擇不合適而使之與環(huán)境干擾力間存在夾角，會增加推進器系統(tǒng)抵抗環(huán)境干擾所消耗的能量，使燃料消耗加劇。長時間的海上作業(yè)時，船舶經常遭遇到各種海況，且需進行多種作業(yè)模式，需要在不同作業(yè)模式間進行切換。目前的船舶控制系統(tǒng)多采用計算機控制

2、，處理的都是離散時間信號，本文在離散系統(tǒng)理論下針對動力定位船舶的位置保持控制和多任務作業(yè)的切換控制進行研究。
　　本研究首先針對動力定位船舶在水平面的三自由度運動，設計了離散非線性船舶運動模型，并針對風、浪、流等干擾力進行建模，通過仿真試驗驗證了其合理性和正確性。然后，根據動力定位船舶在海上的低頻和高頻疊加特性，分別針對有無環(huán)境干擾和存在不同干擾等不同情況設計了離散非線性觀測器，用以估計船舶的運動狀態(tài)（位姿和速度），并在存在高頻干

3、擾時對高頻數據進行濾波處理；為了提高觀測器的估計精度和抗干擾能力，并解決科里奧利向心力矩陣帶來的困難，將加速度反饋引入到觀測器設計中，以消除科里奧利向心力矩陣對觀測器的影響并降低船舶對外界干擾的敏感度。其次，針對動力定位船舶長時間在海上作業(yè)時的能量消耗問題，設計了環(huán)境自適應艏向控制器和定位控制器，使船舶艏向對環(huán)境作出自適應調整，降低外界干擾對船舶的作用，減少燃料的消耗；針對“綠色 DP”控制中艏向并非最優(yōu)的問題，利用環(huán)境自適應艏向控制策

4、略尋找最優(yōu)艏向，設計了環(huán)境自適應區(qū)域位置保持控制器；環(huán)境自適應艏向控制用以提供最優(yōu)艏向，并引入離散非線性模型預測（NMPC）實現區(qū)域位置保持，進一步減少燃料的消耗，以延長海上作業(yè)時間。最后，針對多任務動力定位船舶的控制問題，設計了集成式控制器以實現對船舶在不同任務模式中的控制；首先針對每一種作業(yè)模式設計獨立的控制器，然后根據船舶的速度、與目標位置的距離，以及時間等因素，設計不同的權值函數，用以結合兩種不同任務模式的控制器，以實現任務模式