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系泊状态下船舶动力定位控制研究
| 论文题名： | 系泊状态下船舶动力定位控制研究 |
| 关键词： | 系泊状态;卸油船;动力定位控制;数学模型 |
| 摘要： | 人类对资源的需求越来越大，海洋资源开发技术已经成为现在研究的热门领域。对于在海上长时间作业的船舶或平台来说，在中等海况下，如何在深海安全作业，既保证系泊缆安全又能节约燃料消耗；在恶劣的海洋环境中，如何保证系泊缆安全又实现定位，这些是技术研究中的一个难点。本文以内转塔式浮式生产储油卸油船(Floating Production, Storage and Offloading Unit，FPSO)为研究对象，对内转塔式单点系泊的FPSO动力定位技术进行了研究。 首先，建立了FPSO船体运动学和动力学数学模型，以及海洋环境干扰数学模型。在建模之前，建立了北东坐标系和船体坐标系，根据运动学和动力学原理，研究建立了船舶运动数学模型，对模型的水动力参数采用经验及半经验公式方法进行估算。通过直航和回转实验验证了所建立的FPSO数学模型符合船舶运动基本特性。同时，详细介绍了风、浪、流等海洋环境干扰模型的建立过程，并给出了相关仿真验证结果。 其次，对内转塔式FPSO单点系泊系统进行了受力分析研究，建立了系泊系统静力学模型。运用集中质量法、有限元法和悬链线法分析了系泊缆的受力情况，然后基于悬链线公式建立了系泊缆线的数学模型。最终建立起内转塔系泊系统的数学模型。在不同海况下对内转塔式FPSO系泊定位过程进行了仿真实验，并分别给出相关结果和结论。 最后，考虑燃料消耗和恶劣海况下FPSO作业安全，提出了基于结构可靠性的系泊动力定位控制方法。首先设计了无迹卡尔曼滤波器，滤掉高频波浪和量测噪声的干扰。考虑缆线材料的断裂强度，在控制器设计过程中引入了结构可靠性因子，分别设计了基于结构可靠性的PID控制器和状态反馈反步控制器，最后对两种基于结构可靠性控制器的性能进行了仿真实验，并与普通PID控制器的实验结果进行对比，验证了前者既能有效减少FPSO系泊缆的张力，保证系泊缆安全，实现定位，同时又能节约推进器燃料消耗。 综上所述，本文在对内转塔式系泊FPSO建模的基础上，针对深海系泊定位的FPSO长期海上作业存在的高能耗问题和恶劣海况下作业存在的安全隐患和问题，提出了考虑系泊缆结构可靠性和能耗节省的PID控制器和状态反馈反步控制器设计方法，并通过仿真试验验证了所设计的控制方法在解决恶劣海况缆线不断裂和能耗节省问题的有效性，取得较好的效果。可见，本课题在理论研究和工程实际应用方面，具有较好的理论参考价值和应用前景。 |
| 作者： | 邹春太 |
| 专业： | 控制理论与控制工程 |
| 导师： | 王元慧 |
| 授予学位： | 硕士 |
| 授予学位单位： | 哈尔滨工程大学 |
| 学位年度： | 2014 |
| 正文语种： | 中文 |
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