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原文传递高海况下船舶动力定位控制方法研究

论文题名：	高海况下船舶动力定位控制方法研究
关键词：	高海况;船舶动力定位;控制策略;数学模型
摘要：	随着海洋资源的不断开发以及其他海洋工程的需要，海洋工程船舶的作业范围正在不断的向深海、超深海深入，对工程船舶装备的动力定位系统的要求也越来也高。深海作业时工程船舶所遭受的海洋环境往往比近海更为恶劣，即经常会工作于高海况下，适用于常规海况的船舶动力定位控制策略并不能保证在高海况下达到同样的控制效果。因此有必要针对高海况下船舶动力定位控制方法展开研究，为高海况下船舶控制提出切实可行的控制策略。　　到目前为止，并没有针对高海况的确切定义。本文中将高海况理解为仍处于船舶动力定位系统可控范围的恶劣海况，即此时通过改进控制器控制策略仍能在一定程度上提升动力定位系统的控制性能。海况是海风、海浪、海流等海洋环境共同作用的结果。高海况下复杂的海洋环境具有更为显著的不确定性、耦合性、时变性等特点，处于高海况下的船舶运动过程也就表现为更强的非线性特性。　　针对以上提出的问题，本文主要进行了以下几个方面的研究工作：　　首先，为了更准确的描述高海况下船舶运动状态，在阐述了耐波性理论与操纵性理论各自特点之后，基于统一性理论思想，建立了可用于描述不同海况下船舶运动状态的非线性统一数学模型，本文主要针对高海况。为了验证后续所设计控制器以及观测器的性能，建立了相应的海洋环境数学模型，其中对波浪负载的建模采取了波浪力幅值响应算子方式，将波浪负载直接描述为作用于船舶上的一阶波浪力和二阶波浪力，更符合实际中的波浪负载的物理作用效果。　　其次，针对高海况下波浪周期变长，频率降低，难以分离出船舶运动的波频成分，基于非线性统一数学模型设计了一种专门适用于高海况的非线性无源观测器，用以估计无法直接测量的船舶运动速度和偏差项。所设计观测器具有与普通观测器相似的无源性和稳定性分析过程，在一定程度上降低了设计难度。　　再次，鉴于已经为高海况下的船舶运动建立了更为准确的非线性统一数学模型，同时考虑到高海况下的船舶动力定位控制问题属于一类强非线性问题，因此将依赖于准确数学模型并在处理非线性控制问题方面具有强大优势的反步控制方法应用到高海况下船舶动力定位系统控制器的设计中去，通过选取恰当的状态变量，构造相应的李雅普诺夫函数，推导得到了基于非线性统一数学模型的反步控制器。虽然采用了更为准确的统一数学模型描述高海况下的船舶运动状态，但由于模型中的波浪力在实际中是无法直接测量的，并且考虑到高海况下复杂的海洋环境，总会存在不确定的未知环境干扰以及未建模动态，为了提高高海况下船舶动力定位系统控制器的鲁棒性，将滑模控制方法应用到反步控制器中。针对引入滑模项后，控制力和力矩存在的抖振问题，利用准滑动模态的边界层设计方法进行了去抖处理。　　最后，基于Matlab/Simulink，在挪威科技大学开发的开源MSS（Marine Systems Simulator）海洋系统仿真工具包基础上，针对以上控制器和观测器的具体设计过程，分别搭建了高海况下反步控制器、去抖前反步滑模控制器、去抖后反步滑模控制器以及考虑非线性无源观测器时的船舶动力定位控制系统仿真平台，并进行了仿真结果的分析与讨论，仿真结果表明所设计的控制器和观测器能够满足高海况下动力定位系统的控制要求。
作者：	刘仁超
专业：	控制理论与控制工程
导师：	丁福光
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