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原文传递多艘动力定位船舶同步运动控制研究

论文题名：	多艘动力定位船舶同步运动控制研究
关键词：	动力定位船舶;同步运动控制;通信拓扑;鲁棒控制;自适应反步滑模
摘要：	随着人们对海洋资源的深入开发，动力定位技术也得到了迅猛发展。然而，考虑到单艘动力定位船舶的作业能力和作业范围有限，而相比之下，多艘动力定位船舶协同作业不但能够提高海上任务的效率，而且还能执行某些特种作业，像船舶航行补给、海上巡逻、破冰船的护航等海上任务。近年来，随着多艘船舶的控制研究逐渐成为船舶控制研究的热点，多艘船舶的同步控制作为多艘船舶控制的分支，也引起了广泛地关注和研究。　　本文以多艘动力定位船舶为研究对象，考虑到多艘船舶协同作业涉及到船舶通信问题，针对船舶之间通信受限的情况，如何保证船舶之间仍能保持同步运动；另外，在实际的海上作业时，海洋环境的复杂多变成为多艘船舶的同步运动控制研究的难点，如何能够抵抗时变的扰动确保多艘船舶的同步运动，以保证作业任务的安全进行；在船舶之间的通信网络不可靠时，要保证船舶之间的同步运动，就需要引入通信时延，在考虑通信时延时，如何保证船舶之间的延迟同步；以及，当海上的作业任务改变时，如何确保不同作业任务之间的安全切换，这些都是多船同步运动控制研究中需要考虑的难点，也是本课题的研究重点。　　本文从以下几个方面对多艘船舶的同步运动控制进行分析。　　首先，简单介绍了本论文所涉及到的数学图论、Lyapunov稳定性以及无源控制理论等基本知识。并且为了建立水平面三自由度船舶运动数学模型，建立了两种参考坐标系，接着，介绍了Euler-Lagrange系统的基本概念以及性质，并且基于Euler-Lagrange系统的一般表达式，利用运动学和动力学原理，建立了动力定位船舶三自由度运动数学模型，并且对所建立的船舶运动数学模型进行了直航以及定常回转仿真实验的验证，证实所建立船模的合理性。　　其次，考虑到多艘船舶的通信异常情况，即某些船舶由于环境或者自身通信范围的限制，不能接受相邻船舶发送的状态信息，而只能发出信息。针对这种情况，利用数学图论中有向强连通图的知识，建立船舶之间的通信拓扑结构，该拓扑结构不要求船舶之间的通信是双向的，并且该拓扑图不一定是平衡图，在此基础上，设计了有向通信拓扑下的多艘船舶的同步运动控制器，控制船舶实现了同步运动。　　接着，考虑到未知海洋环境扰动，包括二次波浪力，海流和风扰动，假设测量噪声和一次波浪力已经由滤波器滤去，由此，设计了扰动观测器对随时间变化的外界干扰进行在线实时估计。并且为了使同步运动的效果达到更好，本文采用基于交叉耦合的控制思想，该思想主要是通过将耦合误差引入到控制器的分析与设计中，由此，设计了具有全局一致有界的鲁棒同步运动控制策略，并对整个闭环控制系统的稳定性进行了分析和讨论，最后，设计仿真实验证实了所提出的控制方法的合理性和正确性。　　然后，考虑到船舶之间通信存在时延的情况，设计了时延同步鲁棒控制器，对设计的控制系统的稳定性做了相关分析，并设计实验证明了所设计的时延系统的同步运动控制器对定常的通信时延具有一定的鲁棒性。　　再者，考虑到多艘船舶同步作业时，不同任务之间的安全切换问题，利用导引-控制系统的思想，并采用反步滑模控制，设计了基于导引系统的多艘船舶自适应同步运动控制策略。导引系统的设计主要是借助无源控制理论和虚拟领航者的概念，自适应同步控制器是通过反步法与滑模控制相结合实现的，然后，引入自适应项对慢变的环境扰动进行估计。接着，对所设计的控制器的稳定性做了证明。最后，设计了实验证实了此控制器的合理性和正确性。　　最后，对论文的研究成果做了相关的总结，并针对论文的待改进之处做了展望。
作者：	马燕芹
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：	2015
正文语种：	中文