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原文传递动力定位船任务驱动的跟踪控制方法研究

论文题名：	动力定位船任务驱动的跟踪控制方法研究
关键词：	动力定位船;任务驱动;跟踪控制方法;仿真验证
摘要：	动力定位(Dynamic Positioning,DP)船具有优良的机动性、灵活性和不受海洋深度限制的优点，在海洋工程中得到了广泛的应用。跟踪控制是动力定位船的基本控制功能，主要包括低速循迹、高速循迹、目标跟踪和特种跟踪4种控制任务，一项海洋作业通常需要结合某几种跟踪控制任务来完成。目前国内外公开发表的大多数文献仅针对一种跟踪控制进行研究，控制方法很少涉及如何得到对不同跟踪任务的良好响应。同时，由于动力定位船执行不同的跟踪任务会出现不同的动态表现，单一控制器难以保证对所有跟踪任务都具有良好的跟踪效果。因此，从提高资源的利用率、增加适应性、提高系统自动化水平和无人化的角度出发，研究能够根据海洋作业要求、自主完成期望跟踪任务的动力定位船跟踪控制方法是迫切而必要的，具有重要的工程价值和理论意义。　　本文针对动力定位船的跟踪控制方法展开了深入研究，将跟踪控制决策问题考虑到控制方法的设计中，提出任务驱动的概念，为描述任务层到控制层的任务驱动逻辑，建立动力定位船跟踪控制任务驱动Petri网模型，并以此为基础针对跟踪任务的特点深入研究控制方法。主要完成了以下几个方面的研究工作：　　首先，通过动力定位船跟踪控制系统结构分析，提出一种包含离散任务层、连续实时控制层和驱动逻辑的跟踪控制系统分层结构。其中任务层负责决策导引和控制算法的调用，控制层负责对系统连续控制。通过提出任务驱动的概念，分析跟踪任务的控制目标，基于船舶工作状态(Vessel Operational Condition,VOC)得到离散任务层到连续实时控制层的驱动逻辑，建立动力定位船跟踪控制的任务驱动Petri网模型，为有针对性地研究不同跟踪任务的控制方法提供研究框架和理论依据。　　其次，针对控制模型中同时含有非线性阻尼和科里奥力向心力的动力定位船低速循迹跟踪任务，基于虚拟质点导引算法，提出一种能够保证系统稳定性的半全局一致指数稳定观测控制算法，解决了只有船舶位置和艏向可用于控制器设计时难以保证强非线性船舶控制系统闭环稳定性的问题。并针对仅设备路径已知的动力定位船特种跟踪任务，基于相对位置导引算法，提出强干扰补偿自适应动态面控制，利用自适应项估计控制模型中的不确定参数，解决了反步控制中计算虚拟控制量导数所导致的“计算膨胀”问题和设备干扰可能引起的系统不确定性问题，保证了闭环控制系统的一致渐近有界。通过仿真验证所提出控制方法的有效性。　　然后，针对出现欠驱动控制特性的动力定位船高速循迹跟踪任务，为解决视线法(Line of Sight,LOS)仅适用于直线路径跟踪的问题，使用Serret-Frenet(SF)坐标对通用的LOS导引算法进行重设计，提出SFLOS闭环导引算法，根据船舶当前状态信息为控制算法产生期望输入。并基于整体船舶控制模型，使用自适应项补偿慢变环境干扰，设计不受全/欠驱动控制特性限制的自适应反步控制算法，结合SFLOS算法提出级联闭环导引跟踪控制，保证了闭环导引控制回路的一致渐近稳定。仿真验证了所提出控制算法的良好跟踪效果。　　最后，针对仅有目标的当前位置和速度信息可用的目标跟踪任务，为解决动力定位船欠驱动高速目标跟踪控制问题，设计平行目标接近(Constant Bearing,CB)闭环导引算法为控制提供期望输入，并提出CB闭环导引控制保证导引控制回路的稳定性。通过引入速度切换函数，基于反步控制为全速度范围目标跟踪任务提出全局稳定切换控制方法，保证了动力定位船在欠驱动高速目标跟踪和全驱动低速目标跟踪之间的稳定切换，仿真验证了控制算法的有效性。并基于本文设计的所有导引和控制算法对所提出的任务驱动Petri网模型进行了仿真验证。
作者：	张爱华
专业：	控制理论与控制工程
导师：	付明玉
授予学位：	博士
授予学位单位：	哈尔滨工程大学
学位年度：	2014
正文语种：	中文