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基于离散系统理论的动力定位船舶控制方法研究
| 论文题名： | 基于离散系统理论的动力定位船舶控制方法研究 |
| 关键词： | 船舶航行;动力定位;加速度反馈;非线性控制 |
| 摘要： | 动力定位（DP）船舶在海上航行时，由于受到风、浪、流等干扰力的作用，其运动表现为低频和高频的叠加形式，而船舶运动控制主要是针对其低频运动而设计的。在船舶进行长时间海上作业时，为了使其位置和艏向保持不变，如果其艏向选择不合适而使之与环境干扰力间存在夹角，会增加推进器系统抵抗环境干扰所消耗的能量，使燃料消耗加剧。长时间的海上作业时，船舶经常遭遇到各种海况，且需进行多种作业模式，需要在不同作业模式间进行切换。目前的船舶控制系统多采用计算机控制，处理的都是离散时间信号，本文在离散系统理论下针对动力定位船舶的位置保持控制和多任务作业的切换控制进行研究。 本研究首先针对动力定位船舶在水平面的三自由度运动，设计了离散非线性船舶运动模型，并针对风、浪、流等干扰力进行建模，通过仿真试验验证了其合理性和正确性。然后，根据动力定位船舶在海上的低频和高频叠加特性，分别针对有无环境干扰和存在不同干扰等不同情况设计了离散非线性观测器，用以估计船舶的运动状态（位姿和速度），并在存在高频干扰时对高频数据进行滤波处理；为了提高观测器的估计精度和抗干扰能力，并解决科里奥利向心力矩阵带来的困难，将加速度反馈引入到观测器设计中，以消除科里奥利向心力矩阵对观测器的影响并降低船舶对外界干扰的敏感度。其次，针对动力定位船舶长时间在海上作业时的能量消耗问题，设计了环境自适应艏向控制器和定位控制器，使船舶艏向对环境作出自适应调整，降低外界干扰对船舶的作用，减少燃料的消耗；针对“绿色 DP”控制中艏向并非最优的问题，利用环境自适应艏向控制策略寻找最优艏向，设计了环境自适应区域位置保持控制器；环境自适应艏向控制用以提供最优艏向，并引入离散非线性模型预测（NMPC）实现区域位置保持，进一步减少燃料的消耗，以延长海上作业时间。最后，针对多任务动力定位船舶的控制问题，设计了集成式控制器以实现对船舶在不同任务模式中的控制；首先针对每一种作业模式设计独立的控制器，然后根据船舶的速度、与目标位置的距离，以及时间等因素，设计不同的权值函数，用以结合两种不同任务模式的控制器，以实现任务模式间的平稳过渡控制；仿真试验证明了所设计控制器的有效性。 |
| 作者： | 邵兴超 |
| 专业： | 控制理论与控制工程 |
| 导师： | 夏国清 |
| 授予学位： | 博士 |
| 授予学位单位： | 哈尔滨工程大学 |
| 学位年度： | 2015 |
| 正文语种： | 中文 |
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