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动力定位船状态反馈H∞切换控制的研究
| 论文题名： | 动力定位船状态反馈H∞切换控制的研究 |
| 关键词： | 海洋开发船;动力定位;状态反馈;鲁棒控制 |
| 摘要： | 随着工业化的快速发展，陆地矿产资源日益消失殆尽，人类开始把精力转移到拥有地球总面积70％的海洋环境中，海洋石油资源的开采也由浅海逐渐向深海式发展，这就要求船舶可以在复杂变化的海洋环境下稳定工作，所以有必要寻找一种控制策略在外界工况变化时，使得动力定位船可以安全航行。由于动力定位作业船只在航行作业过程中通常受到不确定性外界扰动的干扰，而H∞切换控制在处理这类不确定性问题以及干扰抑制方面有着突出的优点，所以本文为动力定位船设计了一种状态反馈H?切换控制策略，当外界环境发生改变时，根据切换规则提供的切换指令，选择某一子系统的控制器来满足控制需求，提高动力定位控制器适应大范围海况变化的能力。本文以动力定位船舶作为研究对象，引入一组鲁棒H?切换控制器用于动力定位控制系统中，利用 Lyapunov函数证明了所设计的控制器组的渐近稳定性。根据H?稳定性理论，通过求解相应的线性矩阵不等式(LMI)，推导出切换控制器的增益矩阵，进而在变化的外界海洋环境下进行船舶定点控制的仿真验证。 本研究主要内容包括：⑴基于船舶特性，建立船舶运动的六自由度数学模型，包括运动学和动力学数学模型。然后，建立了包括风、浪的一阶干扰和二阶干扰以及海流的数学模型，最后在MATLAB仿真环境下根据对某海况下船舶运动的轨迹分析进行了船舶运动模型以及环境干扰模型的验证。⑵动力定位系统鲁棒H∞控制器的设计。由于鲁棒H∞控制器在抵抗扰动方面的优越性能，本节为动力定位系统设计了在某一海况下的鲁棒H∞控制器，并与传统所设计的控制器效果作对比，证明了本文设计的控制器在抵抗扰动方面性能优越。⑶海况连续变化下动力定位系统的状态反馈H∞切换控制。以海浪有义波高值的变化作为标准，将每一级海况下的系统模型看作子系统，为每一个子系统设计与之对应的控制器，根据切换规则，选择与之对应的子系统进行工作，从而满足在海况变化时系统的整体控制性能。由于实际船舶模型的不确定性存在，在先前模型中加入不确定性项，得到带有不确定性补偿输入的动力定位切换系统。在此基础上，重新设计了一组状态反馈控制器以及对应的切换控制律。通过仿真验证，在海况变化过程中没有出现不稳定的情况，即设计的切换控制系统可以保证船舶在变化海况下切换稳定。⑷所采用的H∞切换控制方法可以有效保证多海况下动力定位船的切换稳定性。本课题所得结轮对以后动力定位船安全航行作业方面，具有一定的实用价值。 |
| 作者： | 梁文才 |
| 专业： | 控制科学与工程 |
| 导师： | 赵大威 |
| 授予学位： | 硕士 |
| 授予学位单位： | 哈尔滨工程大学 |
| 学位年度： | 2016 |
| 正文语种： | 中文 |
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