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原文传递铺管作业时动力定位船循迹控制方法研究

论文题名：	铺管作业时动力定位船循迹控制方法研究
关键词：	工程船舶;铺管作业;动力定位;操纵技术
摘要：	随着我国“海洋强国梦”战略构想的提出，对深海油气资源的探索与开发重新被定义到了新的高度，与此同时，船舶与海洋工程技术逐渐成为相关领域科研人员的研究热点。动力定位技术作为一种无源定位技术以其良好的机动性、可靠性以及不受作业水深的限制等优点而广泛应用于各种海洋工程作业中。船舶动力定位系统是指船舶可以通过计算机控制系统产生合理的控制指令并依靠自身的推进器系统使船舶保持期望位置及艏向，铺管船在进行管道铺设作业时，需缓慢沿预定规划路径精确循迹，因此，铺管船的铺管作业过程必须在动力定位系统的协同配合下完成。本文在前人的研究基础上，结合相关工程实际，在理论层面上对S型铺管船的建模、估计器的设计以及船舶动力定位系统控制理论进行了详细研究。　　本文首先建立了水平面三自由度铺管船运动学与动力学数学模型，以及包括风、浪、流在内的海洋环境模型，在此基础上，给出了铺管船进行管道铺设作业的仿真船型，并对该模型的正确性进行了仿真验证。针对S型铺管船管道铺设作业的特点，提出了一种能够在保持水下管道关节间作用力平衡的前提下可实时反映出管道形态动态变化的机械臂管道建模方法，建模过程中，管道及铺管船被视为一个系统，并用最少的坐标系通过机械臂方程的形式将系统描述出来，由此，基于机械臂的控制方法以及稳定性分析思想可以直接应用到控制系统中，然后设计了一种能够保证系统无源性以及稳定性的无源PD控制器。精准的状态估计器是铺管船良好控制系统的设计基础，针对铺管船模型中存在的参数不确定性情况，提出了一种非线性无源估计器，该估计器不仅可以准确估计出未知环境干扰对铺管船的作用力，而且可以自含有测量噪声的测量值中精确观测出铺管船的低频位姿、速度等信息。文中对所设计估计器的速度估计误差回路进行了无源性分析，并利用 Lyapunov稳定性理论进行了稳定性分析，最后，仿真结果证明了本文所设计估计器在解决由非线性水动力系数引起的不确定性问题以及估计船舶低频位姿和速度上的有效性，同时具有较高的估计精度。实际上，铺管船在进行管道铺设作业过程中，管道期望铺设轨迹与铺管船期望轨迹并不一致，在假设管道悬跨段长度为定值的前提下，通过坐标转换建立起管道期望铺设轨迹与铺管船期望轨迹之间的几何位置关系。为实现铺管船能够沿船舶期望路径稳定进行循迹作业，本文设计了基于神经动态模型的铺管船终端滑模循迹控制方法，针对传统控制方法中存在的速度以及推进器推力（力矩）跳变问题，利用神经动态模型所具有的平滑、有界输出特性，取速度偏差为滑模面，并以此滑模面为基础设计了铺管船的循迹控制方法，仿真结果表明，本文所设计的控制律在保证了循迹精度的前提下，弥补了传统控制器在存在较大跟踪误差时，速度及力和力矩输出会出现跳变这一不足，使铺管船能够平滑稳定地进行循迹作业，从而保证了管道铺设作业的安全性。
作者：	刘佳
专业：	控制科学与工程
导师：	付明玉
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