详情

原文传递动力定位系统输出反馈H∞切换控制的研究

论文题名：	动力定位系统输出反馈H∞切换控制的研究
关键词：	航行作业;动力定位系统;H∞控制器;切换控制;鲁棒稳定性
摘要：	随着全球工业现代化的快速发展，陆地的矿产能源已经逐渐的消失殆尽，人类开始把注意力转向具有很大面积的海洋中，海洋矿产资源，尤其是石油资源的开采也由浅海转向深海。这就进一步要求勘探船舶可以在深海复杂多变的海况下能够稳定的工作，所以有必要去研究一种控制策略在外部工作状况变化时，使得动力定位船舶能够安全的行驶和完成特定的任务。考虑到船舶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∞切换控制系统在处理这类不确定性问题和干扰抑制方面有着突出的优点。所以本文采用了一种输出反馈H∞切换控制器应用到动力定位系统上，使得当外部环境发生改变时，根据切换的规则提供的切换指令选择控制系统的某一子控制器来满足控制要求，提高动力定位控制器适应大范围海况变化的能力。　　本文以动力定位系统作为研究对象，在动力定位系统中加入一组鲁棒H∞切换控制系统，利用Lyapunov函数证明了所设计的控制器组的渐进稳定性。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，进而在变化的外界环境下进行船舶定点控制的仿真验证。具体从以下几个方面进行研究：　　第一：依据船舶在海洋中的运动特性，建立了动力定位系统的船舶模型，又根据所描述的对象的不同将船舶模型分为：运动学模型和动力学模型。随后，又对海洋的环境进行了建模，包括海风、海浪以及海流，其中海浪还包含一阶和二阶波浪力。最后，利用Matlab仿真验证了某一给定海况下动力定位系统的数学模型以及海洋环境干扰模型是正确的。　　第二：在鲁棒H∞理论的基础上研究并设计了动力定位系统输出反馈H∞控制器。将传统的反馈控制结构推广到广义的反馈控制结构，在此基础上设计了某一海况下鲁棒H∞输出反馈控制器。并通过应用求解线性矩阵不等式(LMI)的方法以及选取适当的Lyapunov函数证明了该控制器满足鲁棒稳定性和在抗干扰方面具有良好的性能指标。　　第三：由于实际工程中，船舶模型和海洋模型是带有不确定性的，所以在先前模型的基础上加入了不确定项，从而分别研究了带有不确定性参数的连续切换系统和脉冲切换系统的H∞输出反馈控制。以海浪的频率或有义波高值作为标准，视每一级海况为相对应的子系统，并为其设计相应的控制器，再依据切换策略切换至不同的子系统，从而使整个控制系统在不同海况下能够达到期望的切换控制性能指标。并且通过仿真验证，在变海况的情况下，即使遇到了不确定性的因素，本文设计的鲁棒H∞动态输出反馈切换控制系统也可以保证动力定位船在海况变化条件下能够稳定的切换。　　经过研究与实验，表明本文所采用的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系统船舶安全航行作业方面，具有一定的实用价值。
作者：	隋仁丰
专业：	控制科学与工程
导师：	林孝工
授予学位：	硕士
授予学位单位：	哈尔滨工程大学
学位年度：	2017
正文语种：	中文