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船舶动力定位H∞切换控制的研究
| 论文题名： | 船舶动力定位H∞切换控制的研究 |
| 关键词： | 船舶动力定位;H∞控制器;异步切换;驻留时间;环境干扰 |
| 摘要： | 进入21世纪后，加快海洋资源及能源的开发已经作为世界所有海洋大国的一个重要发展战略目标。但是深海环境复杂多变，为了保证海洋工程结构物能在如此复杂多变的海洋环境下正常稳定作业，对海洋工程装备及技术提出了新的较高要求，其中，动力定位就是一种必不可少的技术之一。由于动力定位船舶在航行及作业过程中经常会受到不确定的海洋环境的干扰，致使其稳定性较差，影响航行及作业。而鲁棒H∞切换控制在处理不确定性问题以及干扰抑制方面有着突出的优势，所以本文分别为动力定位船设计了两种不同的H∞控制器，根据不同的切换信号所提供的切换序列，针对不同模型（子系统）来匹配其对应的不同控制器，来提高动力定位船在不同且多变的海洋环境干扰下的适应能力，最后实现系统的稳定控制。 本文以动力定位船舶作为研究对象，建立了船舶的运动模型及海洋环境干扰模型，然后将船舶整体模型转化为H∞标准控制问题。并在此基础上，分别针对均含有时滞的离散时间H∞切换系统及连续时间H∞切换系统进行理论研究，并对应两个不同的切换系统设计了H∞控制器组。具体从以下几个方面进行研究： 第一，基于船舶特性，最先讨论了如何建立船舶运动的数学模型。首先描述了两种常用的参考坐标系：北东坐标系和船体坐标系。然后又在此基础上分别建立了运行学数学模型和动力学数学模型。最后建立了由海风、波浪一阶干扰和二阶干扰、海流引起的海洋环境干扰模型。 第二，主要针对动力定位船进行了H∞时滞切换输出跟踪控制的研究。首先基于一个新的Lyapunov-Krosavskii泛函，并给出了系统稳定性分析的过程以及H∞输出跟踪控制器的设计过程。然后将输出跟踪控制器设计问题转化为具有线性矩阵不等式(LMI)约束的优化问题，随后应用锥补线性化(CCL)方法得到了相应的控制器增益矩阵。 第三，主要针对动力定位船进行了H∞时滞异步切换控制的研究。首先结合船舶模型建立了带有时滞的连续时间H∞切换系统的状态空间方程。然后基于分段Lyapunov-Krasovskii泛函，结合平均驻留时间切换信号方法以及切换信号融合方法设计了H∞异步切换控制器并分析了闭环系统的稳定性，通过解算相应充分条件——给定的两组线性矩阵不等式(LMI)，获得了相应的控制器增益矩阵。 经过研究与实验仿真，表明本文所采用的两种H∞切换控制方法可以有效保证动力定位船的切换控制稳定性。本课题所得结论对动力定位船安全航行与作业方面有一定的实用参考价值。 |
| 作者： | 葛菁华 |
| 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： | 2017 |
| 正文语种： | 中文 |
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