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非线性模型预测控制在动力定位中的应用研究
| 论文题名： | 非线性模型预测控制在动力定位中的应用研究 |
| 关键词： | 船舶动力定位;非线性模型;预测控制;仿真分析 |
| 摘要： | 随着陆地资源的不断开发以及过度使用,人们将探索的视野深入到了海洋领域,作为船舶支持系统之一,船舶动力定位(DP)系统得到了迅速的发展,并相继应用于各种海上作业平台。动力定位系统的核心是控制系统,其控制性能的优劣将直接影响到整个动力定位系统运行的实际效果。非线性模型预测控制(NMPC)是随着工业过程控制产生的一种控制算法,能够有效地处理非线性、多约束问题。本文在挪威Kongsberg的绿色动力定位(GreenDP)思想的启发下,基于非线性模型预测控制技术,结合船舶模型的特点设计船舶动力定位控制器,最终实现了动力定位控制系统节能减排的功能。 首先,建立了船舶动力定位系统数学模型。根据船舶仿真系统的实际的需求,建立了水面船舶三自由度低频与高频模型模型,其中包括船舶运动学模型与船舶动力学模型。同时,建立了海洋环境数学模型,包括阵风模型、海流以及二阶波浪力等环境干扰力作用模型。 其次,研究非线性模型预测控制方法在船舶动力定位系统中的应用。针对本文要解决的动力定位控制系统问题,对模型进行适当处理,并给出相关的约束条件,给出控制器设计阶段使用到的数学概念。之后,根据非线性解析模型预测控制算法设计了基于该算法的船舶动力定位控制器,并通过Lyapunov稳定性判据证明该控制器的稳定性,仿真验证结果证明了该控制器的有效性。 最后,基于GreenDP思想,对所设计绿色动力定位控制系统进行仿真验证。介绍了Kongsberg公司对GreenDP的组成定义,描述该控制器使用特点以及使用情况。船舶绿色动力定位控制系统主要包含三个组成部分:非线性估计滤波器、环境补偿器以及非线性模型预测控制器。分别对非线性滤波器、环境补偿器以及非线性模型预测控制器进行设计,结合实际作业需求,并给出控制器作用域的说明。通过三组仿真试验,得出有关的结果和结论,验证了所设计的绿色动力定位系统具有节能减排方面优点。 本文将非线性模型预测控制技术引入到动力定位系统中,设计了基于非线性模型预测控制算法的动力定位控制器,分为有约束和无约束条件下,通过仿真验证了该控制器的有效性。在此基础上开展了建模、滤波、控制和仿真等诸多方面的研究,将环境补偿器引入到GreenDP控制系统中来,利用仿真对表PID控制器、NMPC控制器以及GreenDP三组仿真对比,通过对结果的分析验证了GreenDP思想在船舶节能减排方面的优势,并对仿真中遇到的控制力以及控制力矩波动进行了分析说明,可见,本文对后续动力定位控制算法的发展和应用,具有一定的指导意义和借鉴价值。 |
| 作者： | 隋玉峰 |
| 专业： | 控制理论与控制工程 |
| 导师： | 王元慧 |
| 授予学位： | 硕士 |
| 授予学位单位： | 哈尔滨工程大学 |
| 学位年度： | 2013 |
| 正文语种： | 中文 |
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