详情

原文传递船舶动力定位辅助锚泊系统控制方法研究

论文题名：	船舶动力定位辅助锚泊系统控制方法研究
关键词：	锚泊系统;船舶动力定位;有限时间控制;模型预测控制;推力分配优化
摘要：	由于海洋浮式结构物需要在海洋环境下长时间持续工作，推进器辅助锚泊定位（ThrustedAssistedPositionMooring，简称TAPM）系统作为深水作业中一种经济定位方法被广泛采用。如何提高作业的经济性和安全性是TAPM控制方法研究中的两个重要内容。本文从定位系统的安全性和经济性出发，设计了一种新的动力定位辅助锚泊（DynamicPositioningAssistedMooring，简称DPAM）系统。为了提高DPAM系统的经济性、发挥锚泊系统的最大作用，本系统可以根据不同海况选择合适的船舶位置参考点，并设计了相应的DP辅助定位控制器。为了提升作业安全性，设计了一种锚泊监测系统，通过对目标船舶位置的实时监测，推断对应的锚缆状态，以实现不同控制策略间的切换。针对以上两点对DPAM系统的要求，本文的主要研究内容包括以下几个方面: 　　首先，介绍了DPAM系统的工作原理、作业流程及其系统结构。其次对DPAM系统进行了数学建模，包括锚泊系统作用下的船舶水平面三自由度运动数学模型、海洋环境干扰模型和锚泊系统模型。然后对不同海况下的船舶运动特性进行分析并确定了不同海况下适用的控制方法。　　针对中等海况下DPAM系统的高定位精度和实时性需求，对系统控制方法进行了设计，其中包括船舶位置设定点优化和控制器设计两部分。通过对位置设定点优化设计，使定位系统具有更好的经济性;考虑有限时间控制技术收敛速度快、抗干扰性好及高精度等优点，针对船舶速度不可测和外部干扰未知的问题设计了一种有限时间状态观测器，使其估计误差在有限时间内有界。根据观测器估计的速度和环境干扰，设计了一种输出反馈定位控制律。利用齐次稳定性和李雅普诺夫稳定性理论证明了所设计的定位控制器的有限时间收敛性，使设计的控制系统具有更快的收敛速度，更好的抗干扰性和抗参数摄动能力以及更高的精度。　　针对高海况DPAM系统的作业安全性需求，对系统控制方法进行了设计，包括船舶位置设定点优化和控制器设计两部分。通过对位置设定点分两种策略进行优化设计，确保定位系统安全的同时又兼顾了经济性需求。为了避免在高海况下船舶位置超过临界平衡位置，造成锚缆断裂，采用阶梯式隐式广义预测控制算法设计了一种模型预测控制器，设计的控制器可以对船舶的位置提前预测。　　最后，为了降低推进系统能耗，并及时有效的提供所需的控制力及力矩，设计了一种多目标推力分配优化方法。推力分配过程中除了需要考虑力和力矩的准确分配，还需要考虑推进系统的能耗、推进器的磨损、推进器的推力禁区和死区、饱和以及方位角和推力变化速率等约束条件。针对以上的多目标优化问题，设计了一种基于改进的非支配解排序的进化算法(Non-dominatedsortinggeneticalgorithm-Ⅱ，简称NSGA-Ⅱ)的推力分配方法。为了提高种群多样性、算法的收敛性和节省计算时间，本文对所设计的推力分配方法进行了改进。　　本文针对设计的DPAM系统，分别对其在中等和高海况下的控制方法和推力分配方法进行了研究，并对设计的控制方法进行了仿真验证。结果表明，设计的有限时间输出反馈系统能更好地满足中等海况下DPAM系统的高精度定位目标;设计的模型预测控制系统使DPAM系统在高海况定位时既保证了锚缆的安全，又充分利用了锚泊系统的系泊作用，节约了成本，满足了高海况作业的安全需求;设计的基于NSGA-Ⅱ算法的推力分配方法可以有效地降低推进系统的能耗，使DPAM系统具有更好的经济性。
作者：	刘彩云
专业：	控制科学与工程
导师：	夏国清
授予学位：	博士
授予学位单位：	哈尔滨工程大学
学位年度：	2020