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船舶动力定位控制及推力分配研究
| 论文题名： | 船舶动力定位控制及推力分配研究 |
| 关键词： | 船舶动力定位;推力分配;卡尔曼滤波;滑模控制 |
| 摘要： | 船舶动力定位表示船舶只靠其推进器来抵抗海洋环境干扰，稳定在海平面特定位置或沿期望轨迹行驶。动力定位方式的独特性有无限水深作业、高机动性和精准定位等，其在供给船、钻井平台、铺管船、无人潜水器等的定位作业中应用极广。由于动力定位系统的复杂性，在其滤波、控制及推力分配方面，往往分别进行研究，导致理论性的研究不便于实际工程应用。因此，开展动力定位系统的多方位的研究，不仅在理论上有着指导意义，而且在工程上也有着参考价值。 本文以挪威科技大学的一艘供给船模型为研究对象，对动力定位系统的三大核心技术进行了系统的研究，主要工作体现在滤波与状态估计、控制方法与策略以及推力分配优化的研究。 在滤波与状态估计方面：首先，通过对船舶运动特征的讨论，完成了相应的低频、高频运动模型的建立，以及风、浪、流等环境模型的建立；其次，通过研究状态估计中的卡尔曼滤波和非线性滤波，提出了一种基于辅助状态观测器的卡尔曼滤波方法，称为外源卡尔曼滤波，并通过与PID控制器构成闭环仿真，分别验证了三种滤波器的状态估计效果；最后，对比分析了三种滤波器的估计误差和信号输出稳定性，仿真结果体现了外源卡尔曼滤波的优越性。 在控制方法与策略方面：首先，通过研究滑模控制理论，分别设计了应用于动力定位的线性滑模和终端滑模控制律，并在理论上进行了稳定性证明；其次，搭建了两种控制器的仿真模型，并在理想环境下，仿真分析了其调参特性和抖振情况；最后，将终端滑模控制器结合外源卡尔曼滤波器进行设计，并在环境扰动下，仿真对比了有无滤波器的控制效果。 在推力分配优化方面：首先，在考虑多种推进器约束情况下，完成了推力分配优化模型的建立；其次，分别选用遗传算法、序列二次规划算法和粒子群算法，对基于外源卡尔曼的终端滑模控制器所得的合力进行分配，并仿真验证了三种推力分配算法的有效性；最后，结合系统能耗、推进器磨损等情况，对比分析了三种推力优化算法的优缺点。 |
| 作者： | 林杰 |
| 专业： | 船舶与海洋工程 |
| 导师： | 何治斌 |
| 授予学位： | 硕士 |
| 授予学位单位： | 大连海事大学 |
| 学位年度： | 2021 |
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