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原文传递多动力定位船协同定位控制研究

论文题名：	多动力定位船协同定位控制研究
关键词：	动力定位船;协同定位控制;输入饱和;模型参数不确定;输出反馈
摘要：	动力定位船作为勘探和开发海洋资源的重要利器，被广泛应用在海洋工程作业中。随着海洋工程作业种类增多，单艘动力定位船由于其作业能力有限无法满足完成复杂海洋任务的需求，如海上紧急救援、大型海上设施的安装和拆卸、无动力浮体定位等。为了完成这些任务，需要多艘动力定位船协同定位作业。因此，研究多动力定位船协同定位控制具有重要的实际应用价值。以此为背景，本文针对协同定位作业时面临的时变海洋环境干扰、模型参数不确定、输入饱和、船舶速度测量值不可用以及无动力浮体定位等实际问题，研究了多动力定位船的协同定位控制。具体研究内容如下: 　　针对时变环境干扰下的多动力定位船协同定位控制问题，提出了基于干扰观测器的协同定位控制方法。首先，引入干扰观测器估计时变环境干扰，并结合图论和动态面技术，提出了协同定位控制器。其次，为提升时变环境干扰的估计性能，设计了有限时间干扰观测器;并考虑控制输入饱和约束，设计了辅助动态系统。在此基础上，提出了抗饱和协同定位控制器。然后，使用李雅普诺夫稳定性理论证明了协同跟踪误差是有界的。最后，仿真结果验证了所提出的协同定位控制方法能够精确估计时变环境干扰，减少控制输入的饱和时间，实现高精度协同定位作业。　　针对模型参数不确定和时变环境干扰下的多动力定位船协同定位控制问题，提出了神经自适应协同定位控制方法。首先，设计了神经自适应估计器估计由模型不确定和环境干扰组成的复合干扰。其次，结合辅助动态系统设计状态反馈抗饱和协同定位控制器，使得控制输入饱和被抑制。特别地，引入二阶线性跟踪微分器，避免了对运动学控制律的直接求导和传统动态面控制对噪声敏感的问题，并实现平滑运动学控制信号的目的。再次，考虑到实际作业时船舶的速度测量值不可用，设计了神经自适应状态观测器同时估计速度信息和复合干扰。基于估计值，提出了输出反馈抗饱和协同定位控制器。然后，使用李雅普诺夫稳定性理论证明了协同跟踪误差是有界的。最后，仿真结果验证了所提出的协同定位控制方法能够很好地估计复合干扰，减弱初始阶段的跟踪误差震荡，具有较好的动态品质和较高的稳态协同定位精度。　　针对模型参数不确定和时变环境干扰下使用拖缆连接无动力浮体的多动力定位船协同定位控制问题，提出了基于时变相对位置的协同定位控制方法。首先，根据无动力浮体定位所需要的控制力、控制分配算法、拖缆模型和拖缆在无动力浮体上拖点的几何关系设计时变相对位置。其次，基于邻船的状态信息、设计的时变相对位置和自适应律，使用动态面控制技术设计鲁棒状态反馈协同定位控制器。再次，考虑实际作业时无动力浮体和多动力定位船的速度测量值不可用，设计了非线性扩张状态观测器估计速度信息和受到的总扰动;并考虑输入饱和约束，基于辅助动态系统设计输出反馈抗饱和协同定位控制器。特别地，设计的非线性扩张状态观测器仅需调整一个参数，简化了实际应用时的参数调整过程。然后，使用李雅普诺夫稳定性理论证明了闭环系统内的所有信号均一致最终有界。最后，仿真结果验证了所提出的协同定位控制方法能够提升无动力浮体的定位精度，平滑拖缆张力，具有较好的鲁棒性。　　本文对多动力定位船协同定位作业的一些控制问题进行了研究，并对设计的控制方法进行了稳定性分析和仿真验证。结果表明:设计的基于干扰观测器的协同定位控制方法能够很好地处理干扰和输入饱和，并实现多动力定位船高精度协同定位作业;设计的神经自适应协同定位控制方法能够进一步实现在模型参数不确定和速度测量值不可用下的多动力定位船高精度协同定位作业;设计的基于时变相对位置的协同定位控制方法能够提升无动力浮体的定位精度。
作者：	孙创
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：	2021