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原文传递带有推进器故障和信号量化的船舶动力定位系统滑模容错控制

论文题名：	带有推进器故障和信号量化的船舶动力定位系统滑模容错控制
关键词：	船舶动力定位系统;滑模容错控制;推进器故障;信号量化;通信时延
摘要：	海洋是地球的“血脉”，孕育了生命、连通了世界、促进了发展。在海洋化的进程中，动力定位船舶以其定位准确、机动性高、不受水深限制等优点，广泛地应用于铺缆、钻井、供给、铺管、消防、科研考察以及海洋平台等作业中，已成为探索和开发海洋的“利器”。然而，受到复杂多变的海洋环境的影响，动力定位船舶的推进器可能发生各种故障，从而造成不可估量的损失。同时，信号量化现象、通信时延现象和持续海洋扰动的存在也影响船舶动力定位的实现。另外，艏摇角在一定范围内振荡，增加了系统设计的难度。滑模技术以鲁棒性强、抗干扰性高和易于实现的优点，广泛地应用于动力定位船舶控制的研究中。然而，当涉及上述一系列问题时，基于滑模技术的船舶系统的动力定位控制研究就变得富有挑战性。因此，开展关于动力定位船舶的量化滑模鲁棒容错控制的研究具有很重要的理论意义与实际价值。　　本论文完成的主要研究内容和研究成果如下：　　1.考虑到船舶动力定位系统在复杂海洋中可能会出现不同类型的推进器故障，建立了一个全面且统一的推进器故障模型，包括推进器部分失效故障、完全故障、时变卡死故障、满舵故障和虚假故障。为了避免由于各种推进器故障造成的一系列损失和故障检测与诊断模块产生的信息的错报与漏报，在输入矩阵满秩分解技术的基础上，设计了一个自适应容错控制器。通过滑模技术与H?控制的组合设计，实现抑制艏摇角速度误差与振荡幅值的控制目标。最后，通过对典型浮生船的仿真，证明了所提出方法的可行性。　　2.针对考虑信号量化的船舶动力定位系统的容错控制问题，基于滑模技术提出了一种新的量化容错控制策略。动力定位船舶的输出（例如：位置和速度信息）和控制输入分别通过通信信道传输到远程陆基控制台和从远程陆基控制台传输出，为了消除量化误差的影响，选择了一种灵敏度范围可调的均匀量化器。通过对调节参数的灵活选择，量化调节范围可调整为无推进器故障的现有范围内。所设计的量化滑模容错控制器和动态量化参数调节策略，使得动力定位船舶在发生推进器故障和信号量化的情况下仍能实现抑制艏摇角速度的误差与振荡幅值的控制目标。仿真实验研究证明了该方法的有效性。　　3.针对具有通信时延和信号量化的船舶动力定位系统，设计了一种鲁棒量化滑模容错控制策略。对于网络环境中的动力定位船舶，不可避免地发生通信时延和信号量化。在这种情况下，将自适应滑模容错控制技术与动态量化参数调节策略相结合，来处理状态时延和量化误差问题。与传统的方法相比，不仅给出了一个更大的且与时延参数相关的量化调节范围，而且设计了一种新的量化滑模容错控制器，以抑制艏摇角速度误差与振荡幅值，实现动力定位。关于动力定位船舶的比较实验，证明了所提算法的有效性。　　4.针对发生时变时延和信号量化的带有未知隶属度函数的T-S模糊船舶动力定位系统系统，提出了一种基于切换机制的滑模容错控制策略。由于复杂的海洋环境对艏摇角的影响，建立了一个带有未知隶属度函数的T-S模糊动力定位船舶系统。当与艏摇角有关的前提变量函数不可用时，传统的滑模控制技术变得不可行。为解决这一问题，设计了一种基于切换机制的新型量化滑模控制方案。另外，信号时变时延的存在导致现有的动态量化参数调节变的保守。本文通过同时考虑时变时延参数和推进器故障因子，给出了更大的量化参数调节范围。通过最后的对比仿真结果，验证了所提出新的切换滑模容错控制器和改进后的动态量化参数调节策略的有效性。
作者：	张赫
专业：	控制工程
导师：	郝立颖
授予学位：	硕士
授予学位单位：	大连海事大学
学位年度：	2021