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基于自抗扰控制的船舶动力定位系统控制器研究
| 论文题名： | 基于自抗扰控制的船舶动力定位系统控制器研究 |
| 关键词： | 动力定位系统;船舶设备;自抗扰控制器;观测器;灰狼算法 |
| 摘要： | 近年来，世界各国逐步重视对海洋资源的开发，使得海洋工程朝着多元化和深海化方向发展，传统锚泊已经无法满足现代海洋工程对定位精度的要求，能够在复杂海况下完成定位任务的动力定位系统成为了研究的热点问题。控制系统作为动力定位系统中的核心部分之一，会直接影响其定位精度和稳定性，因此，对船舶动力定位控制系统进行研究极具理论价值和现实意义。本文在充分调研了国内外动力定位控制系统的相关研究后，针对动力定位系统控制器设计问题展开研究，主要工作如下： （1）在运动学和动力学两方面对水面船舶的运动进行分析，结合动力定位系统的特点建立了船舶三自由度低频运动数学模型。而对于实际的船舶定位这样一个复杂的非线性过程，时变的海洋环境会大大增加控制系统设计的难度，因此在建立船舶运动模型后，对风、浪、流等海洋环境扰动进行分析，作为后文对自抗扰控制器的设计和性能验证的基础。 （2）针对自抗扰控制的原理进行分析。由于自抗扰控制采用特殊的非线性反馈机制对扰动进行补偿，保留了传统PID控制器结构简单、不依赖精确数学模型等优势，并且能够改善面对复杂非线性系统时的抗干扰性能，十分适用于动力定位控制系统。结合动力定位系统的特点，对自抗扰控制技术中各主要部分进行理论推导获得其离散形式，并进行仿真验证。 （3）针对复杂扰动下的动力定位系统控制器设计，分别建立了三个自由度上基于自抗扰控制的动力定位系统控制律，实现了定点控制和艏向控制功能。当外界扰动突增时，为了减少船舶的偏移量以及加快船舶回复至目标点的速度，对所设计的扩张状态观测器中fal函数上限进行限幅，从而减小大误差时系统的增益效果；同时考虑环境噪声污染会使得船舶速度发生频繁变化的问题，在观测器回路上引入了fal函数反馈结构进行滤波。仿真实验验证了改进后的控制器能够使得船舶发生偏移时，偏移量更小、回复至目标位置更快且受到噪声影响更小，具有更优良的控制性能。 （4）针对自抗扰控制器参数众多，相互之间没有明确的整定规则，依靠人工经验进行整定很难得到一组满意的参数的问题，本文首先对灰狼算法的原理进行分析，将灰狼算法引入所设计自抗扰控制器的参数整定过程中，以ITAE指标作为参数整定的评价依据，建立了参数整定的目标函数，对调节时间过长、稳态性能较差的参数组进行惩罚，实现了结合灰狼算法的船舶动力定位系统自抗扰控制器设计。仿真实验验证了灰狼算法在控制器参数整定过程中的有效性。 |
| 作者： | 聂群 |
| 专业： | 船舶与海洋工程 |
| 导师： | 吴浩峻 |
| 授予学位： | 硕士 |
| 授予学位单位： | 大连海事大学 |
| 学位年度： | 2022 |
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