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未知波浪扰动下的欠驱动多模块浮动平台控制方法研究
| 论文题名： | 未知波浪扰动下的欠驱动多模块浮动平台控制方法研究 |
| 关键词： | 多模块浮动平台;海上工程装备;未知波浪扰动;欠驱动系统;滑模控制;李雅普诺夫稳定性 |
| 摘要： | 随着海上资源的不断开发，对海上工程装备的需求日益增强，同时对装备的安全性和稳定性也提出更高要求。多模块浮动平台是目前海上工程装备的主要形式之一，可用于深海资源开发、休闲旅游、生化加工、运输仓储、浮动机场以及可移动军事基地等，是具有前瞻性和探索性的重大高端海洋工程装备。多模块浮动平台尺度巨大，经受复杂风浪流作用，工作环境多变且恶劣，所以需对浮动平台实施稳定性控制，以保证其可安全平稳作业。同时，由于多模块浮动平台身处远海，制造、运营和维修成本极高，因此在实施控制时，需兼顾结构复杂程度和维修成本，以提高其经济性能。本文基于多模块浮动平台网络动力学模型，在考虑未知波浪扰动情况下，推导时变终端滑模控制策略(Time-VaryingTerminalSlidingModeControl,TVTSMC)。基于此策略的欠驱动控制方法，可实现单一作动器的多目标控制，在保证多模块浮动平台稳定性的同时，减少作动器数量及复杂程度。从控制策略和方法的角度出发，降低多模块浮动平台运动稳定性控制的成本。论文的具体工作如下： 采用网络动力学方法建立多模块浮动平台的动力学模型。将浮动平台各模块看作网络节点，分别建立各个模块的动力学模型，包括水动力学模型和锚链约束模型；将模块间连接器看作网络连接，建立动力学连接器模型；最后利用拓扑矩阵将各个节点模型组合成多模块浮动平台系统动力学模型。该网络的动力学建模方法可应用于任意拓扑结构的浮动平台模型建立。 基于TVTSMC策略，在未知波浪的激励下，针对纵荡运动，发展了作动器数量少于模块数量的欠驱动多模块浮动平台控制方法。为实施运动控制，在浮动平台模块间安装作动器，并推导作动器动力学模型；建立非线性波浪载荷观测器，对纵荡方向所受波浪载荷进行估计；针对平台纵荡运动，基于TVTSMC策略和PID策略计算作动器控制输出，并采用李雅普诺夫稳定性定理证明控制方法的稳定性；最后通过数值仿真验证控制方法的有效性。 基于TVTSMC策略，发展欠驱动多模块浮动平台垂荡和纵摇运动的控制方法，该控制方法，以单一作动器控制多方向运动，可减少多模块浮动平台作动器设计难度。为实施多方向运动控制，在各模块底部安装倾斜作动器，并推导其动力学模型；采用非线性波浪载荷观测器，对作用于垂荡和纵摇方向的载荷进行评估；基于TVTSMC策略，控制浮动平台垂荡和纵摇运动，并采用李雅普诺夫稳定性定理证明控制方法的稳定性；最后通过数值仿真验证此控制方法的有效性。 |
| 作者： | 遇雯 |
| 专业： | 交通运输 |
| 导师： | 夏淑炎 |
| 授予学位： | 硕士 |
| 授予学位单位： | 广州大学 |
| 学位年度： | 2023 |
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