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原文传递船舶动力定位系统建模与随机控制研究

论文题名：	船舶动力定位系统建模与随机控制研究
关键词：	动力定位系统;控制性能;船舶运动;海洋环境
摘要：	随着人类向深海进军，锚式定位不再适用，动力定位系统(Dynamic Positioning，DP)越来越广泛地应用于海上船舶和平台，船舶动力定位系统具有广阔的市场及发展前景。动力定位系统的核心是控制技术，它标志着动力定位系统的发展水平。而船舶结构和参数的动态变化，具有随机特性，即存在不确定性。此外，风、浪、流造成附加的干扰力也具有随机特性，即便部分建模后，也依旧存在不确定性。因此，不确定条件下，使得船舶动力定位系统具有更高控制性能，成为了动力定位控制中的关键问题之一。　　本文研究工作围绕上述关键问题展开，主要内容如下：　　 (1)考虑到风浪流随机特性造成的动态不确定性，引入随机过程进行描述，建立了随机微分方程描述的船舶动力定位系统模型；给出了随机系数的估计方法，仿真验证了该随机微分动力学系统比确定型微分动力学系统更仔细地刻画了动态不确定海况下的船舶运动响应，与实际系统的动力学响应吻合更好。针对课题组研究的定螺距、四推进的供应船，设计了扩展Kalman滤波器以实现不可测状态的估计和参数辨识，并对其可辨识性进行了分析；对比分析了不同输入信号、初始状态、噪声标准方差情况下的辨识精度，为工程应用提供指导。　　 (2)基于随机微分方程描述的动力定位系统，完成了随机非线性Backstepping控制器的设计；为估计不可测状态以实现状态反馈，构造了随机非线性观测器；继而完成了基于观测器的随机非线性Backstepping控制器设计；完成控制器和观测器的稳定性分析和仿真，验证了控制器和观测器的有效性。　　 (3)考虑推进约束问题，基于滚动优化机制，设计了随机波上的非线性动力定位系统预测控制器；为提高最优控制序列搜索的有效性，提出采用比例-微分-积分(Proportional-Integral-Differential，PID)反馈输出作为控制序列产生的基本结构；该方法利用了预测控制的前馈特性，同时利用了PID控制的反馈特性，保证系统具有快速收敛特性的同时，综合考虑燃料最少，超调最小的指标，实现了控制器滚动优化；仿真验证了该控制策略和控制器的有效性。　　 (4)以带有2个隧道式和2个全回转推进器的供应船推力分配为目标，构造了直接分配算法，并且基于该算法，采用Matlab实现了动力定位能力曲线绘制，并与KONGSBERG采用StatCapV2.6.1对DP43092进行的动力定位能力分析数据仿真结果对比，验证了该方法的有效性；为了兼顾最少燃油消耗、最小推力误差和保持负载均衡等性能指标，同时实现控制所需要的推力分配，构造了直接分配+遗传算法的混合算法，该方法能快速、有效的实现优化分配，具有实用价值；考虑风浪流随机特性，将推力优化分配建模成一个不确定规划问题，提出构造松弛因子来实现该问题的求解，在不影响解的质量情况下扩大了搜索空间，从而提高了搜索到解的概率。　　 (5)将基于Lyapunov函数的随机控制设计方法引入到船舶动力定位抗倾覆控制中，采用构造法设计了控制器。考虑到模型与实际系统存在偏差的情形，构建了对参考模型鲁棒界的要求，分析了控制器的鲁棒性。考虑到现有基于Fokker-Plarrck方程等的倾覆概率仿真方法计算复杂，计算量大的特点，提出并设计了基于半离散数值方法的倾覆概率仿真算法，通过实例验证了该算法的有效性，同时验证了上述控制器设计与鲁棒性分析的有效性。　　 (6)研发了一套船舶动力定位控制半物理仿真系统，用于辅助实际控制系统的分析与设计。建立了船舶运动及海洋环境计算机模型模拟器、全尺寸控制器和全尺寸操作终端，并通过基于DirectX的三维动画模拟器进行船舶三维运动效果展示。全尺寸控制器与船舶上实际使用的控制器在网络接口、信号输入/输出接口上完全一致，以便进行船舶动力定位控制系统半物理仿真及验证，降低了调试成本和风险，提高了在水池及海洋进行实物调试的效率。
作者：	徐荣华
专业：	控制理论与控制工程
导师：	王钦若
授予学位：	博士
授予学位单位：	广东工业大学
学位年度：	2011
正文语种：	中文