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船舶动力定位系统的在线船舶模型辨识研究
| 论文题名： | 船舶动力定位系统的在线船舶模型辨识研究 |
| 关键词： | 船舶模型;动力定位系统;推进器推力;在线船舶模型;系统辨识;最优控制 |
| 摘要： | 动力定位系统是一种高新控制技术,广泛地应用于船舶及海上浮式作业平台。它是一种闭环的控制系统,在不借助锚泊系统的情况下,不断检测出船舶的实际位置与目标位置的偏差,再根据外界风、浪、流等外界扰动力的影响计算出使船舶恢复到目标位置所需推力的大小,并对船舶上各推力器进行推力分配,使各推力器产生相应的推力,从而使船尽可能地保持在海平面上要求的位置上。 其中一阶波浪力引起的运动约为0.3～1.6rad/s之间,称为高频运动。而风、流、二阶波浪以及推进器引起的力为低频力。一阶波浪力非常大,比推进器推力大一个数量级以上,而且是周期运动。因此用推力去抵抗一阶波浪力是无效的,也是没有必要的。船舶模型参数包括了船舶质量、船舶转动惯量、船舶附加质量和水动力导数。 由于船舶模型的高度非线性以及外界干扰力、推进器推力的无法测量性,导致它们的在线辨识和估计显得十分困难。因此本研究就是针对如何进行在线船舶模型辨识、如何根据辨识模型进行控制和动力分配进行了深入研究。 首先,提出一种以动力学效应为基础,应用无味卡尔曼滤波器(Unscented KalmanFilters,UKF)进行动力定位船舶动力学模型、外界载荷以及推进器推力在线辨识的算法。此算法能够在动力定位过程中不断求解船舶模型和其受到的载荷力,使得拥有这些参数的船舶模型和载荷所反映出的动力学效应不断逼近传感器检测到的运动反馈。基于此原理,用这些参数作为名义上的船舶模型、外界力、推进器推力就能够完成高效、自适应的定位控制。通过控制仿真,证明了此算法的有效性和正确性。 而后,应用最优控制算法对上述辨识得到的船舶模型进行线性化处理,用最优二次调节器计算指令推力,并结合风、浪和流的前馈计算得到发送给推进器的指令推力,这里的指令推力是指沿船舶附体坐标系的正交分解力。 为了将正交分解力转换为各个推进器的推力和转速,则需要根据辨识得到的船舶模型进行动力分配,从而计算每个推进器应该产生的推力,进而计算此推力下的螺旋桨转速。 最后根据上述算法,我们用matlab并结合C++进行了仿真模拟,结果表明,用上述算法进行船舶模型辨识,进而进行最优控制和动力分配能够在外载荷、本身质量和水动力系数的变化情况下,自适应的完成动力定位任务。 |
| 作者： | 倪菲 |
| 专业： | 机械电子工程 |
| 导师： | 赵言正 |
| 授予学位： | 博士后 |
| 授予学位单位： | 上海交通大学 |
| 学位年度： | 2011 |
| 正文语种： | 中文 |
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