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原文传递带观测器的船舶动力定位控制策略与稳定性研究

论文题名：	带观测器的船舶动力定位控制策略与稳定性研究
关键词：	船舶动力定位;非线性观测器;航向控制;稳定性分析
摘要：	随着经济的高速发展，能源和资源短缺问题越来越突出，在新能源还不能取代传统能源之前，人们将更多的目光投向资源丰富的海洋，对海洋的开发和探索也将越来越广，也需要用到更多的海上钻井平台，其核心关键技术就包括动力定位系统研究。目前关于动力定位系统的热点研究主要有:根据风、浪、流等环境扰动力以及推力和水动力建立船舶/平台的外载荷模型;获取精度更高的船舶动力学模型;多种智能方法融合的高精度混合智能控制算法;二阶波浪漂移力估算与快速补偿技术;风向风速多普勒测量和风前馈技术;研发基于多传感器融合技术的高精度的动力定位位置参考系统;带热备份的多重冗余控制系统;基于推进器功率特性曲线，研究能耗最小最优的推力分配算法，实现绿色动力定位。　　本文以海平面上运动的船舶为对象，采用非线性控制理论的方法，对船舶动力定位系统的建模、螺旋桨推力估算、船舶模型室内位置测量、观测器设计、船舶航向及纵荡运动控制、船舶动力定位控制进行了研究，论文主要研究内容和成果如下: 　　(1)考虑船舶所处的环境、海况复杂多变，探讨了环境扰动力（风、浪、流）的数学模型。然后，针对模型船舶动力定位系统室内GPS信号受限，提出一种基于超声波的高精度室内定位解决方案。该方案先应用加权最小二乘法建立了系统定位算法的数学模型，给出了方程的求解过程。接着，针对螺旋桨模型及其动态特性难以描述的问题，提出一种基于Chebyshev拟合式的螺旋桨四象限推力估算方案。该方案先根据诺尔特斯特洛姆系列图谱，选取Chebyshev拟合式给出船舶螺旋桨四象限特性的推力系数和扭矩系数的表达式，并进一步将之转化成普通多项表达式。随后根据给出的螺旋桨四象限的数学模型，估算出螺旋桨的推力。通过26∶1的2.8米船舶模型实验，验证了超声波室内定位系统以及螺旋桨推力估算的有效性。最后，从动力学的角度，对船舶运动的动态特性、船舶水动力特性进行探讨分析，建立了船舶的运动方程。　　(2)考虑采用线性Kalman滤波需线性化船舶运动方程，提出基于输入状态稳定的船舶动力定位系统非线性观测器设计。该观测器将系统噪声、测量噪声以及未建模动态考虑进来，滤去测量值的高频噪声，将测量值分离出高频和低频两部分，并估计出测量系统无法给出的船舶各状态值，能起到很好的滤波和估计作用。最后利用李雅普诺夫稳定性证明该观测器是输入-状态稳定（Input to State Stability，ISS），仿真结果表明该非线性观测器具有较强的鲁棒性和抗干扰能力。　　(3)考虑船舶的操纵特性，研究了船舶航向控制及纵荡运动控制问题。考虑非线性船舶航向控制中船舶参数及扰动的不确定性，分别对扰动界已知和界未知两种情况，设计了相应的非线性自适应鲁棒控制器。首先对扰动界已知的非线性船舶实现船舶航向跟踪控制，并取得全局指数稳定的控制效果。考虑到环境的随机性对船舶的影响，又对扰动界未知的非线性船舶实现航向跟踪控制，并利用李雅普诺夫方法证明系统满足L2控制标准，取得了全局稳定的控制效果。在保证航向稳定基础上，对船舶的纵荡运动进行控制以实现船舶定位或跟踪。考虑到船舶由于受风、浪、流、作业环境（航速、操作模式）、航海条件等不确定因素的影响，很难用一个精确的船舶模型来描述船舶纵荡运动。为此为船舶的纵荡运动设计了一个自适应模糊控制器，其稳定性通过李雅普诺夫稳定性理论得到了证明。仿真结果验证了上述算法的有效性。　　(4)针对船舶动力定位非线性模型，进行了船舶动力定位控制算法研究。考虑到环境扰动不确定问题，在简化船舶动力定位系统模型的基础上，提出了一种带观测器的不确定扰动非线性船舶动力定位自适应输出反馈控制算法。首先设计了一个非线性观测器，从附有噪声的输出中估计出船舶位置及运动速度。然后用滤波后的位置信号，针对扰动不确定非线性船舶设计带观测器的自适应反步控制器，该控制器在Backstepping设计方法的基础上引入积分环节，对存在未知参数和动态不确定扰动的船舶能有效的改善系统性能。根据李雅普诺夫稳定性理论证明所设计的控制器是全局渐近稳定的。考虑到船舶高频运动及环境扰动力的影响，针对船舶综合模型提出船舶动力定位的平行分布补偿（Parallel Distributed Compensation，PDC）控制算法。首先将船舶动力定位系统的非线性数学模型用Takagi-Sugeno(T-S)模糊模型表示，然后利用LMI方法设计了船舶动力定位系统的PDC模糊控制器。仿真结果验证了上述控制算法的有效性。　　本研究课题是与广州市美柯电气设备有限公司的一个合作课题，同时是广州市番禺区科技攻关项目（2010-Z-43-1），广东工业大学自动化学院211工程特色与培育子项目资助。
作者：	叶宝玉
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：	2012
正文语种：	中文