半潛船動力定位控制系統(tǒng)建模和仿真研究.pdf

1、隨著陸地石油的逐漸枯竭,人們將目光投向了深海油氣資源,傳統(tǒng)的位置錨泊方式已不再適用深水,目前不受水深限制的動力定位系統(tǒng)已是主要趨勢。動力定位系統(tǒng)是一個自動保持船舶位置的控制系統(tǒng),根據(jù)測得的信號驅(qū)動推進單元以抵抗風、浪、流等環(huán)境干擾的影響。由于船舶和其他海洋平臺的動態(tài)特性是大慣性和非線性的,存在各自由度耦合和驅(qū)動系統(tǒng)延遲等諸多問題,傳統(tǒng)的PID和LQG方法雖然在動力定位系統(tǒng)中取得一定成就,但無法滿足人們?nèi)找嫣岣叩膶恿Χㄎ豢刂菩阅艿囊?

2、因此研究更合適實際船舶動力定位控制的控制理論和方法已成為目前船舶運動控制研究的一大熱點。
　　 模型預測控制,又稱為滾動時域控制,由于適應模型不確定、魯棒性強、在優(yōu)化控制理論的框架內(nèi)統(tǒng)一處理系統(tǒng)的約束、非線性因素和性能指標等特點,已成為現(xiàn)代工業(yè)過程的一種高級控制技術。隨著人們對船舶動力定位系統(tǒng)精度、安全和高效性的要求不斷提高,本文采用模型預測控制的理論框架,以我國一艘動力定位船舶,半潛船“泰安口”為仿真母型船的前提下,進行機理模

3、型和控制模型的建立,提出了模型預測控制在船舶動力定位控制系統(tǒng)中所涉及的一系列設計環(huán)節(jié),如運動狀態(tài)估計、高層運動控制器模塊及底層推力分配模塊等中的應用,為船舶等海洋平臺動力定位控制系統(tǒng)的設計和研究提供了新的思路和方法,主要內(nèi)容及成果包括:
　　 1、研究了兩種功能的船舶動力定位系統(tǒng)的數(shù)學模型。兩種模型按功能可分為:過程系統(tǒng)模型(機理模型)和控制系統(tǒng)模型(控制模型)。過程系統(tǒng)模型盡可能精確描述復雜海況下的風、浪、流運動方程以及船舶非

4、線性運動規(guī)律,盡可能接近真實世界,可用于校準控制系統(tǒng)和構建模擬器,還可用于人員培訓和測試在環(huán)硬件?？刂葡到y(tǒng)模型結構形式相對過程系統(tǒng)模型簡單,其主要目的在于抓住真實系統(tǒng)的本質(zhì)特性,可用于設計控制系統(tǒng)和分析系統(tǒng)的特性(穩(wěn)定性,限制條件,魯棒性等等)。兩種不同功能模型的建立為本論文的進一步的控制方法研究做了基礎性工作。
　　 2、研究了滾動時域濾波器在船舶動力定位系統(tǒng)中的狀態(tài)估計作用。由于價格或技術上的原因,一般動力定位船舶配備的測量

5、傳感系統(tǒng)只能提供帶有測量噪聲的船舶位置和船舶艏搖角和某些船舶運動速度,必須通過狀態(tài)估計得到船舶低頻運動值。本文研究了滾動時域觀測器在動力定位控制系統(tǒng)中的應用,能夠從帶有測量噪聲的位移輸出中估計出船舶低頻位置和運動速度。采用滾動時域優(yōu)化的思想和FIR濾波器的結構,設計了優(yōu)化滾動時域濾波器,并對半潛船分別在時不變的和時變的質(zhì)量矩陣和阻尼矩陣進行數(shù)值仿真,并通過與傳統(tǒng)的卡爾曼濾波器進行仿真結果比較,以驗證滾動時域濾波器的有效性和魯棒性。

6、>　　 3、研究動力定位控制系統(tǒng)的高層控制模塊的設計問題。當設計DP控制器時,存在模型不確定,驅(qū)動器飽和硬限制條件,狀態(tài)和輸出(DP船舶的位置和艏向)限制。一個利用不變集理論的魯棒雙模滾動時域控制被應用DP控制器設計中?？刂破鹘K端條件被放寬,不要求精確達到原點,而是到達某些不變橢圓集內(nèi)部。雙模式模型預測控制的內(nèi)涵是在橢圓外部,應用模型預測控制,一旦狀態(tài)進入到橢圓,控制方法轉為線性狀態(tài)反饋控制,并且使狀態(tài)永遠停留在橢圓內(nèi)部,穩(wěn)定系統(tǒng)?？?/p>

7、制器設計轉化為線性矩陣不等式求解的半定規(guī)劃問題。最后將雙模滾動時域控制和LQG算法應用到動力定位船舶中進行仿真研究,驗證該控制算法的可行性和有效性。
　　 4、研究了基于模型預測控制的動態(tài)模型預測推力分配問題。動力定位船舶是過驅(qū)動系統(tǒng),即控制變量的個數(shù)大于受控變量的個數(shù)。將推力分配模塊單列出來設計,有利于推進器改變或推進器發(fā)生故障時,不需要重新設計上層控制器而進行故障重構控制?，F(xiàn)在目前所存在的推力分配模塊主要采用靜態(tài)分配方法,忽

8、略了輸入和輸出的動態(tài)關系。本論文在考慮推進器不同動態(tài)特性和各種硬性飽和條件的情況下,研究了動態(tài)模型預測推力分配問題。最后將靜態(tài)分配和基于模型預測控制的動態(tài)分配的仿真結果進行了比較。
　　 本文的研究以一艘半潛船實船“泰安()”為對象,在建立實船機理模型和控制模型的基礎上,集中研究了動力定位系統(tǒng)的狀態(tài)觀測器、控制算法和過驅(qū)動動態(tài)推力分配上,重點探討了模型預測控制理論或滾動時域控制理論在動力定位控制系統(tǒng)中的應用,文中做了大量的仿真研