船舶鋪管作業(yè)動力定位控制方法研究.pdf

1、深海油氣管道鋪設船舶的動力定位(DynamicPositioning,DP)控制技術,是鋪管船用動力定位系統(tǒng)設計的關鍵技術。本學位論文結合相關工程需求,從理論上對J型鋪管動力定位系統(tǒng)的建模和鋪管船動力定位輸出反饋控制理論開展了深入的研究,其研究內容主要包括以下幾個方面:
　　建立了動力定位船舶運動學、動力學和海洋環(huán)境干擾模型。提出一種計算J型鋪管作業(yè)中管道對船體作用力的懸鏈線非線性方程方法,將船舶的位置、艏向、運動速度和放管速度作

2、為影響管道力的因素考慮。通過建立船舶、環(huán)境和管道模型給出了動力定位船進行鋪管作業(yè)的仿真模型,并基于模型進行了仿真驗證。
　　DP鋪管船輸出反饋控制器的基礎是設計鋪管船狀態(tài)觀測器,對于此問題,提出一種魯棒強跟蹤擴展Kalman濾波器(RobustStrongTrackingExtendedKalmanFilter,RST-EKF)。該濾波器在DP鋪管船模型存在參數不確定性時,利用指數漸消因子放大當前位置和艏向測量值權系數,使濾波器快

3、速收斂;同時,針對船舶位置參考系統(tǒng)和羅經存在野值的問題,引入根據新息不同情況進行分段的穩(wěn)健矩陣函數,避免了指數漸消因子對野值產生的粗差不合理放大,保證了濾波器的魯棒性。仿真結果表明,該算法可以保證模型參數具有不確定性時濾波器的收斂速度,同時對新息粗差具有較好的魯棒性。進一步,為了克服EKF不具有全局穩(wěn)定性的問題,在系統(tǒng)模型存在結構不確定性情況下,提出了一種自適應滑模無源非線性觀測器。對滑模面增益上界,提出一種切換自適應律進行估計,避免了

4、增益過大產生的觀測器振蕩和增益過小造成的系統(tǒng)不穩(wěn)定,最后證明了觀測誤差是全局一致有界的。仿真基于帶有非線性水動力矩陣的DP鋪管船動力學模型進行,結果表明,觀測器能夠克服非線性水動力矩陣引入的模型結構不確定性,具有良好的估計精度和魯棒性。
　　針對鋪管船DP作業(yè)時的最優(yōu)跟蹤控制問題,提出一種自適應逆最優(yōu)反步循跡狀態(tài)反饋控制器。首先針對系統(tǒng)線性化部分設計最優(yōu)跟蹤控制律,再利用線性最優(yōu)跟蹤控制律給出的時變代數Riccati方程結合反步法

5、對系統(tǒng)進行狀態(tài)變換,并針對慢變海洋環(huán)境干擾設計了自適應律進行估計補償,隨后給出了使系統(tǒng)穩(wěn)定的自適應反步循跡控制律,最后根據逆最優(yōu)思想,給出所設計控制律作用下的最優(yōu)性能指標。仿真中利用PID控制器與兩組不同參數的最優(yōu)控制器進行比較,說明了所提出算法的有效性。在此基礎上,為了使控制器更適合鋪管過程中船舶的行進——航停循環(huán)作業(yè)工況,提出帶有速度校正環(huán)節(jié)的逆最優(yōu)反步法狀態(tài)反饋路徑跟蹤控制器,該方法能夠在線靈活調整期望速度。首先設計逆最優(yōu)反步路徑

6、跟蹤控制律使船體漸近跟蹤期望路徑,然后根據該控制律給出可最小化的性能指標,再設計梯度更新律使速度誤差收斂于零。仿真結果表明該算法在實現最優(yōu)控制的同時,可以滿足船舶行進——航停工作模式的要求。
　　針對船舶鋪管時管道和船體期望路徑不同的問題,假設管道與海底接觸點(著地點)到船體間的距離保持不變,并通過坐標轉換將管道著地點實際路徑與海底期望路徑映射為船體實際和期望路徑,然后設計了反饋線性化循跡控制器用以驗證所給出的坐標變換方法。仿真結

7、果表明上述方法可以控制DP船將管道鋪設于給定路徑上。進一步,為了使控制器更好的適應DP船行進鋪管時船體勻加速——勻速——勻減速的運動過程,提出一種帶有加速度校正環(huán)節(jié)的反饋線性化狀態(tài)反饋路徑跟蹤控制器,該方法能夠在線靈活調整期望加速度。首先將原DP鋪管船二階系統(tǒng)的控制項求導,得到一個新的三階增廣系統(tǒng)并對其設計反饋線性化路徑跟蹤控制律,使系統(tǒng)輸出漸近跟蹤期望路徑,再設計梯度更新律使加速度誤差收斂于零,并通過調節(jié)期望加速度實現了定常速度的誤差