船舶鋪管作業(yè)動(dòng)力定位控制方法研究.pdf

1、深海油氣管道鋪設(shè)船舶的動(dòng)力定位(DynamicPositioning,DP)控制技術(shù),是鋪管船用動(dòng)力定位系統(tǒng)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵技術(shù)。本學(xué)位論文結(jié)合相關(guān)工程需求,從理論上對(duì)J型鋪管動(dòng)力定位系統(tǒng)的建模和鋪管船動(dòng)力定位輸出反饋控制理論開展了深入的研究,其研究內(nèi)容主要包括以下幾個(gè)方面:
　　建立了動(dòng)力定位船舶運(yùn)動(dòng)學(xué)、動(dòng)力學(xué)和海洋環(huán)境干擾模型。提出一種計(jì)算J型鋪管作業(yè)中管道對(duì)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(yùn)動(dòng)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(dòng)力定位船進(jìn)行鋪管作業(yè)的仿真模型,并基于模型進(jìn)行了仿真驗(yàn)證。
　　DP鋪管船輸出反饋控制器的基礎(chǔ)是設(shè)計(jì)鋪管船狀態(tài)觀測(cè)器,對(duì)于此問題,提出一種魯棒強(qiáng)跟蹤擴(kuò)展Kalman濾波器(RobustStrongTrackingExtendedKalmanFilter,RST-EKF)。該濾波器在DP鋪管船模型存在參數(shù)不確定性時(shí),利用指數(shù)漸消因子放大當(dāng)前位置和艏向測(cè)量值權(quán)系數(shù),使濾波器快

3、速收斂;同時(shí),針對(duì)船舶位置參考系統(tǒng)和羅經(jīng)存在野值的問題,引入根據(jù)新息不同情況進(jìn)行分段的穩(wěn)健矩陣函數(shù),避免了指數(shù)漸消因子對(duì)野值產(chǎn)生的粗差不合理放大,保證了濾波器的魯棒性。仿真結(jié)果表明,該算法可以保證模型參數(shù)具有不確定性時(shí)濾波器的收斂速度,同時(shí)對(duì)新息粗差具有較好的魯棒性。進(jìn)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(jié)構(gòu)不確定性情況下,提出了一種自適應(yīng)滑模無源非線性觀測(cè)器。對(duì)滑模面增益上界,提出一種切換自適應(yīng)律進(jìn)行估計(jì),避免了

4、增益過大產(chǎn)生的觀測(cè)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(cè)誤差是全局一致有界的。仿真基于帶有非線性水動(dòng)力矩陣的DP鋪管船動(dòng)力學(xué)模型進(jìn)行,結(jié)果表明,觀測(cè)器能夠克服非線性水動(dòng)力矩陣引入的模型結(jié)構(gòu)不確定性,具有良好的估計(jì)精度和魯棒性。
　　針對(duì)鋪管船DP作業(yè)時(shí)的最優(yōu)跟蹤控制問題,提出一種自適應(yīng)逆最優(yōu)反步循跡狀態(tài)反饋控制器。首先針對(duì)系統(tǒng)線性化部分設(shè)計(jì)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(shí)變代數(shù)Riccati方程結(jié)合反步法

5、對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行狀態(tài)變換,并針對(duì)慢變海洋環(huán)境干擾設(shè)計(jì)了自適應(yīng)律進(jìn)行估計(jì)補(bǔ)償,隨后給出了使系統(tǒng)穩(wěn)定的自適應(yīng)反步循跡控制律,最后根據(jù)逆最優(yōu)思想,給出所設(shè)計(jì)控制律作用下的最優(yōu)性能指標(biāo)。仿真中利用PID控制器與兩組不同參數(shù)的最優(yōu)控制器進(jìn)行比較,說明了所提出算法的有效性。在此基礎(chǔ)上,為了使控制器更適合鋪管過程中船舶的行進(jìn)——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(diào)整期望速度。首先設(shè)計(jì)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(jù)該控制律給出可最小化的性能指標(biāo),再設(shè)計(jì)梯度更新律使速度誤差收斂于零。仿真結(jié)果表明該算法在實(shí)現(xiàn)最優(yōu)控制的同時(shí),可以滿足船舶行進(jìn)——航停工作模式的要求。
　　針對(duì)船舶鋪管時(shí)管道和船體期望路徑不同的問題,假設(shè)管道與海底接觸點(diǎn)(著地點(diǎn))到船體間的距離保持不變,并通過坐標(biāo)轉(zhuǎn)換將管道著地點(diǎn)實(shí)際路徑與海底期望路徑映射為船體實(shí)際和期望路徑,然后設(shè)計(jì)了反饋線性化循跡控制器用以驗(yàn)證所給出的坐標(biāo)變換方法。仿真結(jié)

7、果表明上述方法可以控制DP船將管道鋪設(shè)于給定路徑上。進(jìn)一步,為了使控制器更好的適應(yīng)DP船行進(jìn)鋪管時(shí)船體勻加速——?jiǎng)蛩佟獎(jiǎng)驕p速的運(yùn)動(dòng)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(diào)整期望加速度。首先將原DP鋪管船二階系統(tǒng)的控制項(xiàng)求導(dǎo),得到一個(gè)新的三階增廣系統(tǒng)并對(duì)其設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)梯度更新律使加速度誤差收斂于零,并通過調(diào)節(jié)期望加速度實(shí)現(xiàn)了定常速度的誤差