平臺三用工作船有約束動力定位系統(tǒng)的控制和仿真研究.pdf

1、隨著人類向深海進軍，傳統(tǒng)的錨泊方式在安全性，經(jīng)濟性上都不再合適。動力定位（DP）已成為深海作業(yè)的關鍵技術之一。控制技術是DP系統(tǒng)的核心，傳統(tǒng)的Kalman濾波和LQG控制是無約束DP系統(tǒng)的最優(yōu)控制方法，在實用中取得了巨大成功，然而，DP控制系統(tǒng)始終面臨一些難題：復雜的非線性特性對建模精度的影響；多變的海況，不確定的環(huán)境干擾力，系統(tǒng)設備的物理限制，不同的工況以及故障等給 DP系統(tǒng)加上的各種約束；船舶的大慣性特點引起的反饋控制滯后等等。隨著

2、 DP系統(tǒng)定位精度和控制性能要求的日益提高，解決動力定位系統(tǒng)的約束問題，提高控制技術的魯棒性和動態(tài)性能已經(jīng)成為DP控制領域的研究熱點之一。
　　本文的研究工作針對上述的熱點問題展開，以我國一艘海洋平臺三用工作船“南海222”輪為仿真母船，在建立船舶運動和環(huán)境干擾力模型的基礎上，對有約束 DP系統(tǒng)的控制方法進行了一系列研究，包括有約束 DP系統(tǒng)狀態(tài)估計、控制器和推力分配方案等方面的設計與改進，并進行了相關的仿真研究，為 DP控制系統(tǒng)

3、的研究、設計和改進提供了一種思路和方法，主要研究內容和成果如下：
　?。?）動力定位船舶運動數(shù)學模型的建立。本文針對仿真母船建立了兩種船舶運動數(shù)學模型，一種是過程模型，另一種是控制模型。過程模型是按照MMG方法建立船舶運動非線性數(shù)學模型，對風、浪、流等環(huán)境干擾力進行細致建模，力求接近真實世界；控制模型是在過程模型的基礎上簡化，抓住系統(tǒng)的本質特性建立的。兩種模型為動力定位控制系統(tǒng)的研究奠定了基礎，過程模型用于模擬船舶真實運動；控制模

4、型用于狀態(tài)估計和控制器的設計。仿真結果表明，過程模型較好地描述船舶運動和環(huán)境干擾力的特征，控制模型的趨勢與過程模型接近，兩種模型都是正確可靠的。
　?。?）有約束動力定位系統(tǒng)的狀態(tài)估計方法。本文結合經(jīng)典的Kalman濾波和滾動時域的思想，設計一種可以處理約束的滾動時域濾波器。仿真實驗表明，一般情況下，Kalman濾波器和滾動時域濾波器都能滿足動力定位系統(tǒng)的要求，但在系統(tǒng)噪聲不是零均值白噪聲等約束條件或者系統(tǒng)模型參數(shù)變化時，滾動時域

5、濾波器比Kalman濾波器魯棒性更好。
　?。?）有約束動力定位系統(tǒng)控制器的設計。本文設計了基于DMC控制的模型預測控制器來處理動力定位中的約束問題，仿真實驗表明與傳統(tǒng)LQG控制器相比，DMC預測控制器的魯棒性和動態(tài)性能更優(yōu)。
　?。?）加速度前饋和模型預測前饋控制策略。本文從經(jīng)典的LQG控制器出發(fā)，提出兩種采用前饋控制提前抵消環(huán)境干擾力，改善控制器性能的措施。一種為加速度反饋，當硬件條件滿足時，采用加速度傳感器信息來改善控

6、制器性能；另一種為模型預測前饋控制，當硬件條件不滿足時，引入模型預測控制，通過模型預測的思路來提前抵消環(huán)境干擾力。仿真實驗表明，兩種措施均能較好地改善控制器的性能。
　　（5）有約束DP系統(tǒng)的推力分配方案。本文根據(jù)仿真母船的特點，采用了二次規(guī)劃法和偽逆矩陣的方法開展推力分配研究。并將推進器動態(tài)模型引入推力分配環(huán)節(jié)。仿真實驗表明：無約束狀態(tài)下，二次規(guī)劃法和逆矩陣法均能滿足動力定位系統(tǒng)要求，但二次規(guī)劃法在處理推進器約束上更占優(yōu)勢，采用