船舶動(dòng)力定位系統(tǒng)狀態(tài)估計(jì)研究.pdf

1、隨著人口激增和工業(yè)發(fā)展，陸地上的資源和能源被消耗地日漸枯竭；海洋資源逐漸進(jìn)入人們的視野；尤其是深海領(lǐng)域蘊(yùn)含大量的礦產(chǎn)及油氣資源。復(fù)雜多變的深海環(huán)境對(duì)工程船舶、油氣開采平臺(tái)等海洋開發(fā)裝備提出了更高的要求，深海環(huán)境對(duì)船舶和海洋平臺(tái)工作時(shí)的定位能力也提出了嚴(yán)峻考驗(yàn)。傳統(tǒng)的錨泊設(shè)備隨著水深的增加凸顯了安裝費(fèi)用猛增、定位精度差等缺點(diǎn)。船舶動(dòng)力定位系統(tǒng)不受工作海域水深限制、安裝撤離迅速、定位精度高；各國的科研機(jī)構(gòu)和高校紛紛加大了對(duì)船舶動(dòng)力定位系統(tǒng)的

2、研究投入。
　　船舶動(dòng)力定位系統(tǒng)中最關(guān)鍵的是其閉環(huán)循環(huán)算法，船舶依靠自身的推進(jìn)器產(chǎn)生推力并且不需要外界設(shè)備的輔助，一部分推力用來抵抗作用于船舶的風(fēng)、浪、流等環(huán)境載荷，另一部分推力使船舶保持在預(yù)定位置或者按照設(shè)定的軌跡航行；上述兩種控制狀態(tài)均需要得到船舶的低頻運(yùn)動(dòng)信息。
　　本文主要針對(duì)狀態(tài)估計(jì)算法進(jìn)行研究并仿真分析，具體研究?jī)?nèi)容如下：
　　1）首先介紹船舶在自由液面上的六自由度運(yùn)動(dòng)，接著深入到動(dòng)力定位系統(tǒng)中船舶在水平面

3、上的縱蕩、橫蕩和艏搖三自由度運(yùn)動(dòng)，并分別給出船舶在上述運(yùn)動(dòng)中的高、低頻數(shù)學(xué)模型；然后給出風(fēng)、浪、流載荷的計(jì)算方法。最后介紹三種比較成熟的控制算法（PID、LQ、反歩積分）并且分別與船舶低頻運(yùn)動(dòng)數(shù)學(xué)模型組成循環(huán)控制程序進(jìn)行仿真，為研究狀態(tài)估計(jì)算法提供輸入項(xiàng)。
　　2）針對(duì)Kalman和Passive濾波，首先闡述其濾波原理及循環(huán)流程。然后在保持相同控制力及力矩、環(huán)境參數(shù)、參考位置情況下分別進(jìn)行仿真研究；從定性角度觀察濾波效果，并從定

4、量角度分析濾波器內(nèi)部固有參數(shù)對(duì)濾波效果的影響，最后對(duì)比分析這兩種濾波器的優(yōu)缺點(diǎn)。
　　3）針對(duì)Kalman濾波存在的缺點(diǎn)，本文引入兩種算法對(duì)其進(jìn)行改進(jìn)：漸消記憶濾波和H∞魯棒性濾波。首先介紹這兩種改進(jìn)算法的原理及濾波流程。然后在相同的控制力及力矩、環(huán)境參數(shù)、參考位置條件下分別進(jìn)行仿真，并調(diào)整其內(nèi)部固有參數(shù)從定性、定量角度分析其濾波效果。最后在這兩種濾波算法與Kalman濾波相同變量數(shù)值保持一致的情況下進(jìn)行定量仿真分析；分別調(diào)整兩種