海況變化時的船舶定點定位切換自適應(yīng)控制研究.pdf

1、隨著海洋資源的不斷開發(fā)和發(fā)現(xiàn),目前越來越多的海洋作業(yè)向深海延伸,并且要求船舶可以全天候在海洋環(huán)境中不間斷工作,可見研究全天候海洋環(huán)境下的船舶控制策略有著重要的意義。本文以國家高新技術(shù)船舶項目“船舶動力定位系統(tǒng)研制”為背景,重點研究海況變化時的船舶定點定位控制方法。
　　船舶運動過程中普遍存在著不確定的外界擾動,可以說船舶操縱過程是一類典型的不確定非線性系統(tǒng),尤其當(dāng)船舶全天候工作在變化范圍很大的海洋環(huán)境下,系統(tǒng)的不確定性更加突出。由

2、于切換控制在解決非線性、時變和不確定性問題方面存在著優(yōu)越性,本文為全天候定點定位作業(yè)的船舶研究了一種切換自適應(yīng)控制策略,首先根據(jù)海況的有義波高把0~9級海況劃分為普通海況、高海況和惡劣海況,然后分別研究了三種海況下切換控制系統(tǒng)對應(yīng)的控制器、觀測器以及估計器,論文的具體工作有:
　　由于船舶高低頻線性疊加數(shù)學(xué)模型只適合描述普通海況下的船舶運動,為了更精確的描述不同海況下的船舶運動,本文提出使用船舶統(tǒng)一數(shù)學(xué)模型作為船舶的過程對象模型,

3、并結(jié)合該模型建立了6自由度的船舶統(tǒng)一數(shù)學(xué)模型、海浪載荷模型和風(fēng)載荷模型,最后在MATLAB/SIMULINK環(huán)境下搭建了多海洋環(huán)境下的船舶運動仿真平臺。
　　當(dāng)海況變化時觀測器/濾波器的海浪濾波參數(shù)也是跟隨海況變化的,為了解決觀測器參數(shù)的自適應(yīng)調(diào)整問題,本文為船舶切換控制系統(tǒng)提出了一種多模型自適應(yīng)非線性觀測器(MultipleModelAdaptivenonlinearObserver,MMAO),它是由一組海浪濾波參數(shù)固定的非線

4、性子觀測器構(gòu)成的。在MMAO子觀測器的研究中,針對普通海況研究了一種能夠進行高頻濾波的具有位置、速度、加速度反饋(position,velocity,accelerationfeedback,PVAF)的子觀測器,該子觀測器利用測量的位置、速度和加速度量去綜合估計船舶所需要的低頻位置、速度和加速度;針對惡劣海況下觀測器很難分離高、低頻運動的特點,提出了一種基于統(tǒng)一模型的PVAF子觀測器;在高海況下提出了一種可以在普通海況和惡劣海況之間平

5、滑過渡的加權(quán)形式的PVAF觀測器。在估計器的研究中,為了讓估計器能更精確地估計船舶的運動情況,提出使用基于統(tǒng)一模型的非線性無源觀測器作為三種海況下的估計器。最后利用計算機仿真驗證了所提出的觀測器的性能。
　　由于緩慢變化的環(huán)境干擾的存在,船舶控制對象模型中存在著未建模的環(huán)境干擾,為了克服這些不確定性因素對控制系統(tǒng)的影響,本文為普通海況下的動力定位船提出了一種非線性自適應(yīng)反步控制方法;為了在高海況和惡劣海況下提高船舶抵抗環(huán)境干擾的能

6、力,提出了一種具有加速度反饋補償?shù)淖赃m應(yīng)反步控制方法。最后針對三種海況分別驗證了所提出的控制方法的優(yōu)越性。
　　針對非線性切換控制系統(tǒng)中滯后切換邏輯存在的切換遲鈍問題,本文提出了一種滯后-停留時間切換邏輯,該切換邏輯可以避免因滯后參數(shù)選擇不當(dāng)而錯失切換到最佳的控制器,并證明了提出的該切換邏輯能夠保證切換控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性。最后通過仿真實例驗證了該切換邏輯的有效性。
　　由于研究的船舶切換控制系統(tǒng)包含多個控制器、多個子觀測器以及

7、多個估計器,在這些控制部分中存在著許多需要調(diào)整的參數(shù),而參數(shù)的好壞將直接影響到系統(tǒng)的控制系能,因此本文提出使用混沌粒子群算法對控制器、觀測器以及估計器的參數(shù)進行尋優(yōu)。最后利用計算機仿真驗證了混沌粒子群算法在參數(shù)尋優(yōu)中的有效性。
　　最后在持續(xù)變化的海況和風(fēng)、海流環(huán)境下對所提出的船舶切換自適應(yīng)控制系統(tǒng)進行仿真驗證,仿真結(jié)果表明提出的滯后-停留時間切換邏輯能夠根據(jù)海況變化及時準(zhǔn)確的切換到對應(yīng)的控制器,且切換動作沒有導(dǎo)致切換系統(tǒng)出現(xiàn)不穩(wěn)