多动力定位船的协调编队控制方法研究

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1、工学博士学位论文多动力定位船的协调编队控制方法研究博士研究生：焦建芳指导教师：付明玉教授学科、专业：控制理论与控制工程哈尔滨工程大学2014年5月工学博士学位论文多动力定位船的协调编队控制方法研究博士研究生：焦建芳指导教师：付明玉教授学位级别：工学博士学科、专业：控制理论与控制工程所在单位：自动化学院论文提交日期：2014年5月论文答辩日期：2014年6月学位授予单位：哈尔滨工程大学ClassifiedIndex:U.D.C:ADissertationfortheDegreeofD.EngResearchonCoordinatedFormationControlMeth

2、odsforMultipleDynamicPositioningShipsCandidate:JiaoJianfangSupervisor:Prof.FuMingyuAcademicDegreeAppliedfor:DoctorofEngineeringSpecialty:ControlTheoryandControlEngineeringDateofSubmission:May,2014DateofOralExamination:June,2014University:HarbinEngineeringUniversity哈尔滨工程大学学位论文原创性声明本人郑重声明：

3、本论文的所有工作，是在导师的指导下，由作者本人独立完成的。有关观点、方法、数据和文献的引用已在文中指出，并与参考文献相对应。除文中已注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经公开发表的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。作者（签字）：日期：年月日哈尔滨工程大学学位论文授权使用声明本人完全了解学校保护知识产权的有关规定，即研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权属于哈尔滨工程大学。哈尔滨工程大学有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件。本人允许哈尔滨工程大学将论文的部分或全部内

4、容编入有关数据库进行检索，可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文，可以公布论文的全部内容。同时本人保证毕业后结合学位论文研究课题再撰写的论文一律注明作者第一署名单位为哈尔滨工程大学。涉密学位论文待解密后适用本声明。本论文（□在授予学位后即可□在授予学位12个月后□解密后）由哈尔滨工程大学送交有关部门进行保存、汇编等。作者（签字）：导师（签字）：日期：年月日年月日摘要随着对海洋资源的不断开发和利用，现已逐渐从浅海域向深海域跃进，伴随而来的是对海上作业的效率和对海洋资源开发的自动化程度提出了更高的要求。尽管船舶动力定位技术发展迅速，然而单艘船舶的作业能力毕竟有

5、限，并且由于能源的限制，单艘船舶可作业的时间比较短。在实际应用中往往需要多艘船舶相互协调，共同完成某复杂任务。另外相对于单艘船舶，多艘船舶相互协调作业有着许多潜在的优势：可以提高作业的效率，具有容错性强和适应性强等优点。因此对多动力定位船舶的协调编队控制的研究具有重要的实际应用价值。本文围绕此热点性问题，针对多动力定位船舶的协调编队控制方法和船舶受扰动时的鲁棒协调编队控制方法展开深入地研究，其主要研究内容包括以下几个方面：首先，针对多艘动力定位船舶在无外界扰动下的协调编队控制，基于虚拟领航者的协调策略，应用无源同步控制理论，提出了一种基于虚拟领航者的无源协调编队控制方法

6、。该方法是基于制导-控制的结构进行设计，其中制导系统是通过仿真虚拟船并设计相应任务的控制器，从而得到船舶协调作业时期望的位置和速度信息，控制系统则是应用无源同步控制理论设计船舶对不同作业模式通用的协调编队控制器，根据制导系统给出的期望信号得到相应作业模式下船舶的控制力输入，来驱动船舶形成期望的队形协同执行某作业，同时应用嵌套Matrosov定理来分析整个控制系统的渐近稳定性。最后通过仿真验证了所提的协调算法可以不需要全局通信仍能使船舶实现不同作业模式下的协调编队作业。其次，针对多艘动力定位船舶在更一般的有向非平衡通信拓扑图下的协调编队控制，应用无源性理论，提出了一种有向

7、通信拓扑下的无源协调编队控制方法。该方法是在前面提出的基于虚拟领航者的无源协调编队控制方法基础上，将船舶的控制力输入分为镇定力和协调控制力两部分进行设计的，且该控制力要保证系统的无源性。同时结合有向强连通图的性质，基于李亚普诺夫稳定性理论对整个系统的渐近稳定性进行了分析和证明。进一步，在有向通信拓扑下分别设计了船舶协调定位、协调循迹和编队等常用的作业模式对应的协调控制器，并基于混杂系统理论实现了船舶在不同作业模式间的平滑切换，以满足船舶实际作业的需求。最后通过仿真验证了所提的协调编队控制算法和多作业模式下的混杂协调编队算法的有效性。再次，