【硕士论文】动力定位船舶航迹控制研究及操控界面开发.pdf

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1、动力定能船舶航迹控制研究及操控界面开发摘要随着人们对海洋的开发向深海进军，对船舶动力定位系统的需求越来越大，功能要求也越来越高，这就促使科技工作者进行新的技术研究和开发，以满足在民用领域和军事领域的需求。航迹保持作为动力定位的一个重要功能，对其提出的要求也越来越高。本课题的主要任务就是实现高速和低速两种不同方式下的航迹保持和基于Windows操作系统的动力定位操控界面开发。低速航迹保持要求船舶在低速下沿给定航迹运动，使用常规的航迹保持方法很难保证控制效果。本文提出了一种把低速航迹保持转化为定位定向控制的方法，并给出了相应的算法。对于两条航迹之间的航迹切换，本文提出了两种低

2、速航迹切换的策略。然后基于某动力定位船，设计了基于模糊自整定参数PID的纵、横向控制器和基于改进PID算法的艏向控制器，并在不同的情况下进行了仿真试验。试验结果表明本文提出的算法是可行的，能够满足低速航迹保持的要求，并且经过对比，选择出了合适的航迹切换策略。高速航迹保持要求船舶以巡航速度沿着给定航迹运动，本文采用间接控制法，设计了基于模糊自整定参数PID的串级控制器，并且把速度引入控制器作为模糊决策的输叭，然后提出了保证航迹切换平稳的控制策略，最后在不同情况下进行了仿真试验。试验结果表明，本文设计的高速航迹保持控制器能够满足高速航迹保持的要求，由于使用了模糊自整定参数PI

3、D方法，并且把速度作为了决策的一个条件，使控制器具有较强的鲁棒性和良好的稳定性。国内在动力定位操控界面的开发一直停留在DOS系统下，本文使用VisualC++开发平台，基于面向对象编程的思想，开发了Windows平台下的动力定位操控界面，具有良好的可视性和灵活的扩展性。软件使用了内存画布、串口通讯等技术，有效的实现了动力定位操控功能和状态豁视功能。关键词：动力定位；航迹保持：模糊PID：操控界而l第1章绪论第1章绪论1．1引言随着科学技术的发展，人类的生活空间己经从陆地扩展到了海洋。海洋不仅为人类提供了丰富的食物，也为人类提供了石油、稀有金属等无数的其他资源。由于科学技术

4、的发展及能源和生活资源的需要，近年来人们日益重视海洋开发，其中包括海底勘探、海洋石油开发、海底矿藏采集以及与上述有关的各式各样的海洋水下工程。开发海洋离不开船舶或海洋平台，而船舶或海洋平台的正常使用也离不开船舶导航、船舶推进及船舶控制系统(设备)的发展。船舶控制系统的发展是科学技术发展的综合体现。随着对海洋开发的深入和地域的扩展，传统的多点锚泊系统己经不能满足深海地域定位作业的要求，船舶动力定位系统却能够很好地解决这一问题。以往，船舶在海上作业时，如果要求其保持作业地点固定不变，人们通常采用锚泊系统实现定位。但是随着水深的增加，或作业地点水下情况复杂不允许抛锚，锚泊系统就

5、很难完成其保持船位的任务了，动力定位系统就是在这种情况下随着科学技术的发展诞生了。传统的抛锚定位是将锚抛出去，沉于海底，利用锚爪抓住海底的淤泥，来抵抗外界对船舶的干扰力。它的优点是，锚是任何船舶都有的定位设备，不需要另外加装定位设备。缺点是，定位不准，而且抛锚、起锚费时费力，机动性能差。最重要的是它还受到水深的限制，其有效定位范围在水深100米的区域。船舶动力定位是依靠自身的动力，在控制系统的指挥下抵抗外界的干扰，使其保持某一姿态和艏向、悬停于空间任何一定点位置。它具有不受海水深度影响、定位准确快速等特点【I】。在各类船舶控制系统中动力定位系统是一个很有特点的系统，它涉及

6、船舶中的多个系统的协调工作，并最终完成保持船舶位置的任务。船舶动力定位系统像许多控制系统一样也是由：测量系统、控制系统哈尔滨r程大学硕十学何论文以及执行机构组成。船舶动力定位系统是一种多回路反馈控制系统，这种系统的简化框图如图1．1所示。图1．1动力定位系统简化图动力定位系统的主要功能有[2-了j：·定点控位：船舶控制的指令为大地坐标系上的某一点。对于水面船舶来说，可以设定为北东位置(或东经、北纬值)。水面船舶的定点控位包括纵向、横向、摇艏三个自由度的定位控制，通过控制器的解算，发出控制指令使船舶在各自由度上保持在设定点附近。·航迹控制：船舶在作业或航行过程中，往往需要沿

7、着一条预定轨迹前进。典型的应用是海洋考察及区域目标搜索。航迹控制需要人或上层控制机给定轨迹指令及速度指令，由动力定位系统来自动控制船舶沿预定的轨迹前进，直到终点，在此过程中船的艏向允许控制系统根据航行过程中的海洋环境的变化自行调整。·循线控制：循线控制的功能与航迹控制的功能很相像，其主要差别在于当动力定位系统控制船舶沿预定的路线前进时，必须保持船舶的艏向与预定艏向一致，不允许自行调整船舶的艏向。典型的应用是石油管线的铺设与检修。·跟踪控制：跟踪控制主要用于动目标跟踪，始终让被控船舶与目标保持固定的空I’日j位置关系。2第1章绪