【硕士论文】16动力定位控制系统的设计和研究.pdf

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1、动力定位控制系统的设计和研究摘要(随着人们对海洋的开发和探索的范围越来越广，对深海作业的浮式生产系统(包括半潜平台，生产油轮)的系泊方式的研究目益重视。动力定位系统是一种闭环的控制系统，其采用推力器来提供抵抗风、浪、流等作用在海洋浮式结构物上的环境力，从而使其尽可能地保持在海平面上要求的位置上，其定位成本不会随着水深增加而增加，并且操作也比较方便。控制器是动力定位系统的核心部分，其根据检测出来的海洋浮式结构物的实际位置与目标位置的偏差，再根据风、浪、流等外界扰动力的影响，计算出使船舶恢复到目标位置所需推力和力矩的大小，

2、根据推力分配逻辑，将推力信号送给各个推力器。、／一—∥，控制理论和控制方法的发展也给控制器的设计带来很大的发展，但很多都只是停留在理论上的分析和模拟，没有转化为能够实际应用的控制器。本文应用模糊逻辑控制方法设计适合于动力定位模型试验的控制器，控制器以模型的位置偏差以及偏差变化的速度作为输入，以推力器应该产生的推力或力矩作为输出，在对外部环境干扰力作出一定的估计之后，能够适应不同海况环境的变化，控制模型处于某一，预定的位置。膜糊控制器对输入输出采用三角形隶属度函数，根据经＼验建立模糊控制规则，模糊推理则采取著名的Mamd

3、ani推理法，即MIN～MAX一重心法。为了验证模糊控制器的有效性，本文编制了适合于模型试验的动力定位的控制程序，并在上海交通大学海洋工程国家重点实验室水池做模型试验进行了实际验证。利用计算机采集船舶模型的位置信息，并经过控制器的运算，得出使模型到达预定位置所需要的推力和力矩，并将其转化为电压信号控制变频器，进而控制电机和螺旋桨，推动模型运动，结果表明船舶模型能够在静水和风浪流条件达到一定的、／定位精度。、)／一刁／同时，本文还对整个动力定位系统进行了数值仿真模拟，采用和模型试验一样的原理方法，设计模糊控制器，并建立风

4、、浪、流外干扰力的模型以及船舶的数学模型，对不同的海况环境条件进行了动力r定位的数值仿真模拟$蜡果表明，所设计的模糊控制器能够控制船舶、—__——————’_—-—————一。到达一个预定的位置，并且趋于稳定状态。、)／+1厂一一关键字：动力定位系统，模糊控制器，模型试验，裙螽上海交通大学硕士学位论文第～章前言1随着地球上人口的急剧增加，陆上资源供应也趋极限，各国都把经济发展的重点转移到海洋上。这是因为占地球总面积2／3以上的浩瀚大海里，有极其丰富的海水化学资源、海底矿产资源、海洋动力资源和海洋生物资源，2l世纪人类将

5、全面步入海洋经济时代，人们对海洋的开发和探索的范围也将越来越广，从而对深海作业的浮式生产系统(包括半潜平台，生产油轮)的系泊方式的研究日益重视。一般水深情况下，浮式生产系统的系泊主要采用锚泊系统，但随着水深的增加，抛锚的困难程度增加，同时锚泊系统的锚链长度和强度都要增加，进而重量剧增，海上布链作业也变得复杂，系泊锚链的造价和安装费用猛增，其定位功能也受到很大的限制。而动力定位系统(DynamicPositioningSystem)是一种闭环的控制系统ll’21，其功能是不借助锚泊系统的作用，而能不断检测出船舶的实际位置

6、与目标位置的偏差，再根据风、浪、流等外界扰动力的影响计算出使船舶恢复到目标位置所需推力的大小，并对船舶上各推力器进行推力分配，进而使各推力器产生相应的推力，从而使船尽可能地保持在海平面上要求的位置上。其优点是定位成本不会随着水深增加而增加，并且操作也比较方便，因此对动力定位系统的研究也就具有越来越重要的意义。浮动设施的动力定位系统开始于二十世纪六十年代。第一批装有动力定位系统的船舶的排水量，大致为450到1000吨。在文献131中提到，第一艘装有自动反馈系统的动力定位船是“尤勒卡”号。早期的动力定位系统对船舶的尺寸和形

7、状没有什么影响，船上装有动力定位系统的最显著的标志，就是它装有多台推力器，其控制方式也大多是采用模拟式控制器。随着计算机技术的发展和传感器技术的提高，动力定位系统逐渐采用数字计算机控制系统代替模拟式控制器，控制性能得到很大的提高，动力定位船的可连续工作时间也越来越长。这些船舶主要用于钻探石油、采矿取样、支援潜水作业、消防、敷设电缆管线等。国际上许多国家都开展了对船舶动力定位的研究。文献Dl中提到的Pholas号是英国二十世纪七十年代最早应用动力定位技术的船之一，这是一艘钻井船，钻取岩心用来实地考察，它只需要很短的安装时

8、间而且不需要布置锚链。其排水量为6636吨，安装有12．5吨的推力器。这艘船至今仍在工作，只是安装了一套新的DP控制系统。荷兰Marin在二十世纪八十年代初期即确定了关于推进器和定位的研究计划151，并开展了动力定位的模型试验，内容包括：(1)推进器和推进器之间的相互作用(2)推进器和船体的相互作用(3)环境力和低频运动。研究结果