船舶动力定位系统的控制方法研究

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1、上海交通大学博士学位论文船舶动力定位系统的控制方法研究姓名：何黎明申请学位级别：博士专业：控制理论与控制工程指导教师：施颂椒;田作华20040201上海交通大学博士学位论文摘要随着人类对海洋资源开发和探索的范围越来越大人们对深海作业的浮式生产系统包括船舶半潜平台的系泊方式的研究日益重视动力定位(DP)系统不同于传统的锚泊它是一个闭环的控制系统控制器通过测量系统得到的信号来推动推力器系统抵抗由于风浪流等作用于海洋浮式结构物的环境作用力从而使其保持在固定的位置或预定轨迹上我国海洋资源丰富开采前景不可估量而开发开采的进行必将使用动力定位系统因此研究海上作业系统的动力定位技术

2、有着重要的意义本研究课题是与上海交通大学海洋工程国家重点实验室的一个合作课题主要对动力定位系统的控制问题展开研究本文以动力定位船舶为研究对象对动力定位系统中的数学模型观测器和控制器的设计环境最优位置控制等相关问题进行了深入研究主要内容及成果包括1研究了船舶动力定位系统的数学模型首先介绍了船舶动力定位系统的概念并对其发展概况和研究现状进行了综述根据复杂海况下的风浪流运动方程以及船舶运动规律将船舶运动分解为高频运动和低频运动子系统建立了船舶动力定位系统的运动模型以及仿真平台为本论文的进一步的控制方法研究做了基础性工作2滤波和状态估计在动力定位系统中起着非常重要的作用针对船

3、舶动力定位系统模型的非线性特性本文研究了非线性观测器的设计问题由于存在模型不确定性及外部扰动参考滑模观测器设计等方法设计了一个具有鲁棒性的非线性观测器给出了稳定性的证明该观测器既能完成动力定位系统需要的滤波作用也能够从附有测量噪声的输出中估计得到船舶低频位置和运动速度以及环境扰动作用力以动力定位系统数学模型进行仿真验证了此观测器能够准确估计得到系统模型中的状态在此基础上引入了新的滤波状态变量设计了增广状态观测器进一步提高了观测器的滤波性能3研究动力定位系统的控制律设计问题在前面观测器设计基础上给出两种控制器设计方法首先基于Backstepping方法(后推法)设计了动

4、力定位控制系统在反馈控制器设计过程中引入了非线性观测器应用李亚普诺夫稳定性定理证明了系统的全局稳定性随后利用李亚普诺夫方法为船舶DP系统设计了一个非线性比例微分(PD)型+前馈反馈控制律并应用观测器的观测量实现闭环控制观测器和控制器是分开独立设计的利用非线性级联型系统的性质证明了该非线性观测器控制器级联系统的全局稳定性稳定性证明说明了在特定条件下船舶动力定位系统的非线性观测器和控制器仍然可以分别独立设计仿V摘要真表明两种控制律的动力定位系统都具有良好的控制效果4针对海洋环境的复杂性和不确定性研究了波浪力干扰下的模糊控制动力定位系统设计由于模糊控制器所具有的优点首先研究

5、了模糊控制在动力定位系统中的应用并对模糊控制器设计提出了两个改进方法针对波浪力对船舶动力定位性能的影响引入了二阶波浪漂移力的前馈控制提高了定位精度并通过仿真验证了采用波浪力前馈控制方式所取得的良好效果5研究了船舶动力定位系统的环境最优位置控制问题对于一类需要长期在海洋上工作的动力定位船舶来说油耗是一个需要极大关注的问题针对与油耗有关的最优艏摇角度的问题Fossen等人针对海上作业系统提出了环境最优位置控制的概念它的控制目标是使海上作业系统根据海洋环境的变化自动调整艏向以达到最佳艏摇角度值并保持海上作业系统的位置不变本文利用李亚普诺夫方法设计了非线性PID类型的控制律完

6、成了环境位置最优控制系统的设计该方法简单易行而且系统的稳定性得到了保证6研究了移动近海基地的控制问题移动近海基地是美国海军提出的一个旨在建立大型海上基地的计划它是一个大型的浮动的自行驱动的由三至五个模块组成的协调控制系统它是动力定位系统的一种发展本文从系统工程的角度出发提出了移动近海基地的控制系统架构和设计方案研究了队列控制的策略问题并将前面设计的非线性比例微分(PD)+前馈反馈控制律应用到移动近海基地的操纵运动给出了仿真结果本文的研究工作集中在动力定位系统的观测器和控制算法上重点探讨了非线性控制理论在动力定位控制系统中的应用并对系统的稳定性做了详细的分析文中做了大量

7、的仿真研究通过仿真结果来验证所提出算法的有效性关键词动力定位非线性观测器滤波BacksteppingPD控制非线性级联系统模糊控制前馈控制Lyapunov稳定性定理最优位置控制移动近海基地VI上海交通大学博士学位论文ABSTRACTResearchonthemooringsystemoffloatingstructuresisaproblemofgreatconcernwiththerapiddevelopmentofexploitationandproductionindeepseas.DynamicPositioning(DP)systemisd