基于子空间理论的动力定位船舶模型辨识及控制方法研究

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1、分类号：密级：UDC：编号：工学博士学位论文基于子空间理论的动力定位船舶模型辨识及控制方法研究博士研究生：赵昂指导教师：夏国清教授学科、专业：控制理论与控制工程哈尔滨工程大学2016年10月万方数据万方数据分类号：密级：UDC：编号：工学博士学位论文基于子空间理论的动力定位船舶模型辨识及控制方法研究博士研究生：赵昂指导教师：夏国清教授学位级别：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：年月论文答辩日期：年月学位授予单位：哈尔滨工程大学万方数据万方数据ClassifiedIndex：U.D.C：ADissertatio

2、nfortheDegreeofD.EngResearchonsubspacetheorybasedmodelidentificationandcontrolmethodsforDynamicPositioningshipsCandidate：ZhaoAngSupervisor：Prof.XiaGuoqingAcademicDegreeAppliedfor：DoctorofEngineeringSpecialty：ControlTheoryandControlEngineeringDateofSubmission：DateofOralExamina

3、tion：University：HarbinEngineeringUniversity万方数据万方数据哈尔滨工程大学学位论文原创性声明本人郑重声明：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

4、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：年月日年月日万

5、方数据万方数据基于子空间理论的动力定位船舶模型辨识及控制算法研究摘要建立较为精确的船舶数学模型，对于控制器设计和船舶操纵性能预报具有重要的辅助作用，因此也受到了研究者们越来越多的关注。目前船舶数学模型的获取方法均采用了白箱建模方式，即通过船型参数使用经验公式等构建出船舶微分方程，或者通过进行水池试验对船舶水动力导数进行估算。这些算法难免会出现计算复杂、操作困难等问题。为了克服这些问题，本课题主要研究动力定位船舶数学模型的黑箱辨识方法，以及对应的预测控制算法。首先根据船舶模型的特点，在子空间理论的背景下深入研究了适用于船舶非线性离散模型的辨识算法，

6、然后进一步对船舶连续时间线性模型进行了辨识算法研究。最后对动力定位过程中的控制问题进行了研究，将子空间理论和预测控制结合起来，提出新型预测控制器并应用用于船舶动力的控制中。具体来说，本文的研究内容包括：传统船舶模型辨识算法均侧重于船舶水动力参数的辨识，并通过特定的自航模试验、水池斜拖试验或者经验公式等计算得到对应的水动力导数，但是这些方法在计算水动力参数的时候都或多或少地存在计算量大，或者出现参数相消导致估算结果有很大误差等问题。为了克服这些缺点，本课题提出研究船舶黑箱非线性模型的辨识问题。论文首先针对船舶非线性的特点，在采用子空间辨识理论进行模

7、型辨识之前，将其转换成辨识算法中常用的模块化级联结构，即带有非线性反馈的Hammerstein模型。接着将非线性部分以Fourier级数为基底进行展开，最终将模型转换成适用于子空间辨识的框架。最终根据变换后船舶模型的特殊形式，提出采用基于MOESP的子空间辨识算法对其参数矩阵进行估计，从而得到船舶黑箱辨识模型。针对船舶模型中水动力参数可能随着外界海洋环境的不同而发生漂移的问题，提出一种在线更新船舶黑箱模型的子空间辨识策略：即根据子空间辨识中QR分解的特点，采用Givens旋转矩阵对该复杂分解过程进行处理，从而降低计算复杂度，进而实现算法的在线计算

8、，最终使得子空间辨识算法能够适用于船舶黑箱模型的在线辨识中。针对数据采样频率的变化会导致辨识得到的动力定位船舶离散数学模型发生变化的问题