【摘要】：近年來,人類對資源的獲取和開發(fā)利用不再局限于陸地,而把更多的目光投入了海洋,隨之而來的就是開采資源技術(shù)的日益進步,船舶作為人類海上作業(yè)的平臺要承擔的任務更加艱巨。動力定位船也是隨著開發(fā)海洋的不斷深入而誕生的,從它誕生起,對它的控制問題就是人們關(guān)心的熱點和難點。從DP船控制技術(shù)的發(fā)展至今,出現(xiàn)了很多優(yōu)良的控制方法,常見控制方法包括經(jīng)典PID控制、LQG控制、非線性控制、智能控制等,而經(jīng)典PID控制由于結(jié)構(gòu)簡單易于實現(xiàn)等優(yōu)點在過去一直是最為常用的控制手段,但因為快速性和超調(diào)難以協(xié)調(diào)等不足逐漸被這些新型控制所取代;幸運的是,中科院韓京清教授對經(jīng)典PID的環(huán)節(jié)進行了改進得出了抗干擾能力、適應性和魯棒性都很好的自抗擾控制(ADRC)技術(shù),除了前面提到的優(yōu)點這種技術(shù)還不依賴于對象的模型、無需測量系統(tǒng)擾動、算法簡單、超調(diào)量小、控制精度高。首先本文從船舶運動學問題和動力學問題的角度研究了位置、速度和力及力矩的關(guān)系,推導船舶低頻運動模型、高頻運動模型;接著研究風、浪、流的環(huán)境力模型,為后面控制器的設(shè)計做準備。然后對ADRC的三個核心環(huán)節(jié)分別進行原理的討論、算法的分析。在此基礎(chǔ)上利用MATLAB Simulink的S-function進行三個組成部分模塊的設(shè)計,并驗證各自的功能是否得到實現(xiàn),進而設(shè)計出DP船的自抗擾控制器。其次,為了解決海洋環(huán)境力對船舶的干擾所引起的控制效果不好的問題,設(shè)計了基于fal函數(shù)帶有濾波環(huán)節(jié)的擴張狀態(tài)觀測器(ESO)使得ESO對擾動的估計信號中噪聲得到大大地限制,進而改善控制性能。通過仿真試驗得到船舶位置曲線,將引入濾波環(huán)節(jié)前后的船舶位置曲線進行對比驗證了基于fal函數(shù)帶有濾波環(huán)節(jié)的擴張狀態(tài)觀測器的功能。最后,由于ADRC的參數(shù)眾多,各參數(shù)間的協(xié)調(diào)又沒有固定的規(guī)則,整定參數(shù)一直都是該技術(shù)最棘手的問題。如果采用手動試湊的方式,既費時又費力甚至還不能得到理想的控制效果。于是本文針對這一問題設(shè)計了一種基于實時Simulink的遺傳算法用于整定ADRC較難整定的參數(shù)。
【圖文】：

動力定位系統(tǒng)也具有以上特點，所以在設(shè)計船舶動力定位控制器時研究自抗擾控制技術(shù)很有學術(shù)意義。本文針對船舶動力定位系統(tǒng)的非線性性、模型具有不確定性和干擾作用較大的特性研究并設(shè)計適合動力定位船的自抗擾控制器并在此基礎(chǔ)上引入遺傳算法整定控制器參數(shù)以改善系統(tǒng)控制性能，并通過大量仿真試驗驗證效果。1.2 船舶動力定位系統(tǒng)的概述船舶動力定位系統(tǒng)，是指在不借助錨泊系統(tǒng)、利用自身推進裝置，，有效地產(chǎn)生反力和反力矩，以抵抗風、流和浪作用于船上的環(huán)境外力和力矩，維持船舶在給定位置，或使船舶精確地跟蹤某一給定軌跡[7]。船舶動力定位系統(tǒng)（Dynamic Positioning System，以下簡稱 DPS）主要由控制系統(tǒng)、測量系統(tǒng)以及推力系統(tǒng)三個部分組成，下圖是 DPS的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖。圖中的“控制器”對應控制系統(tǒng)；“傳感器”對應測量系統(tǒng)；“推力器”對應推力系統(tǒng)；“給定值”表示輸入信號，它與傳感器從位置輸出處采集到輸出信號經(jīng)濾波處理后的結(jié)果進行比較輸入到控制器中經(jīng)控制器計算使推力器接受到正確的指令；“環(huán)境因素”則包括海風、流和浪等環(huán)境力對系統(tǒng)的作用，是推力系統(tǒng)需要克服的。

行介紹；最后將對船舶運動模型進行仿真驗證所推導的 DP 船模型的正確抗擾控制器的設(shè)計奠定基礎(chǔ)。船舶運動坐標系習控制的人都知道在設(shè)計控制器之前必須要對被控對象有一個清楚的認識究的問題在進行設(shè)計動力定位控制器之前，必須首先建立一個合適合理的后才能借助這一模型進行仿真、調(diào)試等操作。而建立船舶模型就必須先建動的坐標系，就像大家熟悉的 GPS 定位時有坐標一樣，描述船舶的位置狀態(tài)則需要借助于船舶運動坐標系。舶的運動這一問題和力學中一般物體的運動相同，也分為運動學問題和動動學問題包括研究船舶的位置、速度、角速度和加速度等問題；動力學問究船舶的受力和力矩以及受到它們的作用后船舶位置和狀態(tài)會如何發(fā)生變。正是由于這個原因，在建立船舶運動模型的時候也必須基于兩種不同的坐坐標系和船體坐標系。慣性坐標系和船體坐標系的示意圖分別為圖 2.1 和
【學位授予單位】：哈爾濱工程大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2018
【分類號】：TP273;U664.82

【參考文獻】

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1 熊和金;劉靜怡;陳躍鵬;;強干擾環(huán)境下船舶動力定位自抗擾控制系統(tǒng)仿真研究[J];武漢理工大學學報;2015年03期

2 吳德烽;楊國豪;;船舶動力定位關(guān)鍵技術(shù)研究綜述[J];艦船科學技術(shù);2014年07期

3 康偉;褚建新;黃輝;顧偉;;可回轉(zhuǎn)雙槳電力推進船舶運動模型的研究[J];中國造船;2012年01期

4 呂永佳;張合新;吳玉彬;李正文;;基于fal函數(shù)濾波的改進自抗擾技術(shù)的實現(xiàn)[J];電子設(shè)計工程;2011年08期

5 趙大威;邊信黔;丁福光;;非線性船舶動力定位控制器設(shè)計[J];哈爾濱工程大學學報;2011年01期

6 余培文;陳輝;劉芙蓉;;船舶動力定位系統(tǒng)控制技術(shù)的發(fā)展與展望[J];中國水運;2009年02期

7 韓京清;;自抗擾控制技術(shù)[J];前沿科學;2007年01期

8 施小成;王元慧;;船舶動力定位海洋環(huán)境的建模與仿真[J];計算機仿真;2006年11期

9 朱麗玲,于希寧,劉磊,王志遠;基于遺傳算法的ADRC參數(shù)整定及其應用[J];儀器儀表用戶;2005年04期

10 韓京清,黃遠燦;二階跟蹤—微分器的頻率特性[J];數(shù)學的實踐與認識;2003年03期

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1 班勃;水面船舶動力定位模型的若干關(guān)鍵問題研究[D];廣東工業(yè)大學;2017年

2 劉永濤;艙室內(nèi)液體晃蕩的數(shù)值模擬及其與船體運動耦合作用的研究[D];上海交通大學;2014年

3 何寧輝;船舶動力定位系統(tǒng)中無線傳感器網(wǎng)絡數(shù)據(jù)融合技術(shù)研究[D];武漢理工大學;2013年

4 張心光;基于船舶操縱性試驗分析的辨識建模研究[D];上海交通大學;2012年

5 劉清;基于自抗擾控制器的永磁同步電機伺服系統(tǒng)控制策略的研究及實現(xiàn)[D];天津大學;2011年

6 卜仁祥;欠驅(qū)動水面船舶非線性反饋控制研究[D];大連海事大學;2008年

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1 吳艷艷;船舶動力定位能力頻域與時域分析方法研究[D];江蘇科技大學;2017年

2 張羽;基于自抗擾控制技術(shù)的永磁同步電機調(diào)速系統(tǒng)[D];西南交通大學;2017年

3 郭世偉;積分型線性自抗擾控制器的參數(shù)整定與應用[D];江蘇大學;2017年

4 和紅磊;半潛式海洋平臺動力定位復合自抗擾控制方法研究[D];江蘇科技大學;2017年

5 吳紫夢;動力定位系統(tǒng)神經(jīng)網(wǎng)絡與PD混合控制研究[D];大連海事大學;2015年

6 徐靜;船舶在波浪中的六自由度操縱運動模型研究[D];上海交通大學;2014年

7 袁耀;基于自適應模糊控制的船舶動力定位控制器設(shè)計研究[D];大連海事大學;2013年

8 高峰;船舶動力定位自抗擾控制及仿真的研究[D];大連海事大學;2013年

9 譚芳;船舶動力定位系統(tǒng)建模與自適應模糊控制[D];廣東工業(yè)大學;2013年

10 王麗娜;船舶動力定位系統(tǒng)控制器的設(shè)計與仿真[D];大連海事大學;2012年

本文編號：2601962