【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(jìn)步,船舶作為人類海上作業(yè)的平臺(tái)要承擔(dān)的任務(wù)更加艱巨。動(dòng)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(diǎn)和難點(diǎn)。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(shí)現(xiàn)等優(yōu)點(diǎn)在過去一直是最為常用的控制手段,但因?yàn)榭焖傩院统{(diào)難以協(xié)調(diào)等不足逐漸被這些新型控制所取代;幸運(yùn)的是,中科院韓京清教授對經(jīng)典PID的環(huán)節(jié)進(jìn)行了改進(jìn)得出了抗干擾能力、適應(yīng)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(diǎn)這種技術(shù)還不依賴于對象的模型、無需測量系統(tǒng)擾動(dòng)、算法簡單、超調(diào)量小、控制精度高。首先本文從船舶運(yùn)動(dòng)學(xué)問題和動(dòng)力學(xué)問題的角度研究了位置、速度和力及力矩的關(guān)系,推導(dǎo)船舶低頻運(yùn)動(dòng)模型、高頻運(yùn)動(dòng)模型;接著研究風(fēng)、浪、流的環(huán)境力模型,為后面控制器的設(shè)計(jì)做準(zhǔn)備。然后對ADRC的三個(gè)核心環(huán)節(jié)分別進(jìn)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(jìn)行三個(gè)組成部分模塊的設(shè)計(jì),并驗(yàn)證各自的功能是否得到實(shí)現(xiàn),進(jìn)而設(shè)計(jì)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(jì)了基于fal函數(shù)帶有濾波環(huán)節(jié)的擴(kuò)張狀態(tài)觀測器(ESO)使得ESO對擾動(dòng)的估計(jì)信號(hào)中噪聲得到大大地限制,進(jìn)而改善控制性能。通過仿真試驗(yàn)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(jìn)行對比驗(yàn)證了基于fal函數(shù)帶有濾波環(huán)節(jié)的擴(kuò)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(dòng)試湊的方式,既費(fèi)時(shí)又費(fèi)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(jì)了一種基于實(shí)時(shí)Simulink的遺傳算法用于整定ADRC較難整定的參數(shù)。
【圖文】：

動(dòng)力定位系統(tǒng)也具有以上特點(diǎn)，所以在設(shè)計(jì)船舶動(dòng)力定位控制器時(shí)研究自抗擾控制技術(shù)很有學(xué)術(shù)意義。本文針對船舶動(dòng)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(jì)適合動(dòng)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(yàn)驗(yàn)證效果。1.2 船舶動(dòng)力定位系統(tǒng)的概述船舶動(dòng)力定位系統(tǒng)，是指在不借助錨泊系統(tǒng)、利用自身推進(jìn)裝置，，有效地產(chǎn)生反力和反力矩，以抵抗風(fēng)、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(dòng)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(gè)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(yīng)控制系統(tǒng)；“傳感器”對應(yīng)測量系統(tǒng)；“推力器”對應(yīng)推力系統(tǒng)；“給定值”表示輸入信號(hào)，它與傳感器從位置輸出處采集到輸出信號(hào)經(jīng)濾波處理后的結(jié)果進(jìn)行比較輸入到控制器中經(jīng)控制器計(jì)算使推力器接受到正確的指令；“環(huán)境因素”則包括海風(fēng)、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(yùn)動(dòng)模型進(jìn)行仿真驗(yàn)證所推導(dǎo)的 DP 船模型的正確抗擾控制器的設(shè)計(jì)奠定基礎(chǔ)。船舶運(yùn)動(dòng)坐標(biāo)系習(xí)控制的人都知道在設(shè)計(jì)控制器之前必須要對被控對象有一個(gè)清楚的認(rèn)識(shí)究的問題在進(jìn)行設(shè)計(jì)動(dòng)力定位控制器之前，必須首先建立一個(gè)合適合理的后才能借助這一模型進(jìn)行仿真、調(diào)試等操作。而建立船舶模型就必須先建動(dòng)的坐標(biāo)系，就像大家熟悉的 GPS 定位時(shí)有坐標(biāo)一樣，描述船舶的位置狀態(tài)則需要借助于船舶運(yùn)動(dòng)坐標(biāo)系。舶的運(yùn)動(dòng)這一問題和力學(xué)中一般物體的運(yùn)動(dòng)相同，也分為運(yùn)動(dòng)學(xué)問題和動(dòng)動(dòng)學(xué)問題包括研究船舶的位置、速度、角速度和加速度等問題；動(dòng)力學(xué)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(huì)如何發(fā)生變。正是由于這個(gè)原因，在建立船舶運(yùn)動(dòng)模型的時(shí)候也必須基于兩種不同的坐坐標(biāo)系和船體坐標(biāo)系。慣性坐標(biāo)系和船體坐標(biāo)系的示意圖分別為圖 2.1 和
【學(xué)位授予單位】：哈爾濱工程大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號(hào)】：TP273;U664.82

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號(hào)：2601962