隨著人們對海洋資源開發(fā)需求的增加,動(dòng)力定位系統(tǒng)受到越來越多的關(guān)注。控制技術(shù)是動(dòng)力定位系統(tǒng)的核心,其性能的好壞直接影響到船舶或平臺(tái)海上定位的精確性、穩(wěn)定性和操縱性以及能耗問題。隨著時(shí)代的發(fā)展,人們對節(jié)能環(huán)保意識的提高,綠色控制日益受到重視。本文主要針對動(dòng)力定位系統(tǒng)能耗問題,結(jié)合環(huán)境最優(yōu)艏向和自動(dòng)區(qū)域控制兩種綠色控制思想,設(shè)計(jì)了基于環(huán)境最優(yōu)的自動(dòng)區(qū)域控制器。整個(gè)自動(dòng)區(qū)域控制過程包含兩個(gè)步驟,首先從較遠(yuǎn)的初始點(diǎn)運(yùn)動(dòng)到安全區(qū)域的中心點(diǎn),然后在安全操作區(qū)域進(jìn)行自動(dòng)區(qū)域控制,實(shí)現(xiàn)節(jié)能環(huán)保的目標(biāo)。針對這兩個(gè)步驟,本文設(shè)計(jì)了完整的自動(dòng)區(qū)域控制器。本文的主要工作內(nèi)容包括:(1)針對從較遠(yuǎn)距離初始點(diǎn)到達(dá)自動(dòng)區(qū)域控制中心點(diǎn)階段,采用傳統(tǒng)PID控制存在控制輸出易出現(xiàn)快速飽和且控制參數(shù)較難調(diào)整至最優(yōu)問題,設(shè)計(jì)出三種不同的參考軌跡PID控制器。通過仿真和實(shí)驗(yàn)對三種控制器效果進(jìn)行比較,驗(yàn)證了基于參考軌跡PID控制器的有效性。(2)針對自動(dòng)區(qū)域控制需要提前對未來狀態(tài)進(jìn)行預(yù)測問題,設(shè)計(jì)了基于增量式狀態(tài)空間模型預(yù)測控制器,并結(jié)合無源觀測器使當(dāng)前狀態(tài)可觀測并估計(jì)當(dāng)前環(huán)境力,在模型預(yù)測控制中考慮各種推力約束,引入二次規(guī)劃方法求解最優(yōu)的控制輸出。通過仿真表明了模型預(yù)測控制器與PID控制器對比的優(yōu)勢,并驗(yàn)證了無源觀測器的觀測能力和估計(jì)環(huán)境力能力以及模型預(yù)測控制器在緩變環(huán)境力情況下的有效性。(3)針對長期定點(diǎn)定位能源消耗問題,基于Green DP的思想,設(shè)計(jì)了基于環(huán)境最優(yōu)的自動(dòng)區(qū)域控制器,結(jié)合環(huán)境最優(yōu)艏向和自動(dòng)區(qū)域控制兩種綠色控制思想,將區(qū)域劃分為安全工作區(qū)、環(huán)境最優(yōu)補(bǔ)償區(qū)和模型預(yù)測控制區(qū)。分別在海況緩變和劇變時(shí)進(jìn)行了定點(diǎn)定位和自動(dòng)區(qū)域控制的仿真實(shí)驗(yàn),通過四組仿真實(shí)驗(yàn)對比驗(yàn)證了該自動(dòng)區(qū)域控制器在不同海況都能保證船舶的安全作業(yè),且具有節(jié)能減排的優(yōu)點(diǎn)。
【學(xué)位單位】：武漢理工大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位年份】：2018
【中圖分類】：U664.82
【部分圖文】：

法將船舶定位到一個(gè)點(diǎn)，此時(shí)由于未完全濾除的高頻運(yùn)動(dòng)和時(shí)刻存，執(zhí)行機(jī)構(gòu)會(huì)不停的運(yùn)轉(zhuǎn)，頻繁的運(yùn)轉(zhuǎn)將加劇執(zhí)行機(jī)構(gòu)的磨損以及消耗，而實(shí)際工程應(yīng)用中有些工況只需將船舶定位在一個(gè)安全區(qū)域滿足工程作業(yè)要求，從而避免了執(zhí)行機(jī)構(gòu)頻繁運(yùn)轉(zhuǎn)。文將針對上述問題進(jìn)行研究，設(shè)計(jì)完整的自動(dòng)區(qū)域控制器，實(shí)現(xiàn)平區(qū)域控制中心過程和長時(shí)間區(qū)域定位節(jié)省能耗的目的，對提高船舶安全性、經(jīng)濟(jì)性與可靠性等具有重要的理論研究意義和工程應(yīng)用價(jià)力定位系統(tǒng)簡介動(dòng)力定位系統(tǒng)原理 系統(tǒng)能夠僅通過船舶或海洋平臺(tái)上的推進(jìn)裝置產(chǎn)生的推力來抵抗外，使船舶盡可能的保持其預(yù)定位置與艏向或沿著預(yù)設(shè)的軌跡運(yùn)動(dòng)[3-圖 1.1 所示。

圖 1.2 DP 系統(tǒng)六種工作模式動(dòng)力定位控制系統(tǒng)發(fā)展概述據(jù)濾波與狀態(tài)估計(jì)是 DP 控制系統(tǒng)中非常重要的一部分。在 DP 控，要求控制給出的推進(jìn)系統(tǒng)指令盡可能只響應(yīng)緩慢變化的外部干響應(yīng)一階波浪力、噪音等高頻振蕩干擾信號。估計(jì)器還可以估計(jì)未建模的環(huán)境載荷等參數(shù)。濾波方法上，第一代 DPS 采用低通濾波器，其缺點(diǎn)是需要海上浮體足夠長[5]。第二代 DPS 中采用卡爾-7]，Balchen J G 提出了在 DP 船舶中使用卡爾曼濾波技術(shù)和最優(yōu)控了 PID 控制器中積分飽和、相位滯后的缺點(diǎn)[8]。從此，卡爾曼濾波統(tǒng)中被廣泛的使用。卡爾曼濾波器實(shí)際上解決了如何運(yùn)用船舶運(yùn)來自測量系統(tǒng)的帶有噪聲的測量值，最優(yōu)地估計(jì)出船舶狀態(tài)問題來在 1980 被 Balchen J G 提升和擴(kuò)展，引入擴(kuò)展卡爾曼濾波，該觀突破性的成果[9]。但卡爾曼濾波器需要把運(yùn)動(dòng)學(xué)方程進(jìn)行線性化，

數(shù)學(xué)模型過于簡單往往不能準(zhǔn)確表現(xiàn)出整個(gè)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性降低；建立過于精細(xì)的數(shù)學(xué)模型并不意味著控制器性多給控制器的分析造成相當(dāng)大的困難。因此，本章將根，建立合適的數(shù)學(xué)模型。給出所需坐標(biāo)系以及運(yùn)動(dòng)參量的定義；隨后建立船 freedom，簡稱 DOF）運(yùn)動(dòng)學(xué)模型和動(dòng)力學(xué)模型；隨后建根據(jù)控制器的需求選擇合適的自由度，得到 DP 船舶 3D系及運(yùn)動(dòng)參量定義船舶的位置和姿態(tài)等運(yùn)動(dòng)變量，首先需要定義所需坐標(biāo)究時(shí)，一般采用北東坐標(biāo)系（North-east Reference Frame體坐標(biāo)系（Body-fixed Reference Frame，或稱{b } 坐標(biāo)系示船體在上述坐標(biāo)系中的 6DOF 運(yùn)動(dòng)狀態(tài)：
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本文編號：2861110