船舶動(dòng)力定位系統(tǒng)由測量系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、電力推進(jìn)系統(tǒng)和舵槳裝置組成,其中控制系統(tǒng)是動(dòng)力定位系統(tǒng)最重要的環(huán)節(jié)。本文介紹船舶動(dòng)力定位系統(tǒng)常用的控制模型,詳細(xì)分析用于動(dòng)力定位控制系統(tǒng)的控制策略包括PID控制、模糊\神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)自適應(yīng)控制、預(yù)測控制、容錯(cuò)控制的研究與應(yīng)用現(xiàn)狀,并概括了各種控制策略存在的優(yōu)缺點(diǎn)。最后從控制策略和海上作業(yè)需求變化兩方面出發(fā),提出了船舶DP控制系統(tǒng)的未來發(fā)展目標(biāo),以及下一步重點(diǎn)研究方向。 

【文章來源】：艦船科學(xué)技術(shù). 2020,42(17)北大核心

【文章頁數(shù)】：5 頁

【部分圖文】：

動(dòng)力定位模糊自適應(yīng)控制策略原理圖Fig.2TheSchematicdiagramoffuzzyadaptivecontrolstrategy

不確定性和參數(shù)未知的被控系統(tǒng)設(shè)計(jì)控制器。上述成果中所提出的控制策略均通過了Lyapunov穩(wěn)定性證明和仿真驗(yàn)證，然而在設(shè)計(jì)控制器時(shí)需假設(shè)系統(tǒng)所有狀態(tài)變量是可測的，而實(shí)際情況卻剛好相反，系統(tǒng)狀態(tài)變量無法通過傳感器進(jìn)行測量。文獻(xiàn)[16–17]針對(duì)這種制約條件，通過構(gòu)造高增益狀態(tài)觀測器，設(shè)計(jì)了基于FLS/NN自適應(yīng)的輸出反饋控制器，理論證明和仿真試驗(yàn)證明方法的正確性和有效性�；贔LS/NN自適應(yīng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法有如下優(yōu)點(diǎn)：不需要建立系統(tǒng)精確地?cái)?shù)學(xué)模型；對(duì)于未知干擾情況可通過構(gòu)造干擾觀測器解決。該方法雖然優(yōu)點(diǎn)多，但目前尚無應(yīng)用成果，主要原因在于：1）基于萬能逼近器的自適應(yīng)控制方法本身工程應(yīng)用不成熟，船舶DP控制系統(tǒng)相對(duì)比較復(fù)雜，配置有特殊作業(yè)系統(tǒng)的船舶平臺(tái)造價(jià)昂貴，應(yīng)首選成熟可靠的控制方法；2）模型逼近過程需要根據(jù)反饋誤差不斷的調(diào)節(jié)參數(shù)，表現(xiàn)出控制量的不斷調(diào)節(jié)，這與動(dòng)力定位控制系統(tǒng)的綠色節(jié)能控制、推進(jìn)器保護(hù)相沖突；3）在以往研究中，通常假設(shè)輸出變量完全可測的，而實(shí)際中位置、首向變量測量值會(huì)存在隨機(jī)干擾，即需要用先進(jìn)的濾波算法如EKF，UKF等進(jìn)行處理。2.3基于模型預(yù)測算法的DP控制策略模型預(yù)測控制（Modelpredictivecontrol，MPC）又稱為滾動(dòng)時(shí)域控制，優(yōu)化控制流程為：1）獲取當(dāng)前時(shí)刻系統(tǒng)狀態(tài)測量值；2）求解一個(gè)優(yōu)化控制問題得到預(yù)測控制時(shí)域控制率；3）將第1個(gè)控制量作為系統(tǒng)輸入；4）下一時(shí)刻回到第1步。MPC優(yōu)點(diǎn)在于控制輸入變量可保證系統(tǒng)在預(yù)測控制時(shí)域內(nèi)由跟蹤誤差等構(gòu)成性能函數(shù)取得最優(yōu)值，并且能夠有效地處理復(fù)雜系統(tǒng)的約束問題，實(shí)現(xiàn)復(fù)雜目標(biāo)控制，因此，MPC成功地應(yīng)用于船舶DP控制系統(tǒng)[18–21]，基本原理框圖如圖3所示。性能指標(biāo)函數(shù)通常選用如下形式：J=12T0{μ1[?

˙η=R(ψ)υ，M˙υ+CRB(υ)υ+CA(υr)υr+D(υr)+G(η)=τwind+τwave2+τmoor+τice+τthr。υ=[u,v,w,p,q,r]Tuvwpqr其中：為系統(tǒng)狀態(tài)變量，為縱蕩，為橫蕩，為垂蕩，為橫搖角，為縱搖角，為首向角。由于現(xiàn)有船舶動(dòng)力定位系統(tǒng)控制任務(wù)為水面船舶的定點(diǎn)控制、首向保持和航跡跟蹤，控制目標(biāo)為船舶的經(jīng)度、緯度和首向角，因此，目前絕大部分科研工作以及成熟產(chǎn)品均不考慮上述復(fù)雜的六自由度模型，僅研究如下簡化模型[4–6]：{˙η=R(ψ)υ，M˙υ=Dυ+τ+(t)。υ=[u,v,r]Tuvr其中：為縱向速度、橫向速度、首向角速率構(gòu)成的狀態(tài)變量，為縱蕩，為橫蕩，為首向角。本文僅介紹2種模型，實(shí)際如輸入受限、未知干擾、一階波浪力等情況，此處不做深入探討。2動(dòng)力定位系統(tǒng)控制策略DP控制策略經(jīng)歷了從經(jīng)典的由低通濾波和PID控制結(jié)合的第1代過渡到以Kalman濾波和最優(yōu)控制結(jié)合的第2代DP控制策略，并逐漸發(fā)展為以智能控制技術(shù)為基礎(chǔ)的第3代DP控制策略。2.1基于PID算法的DP控制策略PID原理簡單，易于工程應(yīng)用，且魯棒性強(qiáng)，適用于環(huán)境惡劣的工業(yè)控制過程，常用DP控制策略表達(dá)式為：u(t)=Kp[e(t)+1/Tit0e(t)dt+Tdde(t)/dt]。其中e(t)為跟蹤誤差�；驹砜驁D如圖1所示。圖1動(dòng)力定位PID控制策略原理圖Fig.1TheSchematicdiagramofPIDcontrolstrategyfordynamicpositioningmodel考慮船舶存在對(duì)定位時(shí)間要求不高且控制過程中有異常外力影響系統(tǒng)的情況，Svenn[7]設(shè)計(jì)了一種基于PID的混合控制方法，當(dāng)誤差較大時(shí)，控制器中積分部分采用大數(shù)值作為調(diào)節(jié)參數(shù)，當(dāng)接近期望值時(shí)，控制器切換為常規(guī)PID進(jìn)行調(diào)節(jié)。直翼推進(jìn)器響應(yīng)速度足夠高，可以保證定位的高精度、實(shí)時(shí)性，Philipp[8]針對(duì)配置直翼推進(jìn)器的DP船舶設(shè)計(jì)PID控制器，并?

【參考文獻(xiàn)】：
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