【摘要】：隨著海洋工程向深海發(fā)展,傳統(tǒng)錨泊系統(tǒng)的水深以及錨鏈長度、總重量等都急劇增加,與此同時拋錨和布設困難以及造價和安裝費也急劇增加。動力定位系統(tǒng)因其不受水深的限制逐漸在深水海洋工程的大型浮體等平臺結構定位和運動控制發(fā)揮愈來愈重要的作用。對于錨泊浮式平臺安裝動力定位系統(tǒng)可進行輔助的運動響應控制,從而提高浮體的定位和適應更加惡劣海洋環(huán)境的能力。動力定位系統(tǒng)一般通過多個螺旋槳之間(大于被控自由度數(shù))的相互配合來提供控制力并實現(xiàn)浮體定位,由此成為過驅(qū)動系統(tǒng)；此外,動力定位系統(tǒng)受螺旋槳出力方向、響應速度和經(jīng)濟性的限制,只能控制浮體縱蕩、橫蕩和艏搖的大幅低頻慢漂運動。動力定位系統(tǒng)的核心問題是控制系統(tǒng)設計。傳統(tǒng)的動力定位系統(tǒng)的控制器設計基本都是基于低頻運動模型來設計,然后通過優(yōu)化算法合理地將控制力分配到各個推力器中。對于半潛式平臺,平臺水面線面積較小并且各個自由度之間存在著耦合關系,推力器控制力不僅會激起縱搖、橫搖響應,同時縱搖、橫搖響應也對控制精度有影響,因此定位系統(tǒng)的控制器設計需充分考慮各自由度間的耦合作用。另外,半潛式平臺過大的橫搖和縱搖響應也影響海上作業(yè)和平臺氣隙,為了提高平臺的運動性能還需要進一步對垂直面內(nèi)自由度的運動進行抑制或控制。因此,本文研究動力定位、錨鏈以及調(diào)諧垂蕩板等多種主被動控制方式及其聯(lián)合發(fā)揮不同控制方式的作用對半潛式平臺運動各主要運動響應進行控制,主要研究內(nèi)容如下：(1)針對半潛式平臺縱蕩、橫蕩和艏搖自由度的低頻慢漂運動模型,提出了采用動態(tài)面控制法、并利用徑向基神經(jīng)網(wǎng)絡補償環(huán)境載荷設計動力定位控制器的方法。然后,將動力定位系統(tǒng)控制力施加到半潛式平臺六自由度全耦合的Cummins方程,分析了平臺六自由度全耦合運動響應以及控制器中濾波器和神經(jīng)網(wǎng)絡參數(shù)對控制效果的影響。(2)對于推力器數(shù)量大于浮體被控自由度個數(shù)的“過驅(qū)動”動力定位系統(tǒng)的推力器出力(即控制力)優(yōu)化設計問題,提出了以燃油經(jīng)濟性為優(yōu)化目標,分別通過動態(tài)設置推力器出力方向可行域和設置推力器間最小出力角兩種策略來避免槳-槳干擾不利影響、并充分考慮推力器物理性能,以推力角變化速率△α和推力變化速率△T為變量的優(yōu)化模型以及計算動力定位系統(tǒng)定位能力和時域內(nèi)控制力實時分配的方法,通過數(shù)值模擬驗證了此控制力分配方法的可行性。(3)半潛式平臺因水面線面積小,橫搖、縱搖和垂蕩的回復剛度和阻尼相對較小,且各自由度間存在耦合關系。為此,本文將C ummin s方程中的遲滯項視為脈沖響應函數(shù)、并將遲滯項轉化為線性狀態(tài)空間方程,從而得到平臺的線性運動方程；基于該線性化方程設計了L∞輸出反饋控制器,得到了控制器基于環(huán)境載荷最大幅值的峰峰增益。本文設計的L∞控制器較H∞控制器更優(yōu)于長期海洋環(huán)境工作的浮式結構運動控制。數(shù)值模擬結果表明,基于平臺自由度全耦合設計的動力定位控制器性能優(yōu)于僅考慮水平面自由度設計的控制器。(4)對于深海錨泊浮式結構,提出了輔助錨泊系統(tǒng)定位的動力定位系統(tǒng)路徑跟蹤控制、提高錨鏈安全和平臺定位能力的主被動聯(lián)合控制模式。首先,建立了錨泊系統(tǒng)的有限元模型,分析了單根錨鏈的動力性能；然后分析了錨泊系統(tǒng)與平臺的耦合運動性能；第三,在動力定位輔助錨泊定位模式下,采用動態(tài)面控制法設計了路徑跟蹤控制,并結合Bang-Bang控制和飽和控制,實現(xiàn)了錨泊系統(tǒng)與動力定位聯(lián)合控制。該聯(lián)合控制模式一方面可以減小錨鏈的最大張力,另一方面可充分利用錨泊系統(tǒng)的回復力、降低動力定位系統(tǒng)的能耗、提高其控制的經(jīng)濟性。(5)為了提高半潛式平臺的垂蕩、橫搖和縱搖自由度的運動性能,提出了調(diào)諧垂蕩板系統(tǒng)及其半潛式平臺垂蕩、橫搖和縱搖等三個自由度運動的調(diào)諧控制模式。提出的調(diào)諧垂蕩板是當其固有周期與被控自由度周期的調(diào)諧比優(yōu)化地接近1時,上部浮體帶動和放大垂蕩板運動幅值,從而使垂蕩板控制力大幅增加和達到調(diào)諧控制效果；平臺四角或周邊設置多重調(diào)諧垂蕩板,各個垂蕩板之間相互配合可提供回復力矩達到調(diào)諧減搖目的。本文分別通過數(shù)值模擬和模型實驗對上述方案進行了驗證。
【圖文】：

逡逑鉆井平臺上。圖１．１所示為不同工作水深時，錯巧定位和動力定位所占份額。當水深小逡逑于１０００ｍ時，除了對定位有恃殊要求的設備安裝船等幾乎全部采用的是鉛巧定位，當水逡逑深大于１０００ｍ后，動力定位占５８％，較錯泊系統(tǒng)處于主導位置。邐，逡逑灥逡逑Ｍｉ——ｉｌＭ—逡逑圖１．１錯巧系統(tǒng)和動力定位系統(tǒng)應用分布及市場份額逡逑Ｆｉｇ邋１．１邋Ｍａｒｋｅｔ邋ｓｈａｒｅ邋ｏｆ邋ｍｏｏｒｉｎｇ邋ｓｙｓｔｅｍ邋ａｎｄ邋ｄｙｎａｍｉｃ邋ｐｏｓｉｔｉｏｎｉｎｇ邋ｓｙｓｔｅｍ逡逑自１９６１年世界范圍內(nèi)第一艘裝有動力定位系統(tǒng)的鉆井船Ｃｕｓｓ邋１問世，到目前為止，逡逑全世界己有２０００多艘船舶安裝了動力定位系統(tǒng)。對海洋工程船，在安裝立管的情況下，，逡逑Ｄｉｓｃｏｖｅｒｅｒ邋Ｄｅｅｐ邋Ｓｅａｓ鉆井船的作業(yè)水深達到３０５２ｍ。除此么外，動力定位系統(tǒng)還被廣泛逡逑應用于水下機器人進行水下設備的安裝及籃測等方面。動力定位系統(tǒng)的市場非常廣闊，逡逑國際上有船舶研究基礎和實驗室條件的國家都對動力定位的研宛保持著濃厚的興趣。荷逡逑蘭的ＭＡＲＩＮ、挪威的ＭＡＲＩＮＴＥＫ等機構自上世紀八十年代就不斷投入人力物力進行動逡逑力定位的研究

點控位模式巧Ｄ保持

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