半潜船动力定位系统建模及仿真研究

武汉理工大学硕士学位论文半潜船动力定位系统建模及仿真研究姓名：吴文彬申请学位级别：硕士专业：轮机工程指导教师：陈辉20100501半潜船动力定位系统建模及仿真研究作者：吴文彬学位授予单位：武汉理工大学相似文献(10条)1.期刊论文童进军.何黎明.田作华船舶动力定位系统控制器的设计-船舶工程2002,(6)提出了完整的基于船舶运动数学模型的动力定位系统,并且提供了定点控制和跟踪控制两种控制方法,在跟踪控制中引入船舶运动的参考轨迹模型.应用基于卡尔曼滤波的状态观测器得到控制所需的船舶低频信号,控制器的设计采用了考虑积分作用环节的改进LQG算法,同时引入前馈以补偿风力作用以及参考轨迹模型带来的影响.最后控制器的性能通过系统的仿真得到验证.2.学位论文侯静基于VxWorks的深潜救生艇动力定位系统仿真研究2008本文以某深潜救生艇(DSRV)为研究对象，对其动力定位(DP)系统进行仿真。DSRV的动力定位技术是一种用于深潜救生作业的跨学科高新技术。它利用艇体自身的动力抵抗外界干扰，动态控制其保持某一姿态悬停于海洋中某一指定位置，以便进行对接救生作业。由于深潜救生艇的DP系统要求控制精度高、响应速度快，故对计算机控制系统的实时性、可靠性提出了非常高的要求。因此，本文选用PC/104总线嵌入式工控机以满足对控制计算机的实时性、紧凑性、低功耗性等各种性能的要求，同时，采用具有实时多任务特性的嵌入式实时操作系统——VxWorks，来保证DP系统的可靠性、精确性和实时性。本文利用模块化建模的思想，结合救生艇的特殊艇型和水下运动的特点，建立了救生艇四自由度运动的数学模型。根据嵌入式PC/104总线工控机硬件环境和VxWorks操作系统特点和控制系统设计所需的配置要求，对整个交叉开发环境进行了配置和构建。主要包括了VxWorks在PC/104上的BSP的配置以及串口等一些相关必要的硬件驱动程序的开发。同时，根据模糊控制理论，设置了相应的模糊隶属度函数，并建立了模糊规则库，再结合PID控制理论设计出了一种混合模糊PID控制器来对艇体的四自由度运动进行控制。本文的仿真结果既表明了运用混合模糊PID控制器的控制效果良好，也显示出了采用嵌入式实时操作系统VxWorks和嵌入式PC/104工控机在DSRV动力定位系统中应用的可行性和优越性。这为其它嵌入式自动控制系统的设计提供了较好的参考。3.学位论文程俊勇模型动力定位系统的设计和分析2002该文的主要目的是在实验室条件下,对一艘船模来实施动力定位.模型动力定位系统相当于实际动力定位系统的一个缩微版,两者相比,有很大的可比性.该文首先对动力定位系统作一个大致的介绍,根据它的几个组成部分,分别设计相应的模型动力定位系统子系统.然后通过模型动力定位试验来检验模型动力定位设计的合理性.该项研究是动力定位研究的一部分,给模型动力定位系统组建了一个比较完整的理论框架,并且编制了相应的基于Windows操作系统的应用软件.位置测量系统选用了比较精确的非接触式六自由度位置测量系统,自行设计了推力系统,并数值计算了船模的水动力和外界环境载荷,介绍了二阶波浪力的计算方法等.控制器采用合作者赵志高的模糊控制器.根据模型试验的结果来看,该控制器能够比较好地达到定位要求.4.会议论文陆春晖.翁正新.李和贵.施颂椒一种新型智能模糊控制器及其应用2002从模糊控制器量化因子入手,对其进行了分析,提出一种智能型的模糊控制器结构,并将其应用于船舶动力定位系统,仿真结果表明,这种方法优于普通的模糊控制器.5.学位论文李萌船舶动力定位系统非线性估计滤波器的研究2009动力定位系统可以使船舶在海上保持一定的位置和方向，具有不受水深的限制、投入和撤离迅速等优点并且使船实现精确的机动。对于许多进行海上作业的船舶来说，动力定位系统都是必要的支持系统。船舶在海面上的综合运动一般分为由风、流、二阶波漂力、推力器造成的低频运动和一阶波浪力造成的高频运动。由于高频运动仅表现为周期性的振荡而不会导致平均位置的改变，为了避免不必要的能量浪费和推力器的磨损，一般从船舶测得的综合位置信号分离出低频信号进行控制，因此，滤波在动力定位系统中起着非常重要的作用。本文以动力定位船舶为研究对象，在合理的假设条件下，建立并推导出了简便的动力定位船舶的数学模型，并针对二阶波浪漂移力和海流等外界慢变的环境作用力和力矩，建立了环境力估计模型，并将其与船舶动力定位系统模型相结合设计了一种非线性估计滤波器。该估计滤波器既能完成动力定位系统需要的滤波作用，也能够从附有测量噪声的输出中估计得到船舶低频位置和运动速度，以及环境扰动作用力。最后，本文以动力定位系统数学模型进行仿真，通过不加控制器，加入控制器无估计滤波器和加入控制器有估计滤波器等一系列仿真实验，验证了此非线性估计滤波器能够准确估计得到系统模型中的状态。本文的研究工作集中在动力定位系统的滤波器上，重点探讨了非线性系统理论在动力定位系统中的应用，并对系统的稳定性做了详细的分析。文中做了大量的仿真研究，通过仿真结果来验证所提出算法的有效性。6.期刊论文徐阳.俞孟蕻.XuYang.YuMeng-hong船舶动力定位系统模糊PID控制算法研究-中国舰船研究2008,3(4)以ROV工作母船为控制对象模型,设计模糊PID控制器.在总结分析PID控制和模糊控制特性及PID参数变化对系统性能影响的基础上,借鉴模糊控制的思路,研究在动态过程中对PID参数进行模糊整定的方法,并进行仿真研究,验证模糊PID控制器良好的控制效果.7.学位论文赵之韵船舶动力定位系统控制器设计2009动力定位系统是指海上漂浮物依靠自身的动力，在控制系统的指挥下抵抗外界干扰，使船舶或海洋平台保持某一姿态和艏向，悬停在空间的某一定点位置。现在，人们日益重视海洋的开发，并且海洋的开发不断向着远海深海扩展，动力定位系统对于海底勘探、海洋石油开发、海底矿物质采集等各式各样的海洋工程活动显示出了越来越重要的意义。动力定位技术已经发展了五十多年，随着科学技术的进步，新的更复杂的控制方法不断地被应用到动力定位系统之中。其中非线性理论的发展使得动力定位控制的研究从线性系统转换到非线性系统。在大多数的控制应用中，各种未知和不确定因素不可避免地存在于被控对象及其环境中，因此动力定位系统的非线性自适应控制成为研究的前沿。本文以船舶动力定位系统为例分析研究动力定位系统。围绕船舶动力定位系统中的控制器设计问题，研究分析船舶动力定位系统3自由度的运动学和动力学数学模型，建立非线性船舶动力定位系统数学模型。当自由的船舶或者海洋平台漂浮在海上时，要受到来自风、海流和波浪等环境因素所产生的力和力矩的作用，致使船舶或平台产生平移和艏向的改变。为了消除由慢变的环境力扰动对船舶定位精度的影响，本文在非线性Backstepping设计方法的基础之上引入积分环节，改善了系统的控制性能。进一步，因为环境扰动的不确定性，本文针对带有不确扰动项的非线性船舶动力定位系统数学模型，基于带有积分器的非线性Backstepping设计方法，设计一种非线性自适应Backstepping控制器，抑制不确定的且时变的环境扰动对船舶定位的影响，取得了满意的结果。8.学位论文冯欣基于Backstepping的船舶动力定位系统控制器设计2009船舶在海面上作业时，会遇到风、浪、流等来自海洋环境的扰动，这样船舶就产生了受扰运动。如果要想使船舶在海面上保持一定的位置，或者当出现位置偏差时，能够自动回到设定的位置，则需要船舶具有能够产生反力和反力矩的能力。利用推力器提供的力和力矩去抵抗环境力，保持所要求的船位是一种理想的方法，这种方法称为动力定位。所谓船舶动力定位系统，就是利用推力器来控制船舶位置及其首向的系统。船舶动态具有大惯性、时滞、非线性等特点：船在海面上又易受风、浪、流等环境因素的影响，使得船舶动力定位控制成为一个带有不确定扰动项的非线性控制问题。采用传统PID控制策略及常规控制策略已远不能满足控制性能和系统鲁棒性的要求，该领域仍存在需要进一步研究的问题：一是船舶运动数学模型的非线性问题：二是用于控制器设计的模型存在干扰问题。鉴于上述问题，如何将一些更为有效的控制算法应用于动力定位控制领域显得更为重要。针对以上问题，本文特别讨论了近20几年来最具代表性的、具有里程碑意义的非线性设计方法，即Backstepping算法。本文研究了基于Backstepping的船舶动力定位控制器设计问题。建立了带有不确定扰动的船舶动力定位非线性数学模型。基于Backstepping方法设计了两种船舶动力定位非线性鲁棒控制器。首先对带有不确定扰动，且扰动界已知的动力定位船舶模型进行控制器设计，并取得了全局指数稳定的控制效果。考虑到海洋环境所具有的随机性对船舶影响，又对带有界未知扰动的船舶模型进行控制器设计，通过证明满足了L2控制标准，取得了全局稳定的控制效果。应用Matlab/Simulink仿真工具以一条带有动力定位系统的供给船为对象，对两种方法设计的控制器分别进行计算机仿真研究，仿真结果表明，船舶实际位置能够保持期望位置，达到了满意的控制效果，验证了所设计控制器的有效性。9.期刊论文徐阳.XuYang船舶动力定位系统模糊PID控制算法研究-舰船电子工程2008,28(7)以ROV工作母船为控制对象模型,设计模糊PID控制器.在总结分析PID控制和模糊控制特性及PID参数变化对系统性能影响的基础J二,借鉴模糊控制的思路,研究在动态过程巾对PID参数进行模糊整定的方法,并进行了仿真研究,验证了模糊PID控制器良好的控制效果.10.学位论文卢笑庆1000米采矿船动力定位系统模糊控制器研究2004船舶动力定位系统包括测量系统、控制系统、执行机构三大部分组成,其中控制系统是船舶动力定位系统的核心.船舶动力定位过程的随机因素很多,是非线性过程,传统的PID控制是线性控制方法,难以对动力定位过程进行有效的控制,而模糊控制方法式一种智能控制方法,具有很强的鲁棒性和非线性映射能力,适合于动力定位过程.本文选用Thor.I.Fossen提出的船舶动力定位系统状态空间模型.利用其非线性观测器和输出反馈控制理论设计控制器.避免了传统船舶运动数学模型的线性化过程,具有很高的实用价值.本文链接：授权使用：武汉理工大学(whlgdx)，授权号：e167ef83-6b14-4ed8-8812-9e4f01694826下载时间：2010年12月17日