船舶动力定位非线性控制研究

摘要

船舶动力定位是指船舶依靠自身推进系统产生的动力，抵抗由浪、流、风引起的海洋环境扰动的影响，以一定姿态定位于海面某目标位置或沿着预设轨迹航行。动力定位系统具有不受水深限制、定位精度高、机动性强等特点，被广泛应用于供给船、铺管船、救援船和石油钻井平台等。由于作业中的船舶操纵条件及所处的海洋环境等时常发生变化，船舶动态及所遭受到的环境扰动存在明显的不确定性。船舶推进系统由于物理限制，导致其为船舶提供的控制力和力矩会受到饱和约束。此外，船舶速度通常是不可测的。因此，船舶动力定位控制问题是具有挑战性的一类复杂不确定非线性系统控制问题。开展船舶动力定位非线性控制研究，具有重要的理论意义和实际应用价值。
　　本文的主要研究工作如下:
　　1.针对未知时变扰动下的船舶动力定位控制问题，考虑存在输入饱和的情况，应用扰动观测器、辅助动态系统和动态面控制方法，设计了动力定位鲁棒自适应非线性控制律，动态面控制方法避免了中间控制函数的求导运算，使控制律计算简单;又考虑推进器动态、船舶动态模型参数不确定性，利用扰动观测器、辅助动态系统与指令滤波逆推方法，设计了动力定位鲁棒非线性控制律，引入指令滤波器，使所设计的控制律计算简单，且指令滤波器引起的滤波误差被补偿，动力定位控制律的性能被改善。此外，通过构造扰动观测器，结合投影算法及矢量逆推方法，设计了动力定位鲁棒自适应非线性控制律，保证了动力定位控制系统的全局渐近稳定性。
　　2.针对存在动态不确定性和未知时变扰动的船舶动力定位控制问题，利用径向基函数神经网络、带死区的自适应技术、鲁棒控制项和矢量逆推方法，设计了动力定位鲁棒自适应非线性控制律，自适应神经网络在线逼近船舶不确定动态，在自适应律中引入死区，避免了自适应参数的漂移，鲁棒控制项补偿未知时变扰动和神经网络逼近误差，提高了动力定位控制律的鲁棒性;进一步考虑输入饱和问题，引入辅助动态系统处理输入饱和，结合径向基函数神经网络、自适应技术、鲁棒控制项和动态面控制方法，设计了动力定位鲁棒自适应非线性控制律。此外，通过建立一个线性外部系统并对其进行标准型变换，标准型的输出方程为线性参数化回归模型，用来表示未知时变扰动;然后，构造状态观测器估计该回归模型的回归器，则未知时变扰动被表示成线性参数化形式，使得船舶动力定位扰动补偿问题转化成了自适应控制问题;再将投影算法与矢量逆推方法相结合，设计了动力定位鲁棒自适应非线性控制律，保证了动力定位控制系统的全局渐近稳定性。
　　3.针对速度不可测、动态不确定以及存在未知时变扰动的船舶动力定位输出反馈控制问题，构造高增益观测器估计不可测的船舶速度，再结合径向基函数神经网络、自适应技术和矢量逆推方法，设计了仅依赖于船舶位置和艏摇角测量值的船舶动力定位鲁棒自适应输出反馈控制律;进一步考虑输入饱和问题，引入辅助动态系统处理输入饱和，结合高增益观测器、径向基函数神经网络、自适应技术和动态面控制方法设计了动力定位鲁棒自适应输出反馈控制律。
　　4.利用Matlab/Simulink工具箱对上述研究设计的动力定位控制律分别进行了数值仿真实验研究，仿真结果表明，所设计的动力定位控制律能够有效解决船舶存在的未知时变扰动、动态不确定性、输入饱和以及船舶速度不可测量等问题，使船舶位置和艏摇角在不同海况下均可定位于期望值上，实现船舶动力定位。

目录

声明

摘要

符号说明

第1章 绪论

1．1 课题研究意义

1．2 船舶动力定位控制的研究现状

1．2．1 国外研究现状

1．2．2 国内研究现状

1．3 本文的研究工作

第2章 船舶动力定位运动数学模型和预备知识

2．1 船舶动力定位运动数学模型

2．2 预备知识

2．3 本章小结

第3章 未知时变扰动下的船舶动力定位控制

3．1 输入幅值饱和与未知时变扰动下的船舶动力定位控制

3．1．1 问题描述

3．1．2 动力定位鲁棒非线性控制律设计

3．1．3 仿真研究

3．2 输入幅值及变化率饱和与未知时变扰动下的船舶动力定位控制

3．2．1 问题描述

3．2．2 动力定位鲁棒自适应非线性控制律设计

3．2．3 仿真研究

3．3 考虑推进器动态与未知时变扰动的船舶动力定位控制

3．3．1 问题描述

3．3．2 动力定位鲁棒非线性控制律设计

3．3．3 仿真研究

3．4 未知时变扰动下的船舶动力定位渐近调节控制

3．4．1 问题描述

3．4．2 动力定位鲁棒自适应渐近调节控制律设计

3．4．3 仿真研究

3．5 本章小结

第4章 具有动态不确定性和未知时变扰动的船舶动力定位控制

4．1 考虑动态不确定性和未知时变扰动的船舶动力定位控制

4．1．1 问题描述

4．1．2 动力定位鲁棒自适应非线性控制律设计

4．1．3 仿真研究

4．2 输入饱和下具有动态不确定性和未知时变扰动的船舶动力定位控制

4．2．1 问题描述

4．2．2 动力定位鲁棒自适应非线性控制律设计

4．2．3 仿真研究

4．3 具有动态不确定性和未知时变扰动的船舶动力定位渐近调节控制

4．3．1 问题描述

4．3．2 动力定位鲁棒自适应渐近调节控制律设计

4．3．3 仿真研究

4．4 本章小结

第5章 具有动态不确定性和未知时变扰动的船舶动力定位输出反馈控制

5．1 考虑动态不确定性和未知时变扰动的船舶动力定位输出反馈控制

5．1．1 问题描述

5．1．2 动力定位鲁棒自适应输出反馈控制律设计

5．1．3 仿真研究

5．2 输入饱和下具有动态不确定性和扰动的船舶动力定位输出反馈控制

5．2．1 问题描述

5．2．2 动力定位鲁棒自适应输出反馈控制律设计

5．2．3 仿真研究

5．3 本章小结

第6章 结论和展望

6．1 结论

6．2 展望

参考文献

附录

读学位期间公开发表论文

致谢

作者简介