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《广东工业大学》 2017年
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水面船舶动力定位模型的若干关键问题研究

班勃  
【摘要】:随着人们对海洋资源的不断探索和开发,对海洋装备的需求不断增加,而我国船舶动力定位产品整体相对低端,大多依赖进口。目前,动力定位产品基本被挪威的Kongsberg Simard公司、法国的Alstom公司、澳大利亚的Nautronix公司这三大公司垄断。为提升自主知识产权和高端产品的研发能力,我国政府把提高自主创新能力摆在全部科技工作的首位,力争造就一批具有国际竞争力的企业,大幅度提高国家竞争力。广东省是中国海岸线最长、海疆最广的省区。全省海岸线长达8500公里,占全国海岸线的三分之一以上,海洋资源丰富,海洋装备市场需求量大。因此,研发海洋自动化装备,打破国外技术垄断迫在眉睫。动力定位系统(Dynamic Positioning System,DPS)是集导航技术、自动化技术、动力技术、可靠性技术为一体化的系统。船舶动力定位技术不仅包括在动力装置下进行位置、姿态保持,还包括自动导航、航向保持、自动停泊、避让、掉头转弯等。作为船舶动力定位的动力提供者,推力系统通常为一个冗余系统,对于特定的纵向力、横向力和回转力矩,存在多解。如何快速、高效地进行推力分配,保证推进器低能耗和低磨损的工作状态是动力定位系统关键技术之一。船舶在航行过程中,不仅需要克服外界扰动(例如风、浪、流等)保持一定的航速、航向,有时还要按照需要改变航向、航迹和速度等。因此控制器就要掌握船舶环境载荷力数学模型和船舶的操纵运动属性,实现船舶的灵活作业。本文主要研究内容归纳下:1.动力定位船舶风载荷力建模。动力定位船舶在一定风、浪、流等环境干扰力下需要具有一定的工作状态保持的能力,文中采用模拟风洞试验进行船舶风载荷约束试验,获取风载荷力和力矩特性。由于实验条件有限,实验数据平滑性较差,文中对比其他船舶风洞试验结果,验证此风洞实验结果的有效性,并采用支持向量机回归算法获得其360°风载荷力数学模型。对于浪、流载荷力数学模型本文给出常用的数学模型。2.动力定位船舶推力分配的研究。针对动力定位船舶冗余推力系统,为实现推进器节约能耗,降低磨损,文中提出一种快速推力分配策略。此策略不仅考虑到推力限幅、推力禁区、奇异结构,还可以解决回转型推力进器角度变化率问题。推力分配算法的定位能力直接影响到船舶在环境干扰下的位置保持能力以及控制系统的准确性和快速性,文中对该推力分配算法进行了定位能力分析,得到该推力分配算法船舶在全驱动和欠驱动下风浪中定位能力曲线。3.基于支持向量机的船模航迹回归。操纵实际船舶利用其实时航迹曲线建立其操纵运动方程时,通常采用全球定位系统(Global Position System,GPS)进行航迹采样。此时的航迹一般在精度上可以满足需求。但是实船试验费用昂贵,人力耗费也比较大,通常是利用其缩尺船模研究其操纵运动属性。GPS定位系统受环境限制,很难保证缩尺船模的定位精度,当我们采用其他定位系统时无法避免采样航迹还有大量噪声信号,不利于我们辨识船舶水动力模型。本文采用支持向量机算法进行航模航迹去噪。无论是在处理变异高斯噪声污染的Mariner轮模航迹上,还是在超声波定位系统采集的实际船模航迹上,该方法均取得不错的效果。4.基于自航模试验的操纵运动数学建模。通常情况下动力定位船舶运动控制器的设计离不开其操纵运动数学模型,而且船舶操纵运动特性已经被国际海事组织列为考核船舶机动性能的关键性指标之一。本文通过解耦试验分析,基于自航模试验数据,分析了粘性水动力的可辨识性,进行了粘性水动力、广义粘性水动力建模和惯性类水动力参数辨识。文中将解耦建模与辨识建模相结合应用于船模操纵运动数学模型,并利用建立的模型对船模速度和航迹进行预报。试验结果表明本文建模方法的可行性和准确性,填补了目前国内文献自航模试验进行船模操纵运动建模的空白。
【学位授予单位】:广东工业大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2017
【分类号】:U664.82

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