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动力定位系统多PID切换控制研究

陈豪  
【摘要】:随着人类对海洋资源探索开发的逐渐加深,对于远洋和深海作业船舶的需求也在不断增涨。由于深海海洋环境条件十分恶劣,传统的锚泊系统在定位能力以及经济性等方面已经无法满足对深海船舶的定位要求。为了更好的应对复杂多变的深海环境,提高此类船舶抵抗外部环境的能力,以推进器相互配合完成控制动作的动力定位技术的研究日益受到重视。 动力定位系统主要包括位置参考系统,控制系统和推进系统三个部分,而控制系统作为动力定位系统的核心部分,标志着动力定位技术的发展水平。随着科学技术的发展,控制系统也变得日趋复杂。一般的动力定位系统只是依靠单一的控制器针对某一特定海况进行控制,却很难完成在广域范围内对船舶的动力定位控制。对于复杂的海洋环境,风浪流等因素的干扰都是随机变化的,仅凭单一控制器的无法满足广域环境下的控制要求。基于以上前提,为了提高系统控制的精确性和切换过程的平滑性,本文将非线性的控制对象模型拆解为四个连续的线性部分,并用离散的模糊切换规则将其融合为一个混杂系统,设计了针对多海况条件下的动力定位多PID切换控制系统,并用计算机软件对此控制系统进行仿真实验。 首先,通过分析建立了相关的数学模型,包括船舶的运动模型,推力分配模型以及基于风浪流作用的海洋环境模型。其中,风的作用力可视为高斯白噪声,采用前馈控制来补偿其作用力;波浪力是环境载荷的重要组成部分,主要由低频和高频波浪运动叠加而成。其次,根据平静、高等、中等、极端四种典型海况的定义分别设计了对应的非线性无源观测器集与控制器集。最后,通过模糊切换逻辑将基于四种海况下的控制系统进行融合,建立完整的混杂控制系统。 本文对动力定位模糊切换系统进行了设计与仿真,使船舶能在四种不同的海况下保持正常作业状态。模糊逻辑能够使船舶在海况大幅度变化条件下进行控制器的平稳切换,避免了由于切换导致的船舶失控,为动力定位控制系统的设计提供了新的思路,对现今动力定位混杂系统设计和应用具有一定的借鉴意义。


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