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船舶动力定位控制及其硬件在环仿真平台开发研究

樊毅  
【摘要】:船舶动力定位是指船舶仅依靠自身推进器产生推力抵御海洋环境扰动的影响,以一定姿态保持在海平面某期望位置或沿着某一设定轨迹航行。船舶动力定位系统具有定位精度高、作业不受水深影响和机动性强等特点,被广泛应用于供给船、铺管船和救援船等。由于船舶作业过程中的操纵条件及其所处的海洋环境等经常变化,船舶动态和作用在船舶上的海洋扰动存在着明显的不确定性,使得船舶动力定位控制问题成为一类具有复杂不确定性的非线性系统控制问题。此外,在船舶动力定位控制器应用于实船实验之前,开发船舶动力定位控制硬件在环仿真平台,对其进行硬件在环仿真测试,可以有效降低实船实验的危险性,保障随船人员的安全。因此,开展船舶动力定位控制及其硬件在环仿真平台开发研究,具有十分重要的理论意义和应用价值。本文首先建立船舶动力定位运动数学模型和海洋扰动数学模型;其次,在船舶动态模型参数不确定以及扰动未知时变的情况下,应用自适应技术分别设计自适应律,估计船舶动态模型参数和未知时变扰动的上界,再结合动态面控制方法,设计基于自适应技术的船舶动力定位控制律;然后,构造扩张状态观测器实时估计由船舶动态不确定和未知时变扰动构成的总扰动,再结合比例-微分的控制方法,设计基于自抗扰控制技术的船舶动力定位控制律,以提高控制精度和降低控制律的保守性;进一步,构造有限时间扩张状态观测器,再结合动态面控制方法,设计船舶动力定位有限时间控制律,以提高系统的响应速度,并保证船舶的定位误差能够在有限时间内收敛。以一艘供给船为例,利用MATLAB/Simulink对所设计的船舶动力定位控制律进行数值仿真验证,仿真结果表明所设计的船舶动力定位控制律是有效的。最后,利用OP4510实时仿真机、信号调理箱和PC机完成硬件在环仿真平台的硬件搭建,利用MATLAB、RT-LAB和LabVIEW完成硬件在环仿真平台的软件设计,开发船舶动力定位控制硬件在环仿真平台。以所设计的基于自抗扰控制技术的船舶动力定位控制律为例,将其在可编程逻辑控制器中实现,设计船舶动力定位控制器。利用所开发的硬件在环仿真平台,对船舶动力定位控制器进行硬件在环仿真测试,测试结果表明所开发的硬件在环仿真平台是可靠有效的,可以实现船舶动力定位控制器在不同海况下的性能测试。


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