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多模块船协调动力定位控制方法研究

作　者: 郝立飞
导　师: 付明玉
学　校: 哈尔滨工程大学
专　业: 控制理论与控制工程
关键词: 协调动力定位 动态面控制 自抗扰动态面控制
分类号: U664.82
类　型: 硕士论文
年　份: 2011年
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内容摘要


机动式近海基地(MOB)一般由多个长方形半潜式钢结构模块船组成,每个模块船上都装有动力定位系统,通过协调控制算法保持各个模块的相对定位。其中协调动力定位控制器是MOB完成工作的关键部分之一本论文以MOB为研究对象,研究多个模块船的协调动力定位控制问题。论文首先建立了MOB模块船的运动学和动力学非线性数学模型和环境干扰的数学模型。以此为基础,根据李亚普诺夫稳定性理论设计了单模块船的非线性动态面(DSC)控制器,通过SIMULINK仿真验证了DSC控制器的可行性；论文深入分析了DSC控制器的不足之处：控制量输出变化太快,输出量太大,受限于实际船舶推进器的响应时间和能力；控制方法依赖精确的数学模型,尽管DSC控制器对满足匹配条件的不确定性就有鲁棒性,但实际中不确定性的上界很难确定；DSC控制算法中采用一阶跟踪微分跟踪器进行对虚拟控制量导数进行估计,但一阶跟踪微分器对噪声有放大作用,如果控制系统含有测量噪声或其他噪声,这些信号经过一阶跟踪微分器后,噪声会放大,进而使控制效果变差甚至不可控。针对DSC控制器的不足,采用自抗扰的思想进行了三个方面的改进：根据推进器系统的能力安排合理的过渡过程、使用了抗干扰的积分链式非线性微分跟踪器来估计微分信号、使用非线性扩张观测器观测系统的未知扰动并做前馈处理,仿真证明改进后的控制器更具鲁棒性和工程实用性。论文分别采用领队(Leader-Follower)控制策略和无领队(Leaderless-Follower)控制策略设计了三个模块船的协调动力定位控制器。领队策略中由领队船确定目标位置,第二条船跟随第一条船,第三条船跟随第二条船；无领队策略中每个模块船根据自身位置,目标位置和相对位置进行动态调整。仿真研究证明由领队控制策略中距领队船距离越远,控制效果越差；而无领队策略中每个模块所受扰动不会扩散到整个系统中,具有较强的抗干扰能力

全文目录


摘要  5-6
ABSTRACT  6-9
第1章 绪论  9-13
  1.1 课题的背景及意义  9-10
  1.2 国内外研究现状  10-11
  1.3 本论文主要研究内容  11-13
第2章 船舶动力定位系统数学模型  13-24
  2.1 船舶运动学数学模型  13-15
  2.2 船舶动力学数学模型  15-19
    2.2.1 船舶动力学数学模型矩阵型式  15-17
    2.2.2 船舶水动力系数  17-19
  2.3 环境力和力矩模型  19-23
    2.3.1 海浪的作用力和力矩  19-21
    2.3.2 风的作用力和力矩  21-22
    2.3.3 海流的作用力和力矩  22-23
  2.4 本论文的船舶模型参数  23
  2.5 本章小结  23-24
第3章 单模块船自抗扰DSC控制方法研究  24-58
  3.1 DSC控制方法研究  24-37
    3.1.1 李亚普诺夫稳定性理论  24-27
      3.1.1.1 非线性系统与平衡点  25
      3.1.1.2 稳定性概念  25-26
      3.1.1.3 李亚普诺夫稳定性定理  26-27
    3.1.2 一阶线性微分跟踪器  27-31
    3.1.3 DSC控制器的设计方法  31-34
      3.1.3.1 不确定性  31
      3.1.3.2 DSC控制器的设计方法  31-32
      3.1.3.3 DSC稳定性分析  32-34
    3.1.4 船舶DSC控制设计  34-35
    3.1.5 船舶DSC控制器仿真  35-37
  3.2 自抗扰DSC控制方法研究  37-57
    3.2.1 DSC优缺点分析  38-42
    3.2.2 自抗扰DSC控制器设计  42-57
      3.2.2.1 自抗扰控制方法概述  42-43
      3.2.2.2 自抗扰控制器的设计方法  43-49
      3.2.2.3 单模块船DSC控制方法改进  49-57
  3.3 本章小结  57-58
第4章 多模块船协调动力定位控制方法研究  58-67
  4.1 MOB协调动力定位控制方法概述  58
  4.2 多模块船协调动力定位控制器的实现  58-66
    4.2.1 领队策略  59-64
    4.2.2 无领队策略  64-66
  4.3 本章小结  66-67
结论  67-69
参考文献  69-73
发表的论文和取得的科研成果  73-75
致谢  75

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中图分类: > 交通运输 > 水路运输 > 船舶工程 > 船舶机械 > 船舶系统 > 船舶操纵控制系统
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