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深海石油平台支援船(OSV)动力定位控制方法研究

作　者: 赵铁军
导　师: 管义锋
学　校: 江苏科技大学
专　业: 船舶与海洋结构物设计制造
关键词: 动力定位控制理论 OSV 数学模型仿真
分类号: U664.8
类　型: 硕士论文
年　份: 2011年
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内容摘要

随着人类对海洋的开发不断向深海扩展,传统的锚泊系统已经不能满足深海地区船舶定位的作业要求,因此,动力定位系统应运而生。动力定位的基本作用是保持海洋结构物在某一位置和艏向上,提供稳定的作业环境,使油气开采、勘探等各项活动能够顺利进行。海洋环境的最大特点是随机性和难预测性,动力定位的作用是要能抵消外界载荷的低频作用,防止海洋结构物的慢漂运动。现在,动力定位船已经投入应用,并且具有比较好的实用性和经济性,显示了动力定位应用的广阔前景。本文以镇江船厂建造的大功率深海石油平台支援船(OSV)为研究对象,分析了OSV的动力定位系统,主要对动力定位的控制方法进行了研究,所研究的动力定位控制方法依赖于准确的船舶运动数学模型,因此,首先研究船舶运动数学模型的特征以及海洋环境的运动数学模型,以OSV为研究对象,根据OSV的具体特征,建立了OSV的运动数学模型,并对OSV的操纵性进行了计算机仿真,与实船试验进行对比,验证了数学模型的正确性,并在此数学模型的基础上试探性的研究了一种快速定位控制方法,对此方法进行了模拟仿真,通过仿真结果验证了此控制方法的合理性。本文对该OSV的动力定位控制系统进行了研究,主要做了以下几个方面的工作:1、研究船舶运动与建模的基本理论知识,了解船舶的运动特性,船舶运动数学模型以及海洋环境的数学模型是研究船舶动力定位技术的基础,选择合理的坐标系,确定用于控制系统研究和计算机模拟仿真船舶运动用的数学模型,是进行研究工作的理论依据。本文对本船的船型和实际海况进行调研,分析船舶运动与数学模型之间的关系,并研究了海洋环境的数学模型,建立一个适合OSV的动力定位运动数学模型,使用MATLAB语言编制了仿真程序,并对仿真计算结果与实船试验进行对比,验证数学模型的正确性。2、讨论了OSV动力定位的测量系统,动力定位系统通过测量装置获得实现动力定位功能所必需的船舶位置、艏向、风速和风向等信息。通过对船舶动力定位的测量系统进行分析,讨论了位置测量、艏向测量以及风速风向仪的工作原理,并通过对海洋平台支援船的分析,得到适合支援船动力定位的测量系统。3、对动力定位控制系统进行分析研究,并且通过对目前常用的一些控制理论和控制方法的分析,得出了这些控制方法的优点与缺陷,根据OSV在作业时的具体特点,试探性的研究了一种快速定位控制方法,并且对该控制方法中需要的一些因素进行了研究,最后通过MATLAB软件对此控制方法进行了仿真模拟,从理论上证明了动力定位控制方法的有效性和合理性。本文通过对该船的仿真研究,得出以下结论:1、通过对OSV动力定位运动数学模型进行仿真研究,得到了水动力导数对船舶运动的影响,为提高船舶运动数学模型准确度提供参考。2、试探性研究出一种快速定位方法,从仿真结果看,具有良好的控制效果,满足OSV作业时的定位要求。所做的工作对船舶的定点动力定位控制具有一定的参考价值,同时也为进一步深入该领域的研究打下了基础。

全文目录

第一章绪论  8-14
  1.1 开展研究的目的和意义  8-9
  1.2 船舶动力定位系统介绍  9-10
  1.3 研究现状  10-12
    1.3.1 国外的研究现状和发展  10-11
    1.3.2 国内的研究现状和发展  11-12
  1.4 研究内容与研究思路  12-14
第二章船舶运动数学模型及海洋环境数学模型  14-32
  2.1 引言  14-15
  2.2 船舶运动坐标系的选取  15-18
    2.2.1 固定坐标系  15-16
    2.2.2 随船坐标系  16-18
  2.3 船舶运动数学模型  18-24
    2.3.1 船舶低频运动数学模型  19-22
    2.3.2 船舶高频运动数学模型  22-24
  2.4 海洋环境的数学模型  24-31
    2.4.1 风的数学模型  24-28
    2.4.2 波浪的数学模型  28-31
    2.4.3 海流的数学模型  31
  2.5 本章小结  31-32
第三章 OSV 的运动数学模型及仿真  32-41
  3.1 引言  32
  3.2 OSV 的运动数学模型  32-35
  3.3 推进器的推力数学模型  35-36
    3.3.1 螺旋桨的数学模型  35-36
    3.3.2 舵的数学模型  36
  3.4 OSV 的运动仿真  36-40
  3.5 本章小结  40-41
第四章 OSV 动力定位的测量系统  41-51
  4.1 引言  41
  4.2 位置测量系统  41-47
    4.2.1 差分GPS 测位系统  42-45
    4.2.2 水声定位系统  45-46
    4.2.3 张紧索系统  46-47
    4.2.4 激光定位系统  47
  4.3 艏向测量系统  47-48
  4.4 垂直测量系统  48-49
  4.5 风速风向仪  49-50
  4.6 本章小结  50-51
第五章 OSV 动力定位控制系统的研究  51-66
  5.1 引言  51
  5.2 控制理论的发展  51-52
  5.3 控制方法研究  52-55
    5.3.1 模糊控制方法  52-53
    5.3.2 专家控制系统方法  53-54
    5.3.3 神经网络控制方法  54-55
  5.4 控制器系统  55-56
  5.5 OSV 的控制方法  56-60
  5.6 计算机仿真  60-65
  5.7 本章小结  65-66
第六章结论与展望  66-68
  6.1 结论  66
  6.2 展望  66-68
参考文献  68-72
攻读硕士学位期间发表的学位论文  72-73
致谢  73-75
摘要  75-77
Abstract  77-78

深海石油平台支援船(OSV)动力定位控制方法研究

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