观测器不同海况条件下船舶动力定位混合制约系统设计怎样

摘要：随着科学技术的不断进展进步，海洋资源特别是远海、深海石油和天然气资源的开采日益受到重视。比起近海作业，远海、深海海洋环境条件更恶劣，环境载荷更大，对海上作业的结构物定位系统的要求更高。传统的系泊定位系统因其本身的局限性，如定位精度不高，机动性差，锚链造价和安装费成本较高，特别是定位能力受水深及海底情况的限制等，已经无法满足远海、深海作业的定位要求。作为一种更适合深海浮式结构物位置保持和航迹跟踪的定位策略，采取推进器的动力定位系统迅速进展并逐渐取代传统的系泊系统，成为深海浮式结构和船舶的主要定位方式。动力定位系统对各种海洋工程作业，特别是深海作业，如深海油气开发、海底勘探、海底铺管布缆、海底矿物质采集等显示出越来越重要的作用。船舶动力定位系统主要包括传感测量系统、制约系统、推进系统等几大部分，其中制约系统是动力定位系统的核心。以往的船舶动力定位制约系统设计探讨大多针对某种特定的海洋环境条件下的动力定位系统，采取固写作约算法和模型的观测器及制约器，很少有探讨多种复杂海洋环境条件下的制约系统设计。针对这种情况，本论文为船舶动力定位制约系统设计了满足不同海况条件下工作任务要求的系统观测器和制约器，引入开关逻辑算法设计混合制约器，建立可以在多种海况条件下自动切换制约算法和模型的动力定位混合制约系统，并通过计算机仿真验证所设计的制约器的制约效果。首先，建立船舶动力定位制约系统的数学模型，包括风、浪和流环境载荷模型以及船舶运动模型。其中，风载荷近似为高斯白噪声干扰并以前馈的形式加入模型。浪载荷模型分为幅值很大的高频一阶波浪载荷和幅值相对较小且缓慢变化的低频二阶波浪载荷分别处理。考虑到推进器的能耗和磨损情况，一阶波浪力是制约系统中要重点建模和滤波的对象，也是本论文中主要的环境载荷。流载荷因其复杂的物理特性，很难用建模策略进行模拟，文中对此进行了简化处理。其次，在模拟四种级别典型海况的基础上，针对每种海况分别设计了合适的观测器和制约器，建立了四个完整的制约反馈回路。通过浅析比较三种不同的滤波算法，即常用的低通滤波算法，卡尔曼滤波算法以及非线性被动滤波算法，选择合适的滤波模型消除了一阶波浪干扰作用。再次，考虑介于中等级别海况和极端海况之间的第三种海况，通过权值分配来综合第二和第四种海况下设计的制约器，单独为其设计了制约器。又考虑到第四种海况下一阶波浪力基频相对较低使设计的滤波器陷波频率落在系统低频运动频宽内，改善前三种海况的观测器模型以保留一阶波浪力作用。最后，通过一种尺度独立的时滞开关逻辑，将四个不同海况条件下的制约模型融合为一个可以在多种海况条件下自动切换制约对策的混合制约系统。本论文对船舶动力定位制约系统进行了浅析和设计，建立了可以在不同海况条件下正常工作的混合制约系统。该模型可为复杂海况条件下船舶动力定位制约系统的设计提供一种有效的实现策略和手段，对动力定位系统的设计和更广泛的运用具有重要的作用和一定的工程实用价值。关键词：船舶动力定位论文海况条件论文卡尔曼滤波器论文非线性被动观测器论文PID制约论文混合制约论文

摘要3-5

ABSTRACT5-13

第一章 绪论13-23

1.1 课题背景及探讨作用13-15

1.2 动力定位系统介绍15-20

1.2.1 动力定位系统进展概况15-18

1.2.2 动力定位系统的组成和工作原理18-20

1.3 船舶动力定位制约系统探讨进展20-21

1.3.1 国外相关探讨20

1.3.2 国内相关探讨20-21

1.4 本论文主要探讨内容21-23

第二章 船舶动力定位系统建模23-43

2.1 坐标系和常用符号23-24

2.2 船舶运动学模型24-25

2.3 船舶动力学模型25-35

2.3.1 船舶运动惯性力，科氏力-向心力，阻尼力及回复力25-27

2.3.2 外界环境干扰力27-35

2.4 船舶动力定位系统数学模型35-37

2.4.1 船舶动力定位系统非线性模型35-36

2.4.2 船舶动力定位系统非线性模型线性化36-37

2.5 四种典型海况模型37-42

2.6 本章小结42-43

第三章 线性和非线性模型的滤波策略比较43-61

3.1 四种典型海况频域浅析43-45

3.2 低通滤波算法45-47

3.3 线性卡尔曼滤波算法47-51

3.3.1 卡尔曼滤波算法原理47-48

3.3.2 基于卡尔曼滤波器的船舶动力定位系统48-51

3.4 非线性被动观测器51-58

3.4.1 非线性被动观测器原理51-52

3.4.2 基于非线性被动观测器的船舶动力定位系统52-58

3.5 本章小结58-61

第四章 不同海况条件下的制约器设计61-83

4.1 常用的 PID 制约器61-72

4.1.1 PID 制约器模型61-62

4.1.2 基于 PID 制约器的船舶动力定位制约系统62-72

4.2 加速度反馈制约算法（第四种海况）72-79

4.2.1 加速度反馈制约原理和制约器模型72-74

4.2.2 加速度反馈制约中 PID 制约器参数的确定74-76

4.2.3 基于加速度反馈制约的船舶动力定位系统76-79

4.3 过渡阶段的制约算法设计（第三种海况）79-81

4.4 本章小结81-83

第五章 船舶动力定位混合制约系统设计83-101

5.1 监督制约系统83-89

5.1.1 监督制约系统的原理83-85

5.1.2 混合制约系统85-87

5.1.3 切换系统87-89

5.2 开关逻辑算法89-91

5.2.1 停留时间开关逻辑89-90

5.2.2 尺度无关的迟滞开关逻辑90-91

5.3 船舶动力定位混合制约系统91-100

5.3.1 基于指定切换逻辑的混合制约系统92-94

5.3.2 基于尺度无关迟滞开关逻辑的混合制约系统94-95

5.3.3 船舶动力定位混合制约系统的计算机仿真95-100

5.4本章小结100-101

第六章 总结与展望101-103

6.1 主要探讨工作总结101-102

6.2 探讨工作展望102-103