船舶動力定位系統(tǒng)由測量系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、電力推進系統(tǒng)和舵槳裝置組成,其中控制系統(tǒng)是動力定位系統(tǒng)最重要的環(huán)節(jié)。本文介紹船舶動力定位系統(tǒng)常用的控制模型,詳細分析用于動力定位控制系統(tǒng)的控制策略包括PID控制、模糊\神經(jīng)網(wǎng)絡自適應控制、預測控制、容錯控制的研究與應用現(xiàn)狀,并概括了各種控制策略存在的優(yōu)缺點。最后從控制策略和海上作業(yè)需求變化兩方面出發(fā),提出了船舶DP控制系統(tǒng)的未來發(fā)展目標,以及下一步重點研究方向。 

【文章來源】：艦船科學技術(shù). 2020,42(17)北大核心

【文章頁數(shù)】：5 頁

【部分圖文】：

動力定位模糊自適應控制策略原理圖Fig.2TheSchematicdiagramoffuzzyadaptivecontrolstrategy

不確定性和參數(shù)未知的被控系統(tǒng)設計控制器。上述成果中所提出的控制策略均通過了Lyapunov穩(wěn)定性證明和仿真驗證，然而在設計控制器時需假設系統(tǒng)所有狀態(tài)變量是可測的，而實際情況卻剛好相反，系統(tǒng)狀態(tài)變量無法通過傳感器進行測量。文獻[16–17]針對這種制約條件，通過構(gòu)造高增益狀態(tài)觀測器，設計了基于FLS/NN自適應的輸出反饋控制器，理論證明和仿真試驗證明方法的正確性和有效性�；贔LS/NN自適應控制系統(tǒng)設計方法有如下優(yōu)點：不需要建立系統(tǒng)精確地數(shù)學模型；對于未知干擾情況可通過構(gòu)造干擾觀測器解決。該方法雖然優(yōu)點多，但目前尚無應用成果，主要原因在于：1）基于萬能逼近器的自適應控制方法本身工程應用不成熟，船舶DP控制系統(tǒng)相對比較復雜，配置有特殊作業(yè)系統(tǒng)的船舶平臺造價昂貴，應首選成熟可靠的控制方法；2）模型逼近過程需要根據(jù)反饋誤差不斷的調(diào)節(jié)參數(shù)，表現(xiàn)出控制量的不斷調(diào)節(jié)，這與動力定位控制系統(tǒng)的綠色節(jié)能控制、推進器保護相沖突；3）在以往研究中，通常假設輸出變量完全可測的，而實際中位置、首向變量測量值會存在隨機干擾，即需要用先進的濾波算法如EKF，UKF等進行處理。2.3基于模型預測算法的DP控制策略模型預測控制（Modelpredictivecontrol，MPC）又稱為滾動時域控制，優(yōu)化控制流程為：1）獲取當前時刻系統(tǒng)狀態(tài)測量值；2）求解一個優(yōu)化控制問題得到預測控制時域控制率；3）將第1個控制量作為系統(tǒng)輸入；4）下一時刻回到第1步。MPC優(yōu)點在于控制輸入變量可保證系統(tǒng)在預測控制時域內(nèi)由跟蹤誤差等構(gòu)成性能函數(shù)取得最優(yōu)值，并且能夠有效地處理復雜系統(tǒng)的約束問題，實現(xiàn)復雜目標控制，因此，MPC成功地應用于船舶DP控制系統(tǒng)[18–21]，基本原理框圖如圖3所示。性能指標函數(shù)通常選用如下形式：J=12T0{μ1[?

˙η=R(ψ)υ，M˙υ+CRB(υ)υ+CA(υr)υr+D(υr)+G(η)=τwind+τwave2+τmoor+τice+τthr。υ=[u,v,w,p,q,r]Tuvwpqr其中：為系統(tǒng)狀態(tài)變量，為縱蕩，為橫蕩，為垂蕩，為橫搖角，為縱搖角，為首向角。由于現(xiàn)有船舶動力定位系統(tǒng)控制任務為水面船舶的定點控制、首向保持和航跡跟蹤，控制目標為船舶的經(jīng)度、緯度和首向角，因此，目前絕大部分科研工作以及成熟產(chǎn)品均不考慮上述復雜的六自由度模型，僅研究如下簡化模型[4–6]：{˙η=R(ψ)υ，M˙υ=Dυ+τ+(t)。υ=[u,v,r]Tuvr其中：為縱向速度、橫向速度、首向角速率構(gòu)成的狀態(tài)變量，為縱蕩，為橫蕩，為首向角。本文僅介紹2種模型，實際如輸入受限、未知干擾、一階波浪力等情況，此處不做深入探討。2動力定位系統(tǒng)控制策略DP控制策略經(jīng)歷了從經(jīng)典的由低通濾波和PID控制結(jié)合的第1代過渡到以Kalman濾波和最優(yōu)控制結(jié)合的第2代DP控制策略，并逐漸發(fā)展為以智能控制技術(shù)為基礎(chǔ)的第3代DP控制策略。2.1基于PID算法的DP控制策略PID原理簡單，易于工程應用，且魯棒性強，適用于環(huán)境惡劣的工業(yè)控制過程，常用DP控制策略表達式為：u(t)=Kp[e(t)+1/Tit0e(t)dt+Tdde(t)/dt]。其中e(t)為跟蹤誤差�；驹砜驁D如圖1所示。圖1動力定位PID控制策略原理圖Fig.1TheSchematicdiagramofPIDcontrolstrategyfordynamicpositioningmodel考慮船舶存在對定位時間要求不高且控制過程中有異常外力影響系統(tǒng)的情況，Svenn[7]設計了一種基于PID的混合控制方法，當誤差較大時，控制器中積分部分采用大數(shù)值作為調(diào)節(jié)參數(shù)，當接近期望值時，控制器切換為常規(guī)PID進行調(diào)節(jié)。直翼推進器響應速度足夠高，可以保證定位的高精度、實時性，Philipp[8]針對配置直翼推進器的DP船舶設計PID控制器，并?

【參考文獻】：
期刊論文
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碩士論文
[1]船舶動力定位測量系統(tǒng)智能故障診斷方法研究[D]. 張贊.哈爾濱工程大學 2017
[2]多艘動力定位船魯棒自適應編隊控制研究[D]. 王彬.哈爾濱工程大學 2017
[3]多DP船協(xié)調(diào)編隊有限時間控制方法研究[D]. 駱偉.哈爾濱工程大學 2017
[4]執(zhí)行器故障的船舶動力定位系統(tǒng)容錯控制[D]. 胡明佳.大連海事大學 2016
[5]船舶動力定位系統(tǒng)模型預測控制研究[D]. 王剛.大連海事大學 2016
[6]基于模糊預測控制的船舶動力定位系統(tǒng)控制器研究[D]. 熊衛(wèi)衛(wèi).江蘇科技大學 2012



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