本文關(guān)鍵詞：深水半潛式錨泊定位系統(tǒng)控制策略及半物理仿真研究　出處：《哈爾濱工程大學(xué)》2014年博士論文　論文類型：學(xué)位論文

  更多相關(guān)文章： 自動錨泊定位 錨鏈動力分析 廣義α算法 區(qū)間輸入時滯 保性能控制

【摘要】：受風、浪、流等海洋環(huán)境干擾影響,半潛式平臺不可避免地會產(chǎn)生六自由度搖蕩運動,其中半潛式平臺對水平方向的縱蕩、橫蕩及艏搖運動不具有回復(fù)力,導(dǎo)致平臺逐漸偏離平衡位置,進而威脅到半潛式平臺的工作及安全性能。因此,平臺定位系統(tǒng)的性能至關(guān)重要。錨泊定位與動力定位是迄今應(yīng)用最廣泛的定位系統(tǒng),然而錨泊定位系統(tǒng)定位精度較低,動力定位系統(tǒng)經(jīng)濟性差,本文提出一種具有錨鏈切換控制的錨泊自動定位系統(tǒng)。該系統(tǒng)在保證平臺的定位精度的基礎(chǔ)上,降低了系統(tǒng)的總體成本,同時兼顧了錨鏈張力場的均勻分布,避免了因張力分配不均而引起錨鏈斷裂的安全隱患,提高了定位系統(tǒng)的安全性。為研究錨泊自動定位半潛式平臺的動力學(xué)特性,本文首先對平臺的低頻運動模型進行分析,為簡化控制系統(tǒng)的設(shè)計及便于對被控對象的分析,將系統(tǒng)方程在低速狀態(tài)下線性化,建立具有狀態(tài)空間形式的平臺低頻運動方程。錨泊阻尼直接影響對半潛式平臺及錨泊系統(tǒng)的運動響應(yīng)預(yù)測的準確性,采用準靜態(tài)分析方法來估算錨泊阻尼,并在作業(yè)平臺運動方程的阻尼矩陣中加入計算得到的阻尼系數(shù)以更準確地計算平臺的運動響應(yīng)。分析半潛式平臺所受海洋擾動性質(zhì),建立海風、海流、一階波浪力及二階波浪力干擾模型,并針對目標平臺進行數(shù)值仿真以確定不同海清下平臺所承受的海洋擾動力、力矩。闡述錨鏈動力分析的必要性,利用忽略抗彎剛度的彈性桿理論建立錨鏈的運動模型。彈性桿理論考慮了非線性因素的作用,推導(dǎo)過程嚴密。由于推導(dǎo)出的錨鏈運動控制方程為非線性微分方程,很難對其進行解析求解,因此采用有限元法將上述微分方程轉(zhuǎn)換為弱形式,并采用數(shù)值積分方法對方程進行求解,用以分析錨鏈的動力特性。介紹了幾種常用的數(shù)值積分方法,在分析各方法的優(yōu)缺點的基礎(chǔ)上,采用具有二階精度、可控數(shù)值阻尼及無條件穩(wěn)定性質(zhì)的改進的廣義α算法對錨鏈進行動力分析。進一步,采用間接時域法對平臺與錨泊系統(tǒng)進行耦合分析,首先利用三維勢流理論,在頻域內(nèi)得出半潛式平臺的水動力參數(shù),再通過頻域時域轉(zhuǎn)換將水動力參數(shù)變換到時域內(nèi)建立時域耦合方程,求解平臺及錨鏈的運動響應(yīng)。分析半潛式平臺錨泊自動定位系統(tǒng)特征,針對其具有輸入時滯及不確定性的特點,說明LQR控制的局限性。結(jié)合線性矩陣不等式理論,魯棒控制算法及李雅普諾夫穩(wěn)定性理論,分別設(shè)計了具有區(qū)間輸入時滯的H∞控制策略及保性能控制策略來產(chǎn)生抵抗環(huán)境擾動的控制合力(力矩)。具有區(qū)間輸入時滯的H∞控制策略考慮了時滯下界不為零的情況,在Lyapunov函數(shù)的構(gòu)造過程中,亦包含了時滯下界信息;在保性能控制策略的設(shè)計過程中,將具有輸入時滯的保性能控制擴展到基于誤差向量的形式以實現(xiàn)平臺的定點定位。所設(shè)計的兩種控制器從不同的側(cè)重角度解決了由于水動力參數(shù)的不確定而引起的模型不確定性及由于錨鏈切換所導(dǎo)致的輸入時滯問題。在保證平臺目標位置的基礎(chǔ)上優(yōu)化錨鏈的張力分布,結(jié)合錨泊系統(tǒng)模型,通過定義目標函數(shù)為各錨鏈張力差的平方和最小來實現(xiàn)張力的均勻分布,而目標平臺的位置則由約束條件來滿足�；贛emetic思想,將具有較強全局搜索能力的遺傳算法與具有較強局部搜索能力的改進模擬退火算法相結(jié)合,設(shè)計了混合優(yōu)化算法將平臺定位到期望位置所需的控制合力(力矩)均勻地分配給12條錨鏈,保證錨鏈張力場的均衡分布,并將優(yōu)化值作為錨鏈切換的閾值。最后,進行半潛式平臺錨泊自動定位系統(tǒng)的半物理仿真實驗研究,實驗結(jié)果顯示,所設(shè)計的定位方案合理,控制策略性能良好。
[Abstract]:By the wind, wave, flow disturbances such as marine environmental impact, semi submersible platform will inevitably have six degrees of freedom motions, the semi submersible platform on the horizontal direction of the surge, sway and yaw motion with restoring force, leading to the platform gradually deviate from the equilibrium position, and thus a threat to safety and performance submersible platform. Therefore, performance of platform positioning system. Mooring positioning and dynamic positioning is by far the most widely used positioning system, but the system positioning accuracy of mooring positioning is low, economic dynamic positioning system, this paper proposes a switching control cable with automatic mooring positioning system. The system guarantee the positioning the accuracy of platform, reducing the overall cost of the system, taking into account the uniform distribution of cable tension field, avoid tension caused by uneven distribution of chain breaking security risks, improve Safety positioning system. For the dynamic characteristics of the automatic positioning of semi submersible platform mooring research, firstly, the low frequency motion model of the platform is analyzed, to simplify the design of control system and is convenient for the analysis of the controlled object, the system equation is linearized at low speed state, establish the platform frequency equations of motion with the form of state space. Mooring damping directly affects the accuracy of predicting the response of semi submersible platform and its mooring system, using the static analysis method to estimate the mooring damping, response and damping matrix in the motion equation of the working platform added damping coefficient calculated by the more accurate calculation of the motion of the platform. Analysis of semi submersible platform by sea disturbance the establishment of nature, wind, ocean currents, the first-order wave force and two order wave force interference model, and according to the target platform for the numerical simulation to determine the different level of Hai Qing Marine disturbance, Taiwan the moment. Explaining the necessity of dynamic analysis, the motion model of elastic rod theory ignores the bending stiffness of the anchor chain. The theory of elastic rod established considering nonlinear factors, rigorous derivation. The deduced chain motion control equation is a nonlinear differential equation, it is difficult to the analytical solution, so the finite element method is used to convert the differential equations into weak form, and the numerical integration method to solve the equations for dynamic analysis of anchor chain. This paper introduces some commonly used numerical integration methods, based on the analysis of advantages and disadvantages of various methods, with two order accuracy improvement the generalized algorithm is unconditionally stable and controllable numerical damping properties of the dynamic analysis of the anchor chain. Further, the coupling analysis of platform and mooring system using the indirect method in time domain, first With the three dimensional potential flow theory, the hydrodynamic parameters of semi submersible platform in the frequency domain, and then through the frequency domain conversion will establish a time-domain coupled equations of hydrodynamic parameters and transform domain response platform and chain movement. Analysis of mooring automatic positioning system of semi submersible platform according to its characteristics, with input delay and characteristics uncertainty, illustrate the limitations of LQR control. Combined with the theory of linear matrix inequalities, a robust control algorithm and Lyapunov stability theory, are designed with input delay interval H control strategy and the guaranteed performance control strategies to generate resistance control environmental perturbation force (torque). H control strategy with input delay interval considering the lower bound of delay is not zero, in the construction process of the Lyapunov function, also contains information on the lower bound of delay; guaranteed cost control strategy design process, will be out With input delay guaranteed performance control extended to the designated location error vector form based on the platform. In order to achieve the two kinds of controller designed to solve due to uncertain hydrodynamic parameters of model uncertainty and input delay due to problems caused by the chain switching from different angles. In order to ensure the focus on optimizing the distribution of cable tension based on the position of the target platform, combined with the mooring system model, by defining the objective function for the cable tension difference square and minimum tension to achieve uniform distribution, and the location of the target platform is to satisfy the constraint conditions. Based on the idea of Memetic, combining genetic algorithm with strong global searching ability and has improved the strong local search ability of the simulated annealing algorithm, a hybrid optimization algorithm to design the control platform position to the desired position required force (torque) evenly divided 12 ration chain, to ensure a balanced distribution of cable tension field, and the value chain optimization as the switching threshold. Finally, the simulation experiment of semi physical mooring automatic positioning system of semi submersible platform, the experimental results show that the localization scheme design is reasonable, the control strategy has good performance.

【學(xué)位授予單位】：哈爾濱工程大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2014
【分類號】：P751

【相似文獻】

相關(guān)期刊論文 前10條

1 李孔光;“南海503”地質(zhì)取芯船錨泊定位系統(tǒng)的改進設(shè)計[J];中國海洋平臺;1994年01期

2 陳家鼎;羅德濤;;錨泊定位系統(tǒng)的靜力計yX[J];上海交通大學(xué)學(xué)報;1981年04期

3 劉祥建;譚興倫;余水;馬錫濤;孫麗萍;;錨泊定位浮體快速解脫方案[J];中國海洋平臺;2009年05期

4 柴琳;費樹岷;;一類輸入時滯的不確定多時滯非線性系統(tǒng)的新型自適應(yīng)H~∞控制[J];系統(tǒng)科學(xué)與數(shù)學(xué);2007年06期

5 一光;;英國推出半潛式平臺新設(shè)計的建造成本可降低80％[J];中國海洋平臺;1990年04期

6 陳新權(quán);劉振輝;譚家華;;深海半潛式平臺選型研究[J];中國海洋平臺;2008年01期

7 方華燦;;對我國深水半潛式平臺設(shè)計的幾點淺見[J];中國海洋平臺;2008年02期

8 楊立軍;肖龍飛;楊建民;;半潛式平臺水動力性能研究[J];中國海洋平臺;2009年01期

9 高杰;徐兆棣;;帶有狀態(tài)和輸入時滯不確定線性系統(tǒng)的保成本控制(英文)[J];沈陽師范大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版);2009年04期

10 張海彬;程維杰;;U型半潛式起重鋪管平臺水動力分析[J];海洋工程;2010年04期

相關(guān)會議論文 前10條

1 賈祝蓉;賈新春;李雷;成婷婷;;帶有控制輸入時滯的自主車隊縱向控制[A];中國自動化學(xué)會控制理論專業(yè)委員會D卷[C];2011年

2 梁學(xué)先;孫偉英;樊之夏;黃山田;;深水半潛式平臺運輸結(jié)構(gòu)強度分析[A];第十五屆中國海洋（岸）工程學(xué)術(shù)討論會論文集(上)[C];2011年

3 馬延德;姜福茂;孫洪國;;深水半潛式平臺概要建造方案[A];2008年度海洋工程學(xué)術(shù)會議論文集[C];2008年

4 杜君峰;李華軍;王樹青;張敏;;一種新型半潛式平臺及其水動力性能分析[A];第十六屆中國海洋（岸）工程學(xué)術(shù)討論會論文集（上冊）[C];2013年

5 張大剛;樊之夏;孫偉英;;半潛式生產(chǎn)平臺組裝方式及運輸方法研究[A];第十五屆中國海洋（岸）工程學(xué)術(shù)討論會論文集(上)[C];2011年

6 程少華;崔祜濤;崔平遠;;深空探測器姿態(tài)大角度機動與穩(wěn)定控制半物理仿真研究[A];'2006系統(tǒng)仿真技術(shù)及其應(yīng)用學(xué)術(shù)交流會論文集[C];2006年

7 李輝;任慧龍;吳東偉;張健;;半潛式平臺撐桿結(jié)構(gòu)波浪載荷計算方法研究[A];黑龍江省造船工程學(xué)會2008年學(xué)術(shù)年會論文集[C];2008年

8 江平;時瑞軍;武一冰;陳志豪;;航空發(fā)動機控制系統(tǒng)半物理仿真試驗器設(shè)計[A];2012航空試驗測試技術(shù)學(xué)術(shù)交流會論文集[C];2012年

9 劉波;田其磊;高定全;王銘飛;;半潛式生產(chǎn)平臺基于全概率譜分析方法的結(jié)構(gòu)疲勞分析[A];第十五屆中國海洋（岸）工程學(xué)術(shù)討論會論文集(上)[C];2011年

10 楊亮;劉波;胡海峰;王吉峰;張陽;;半潛式平臺結(jié)構(gòu)升級延壽改造方法研究與應(yīng)用[A];2012年度海洋工程學(xué)術(shù)會議論文集[C];2012年

相關(guān)重要報紙文章 前6條

1 記者 趙慧;中集來福士半潛式起重生活平臺通過鑒定[N];中國船舶報;2013年

2 顧曉燕;中遠船務(wù)首座第六代半潛式平臺試航[N];中國船舶報;2012年

3 記者 桂雪琴;中遠船務(wù)交付世界先進深水半潛式平臺[N];中國船舶報;2012年

4 記者 朱宗文;首座中國造深水半潛式平臺交付[N];第一財經(jīng)日報;2010年

5 記者 劉志良;中集來福士開建第二座第七代超深水半潛式平臺[N];中國船舶報;2014年

6 記者 嚴風華;CCS承擔我國首座深水半潛式平臺檢驗[N];中國船舶報;2007年

相關(guān)博士學(xué)位論文 前10條

1 蘇曉宇;深水半潛式錨泊定位系統(tǒng)控制策略及半物理仿真研究[D];哈爾濱工程大學(xué);2014年

2 喬東生;深水平臺錨泊定位系統(tǒng)動力特性與響應(yīng)分析[D];哈爾濱工業(yè)大學(xué);2011年

3 趙利云;具有通訊和輸入時滯的調(diào)和振子的協(xié)調(diào)控制[D];上海大學(xué);2016年

4 梁海志;半潛式平臺運動響應(yīng)的動力定位等主被動及其聯(lián)合控制研究[D];大連理工大學(xué);2015年

5 尚英鋒;左可逆半群的特征以及輸入時滯系統(tǒng)的穩(wěn)定性分析[D];天津大學(xué);2010年

6 賈杰;航天器姿態(tài)半物理仿真原理及其試驗方法研究[D];西北工業(yè)大學(xué);2006年

7 陳新權(quán);深海半潛式平臺初步設(shè)計中的若干關(guān)鍵問題研究[D];上海交通大學(xué);2007年

8 朱航;半潛式平臺運動性能與活動垂蕩板減振系統(tǒng)研究[D];哈爾濱工業(yè)大學(xué);2011年

9 吳海彬;基于半物理仿真的海上平臺沉浮運動研究[D];浙江大學(xué);2002年

10 徐娟娟;時滯系統(tǒng)若干控制問題的研究[D];山東大學(xué);2013年

相關(guān)碩士學(xué)位論文 前10條

1 傅保增;輸入時滯的Hamilton系統(tǒng)的魯棒鎮(zhèn)定[D];曲阜師范大學(xué);2015年

2 劉萌;多自主體系統(tǒng)的脈沖編隊跟蹤問題研究[D];華中科技大學(xué);2015年

3 俞洋;一類基于輸入時滯方法的網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)H_∞控制[D];杭州電子科技大學(xué);2016年

4 李璐;具有輸入時滯的切換非線性系統(tǒng)的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)追蹤控制[D];渤海大學(xué);2017年

5 羅駿;具有輸入時滯的網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性與鎮(zhèn)定的研究[D];廣東工業(yè)大學(xué);2015年

6 李宏源;半潛式海洋通信平臺結(jié)構(gòu)及疲勞分析[D];哈爾濱工業(yè)大學(xué);2015年

7 廖麗恒;半潛式海洋平臺在風浪載荷聯(lián)合作用下的一體化動力效應(yīng)分析[D];上海交通大學(xué);2015年

8 吳凡;深吃水半潛式平臺波流耦合作用渦激運動響應(yīng)特性研究[D];上海交通大學(xué);2015年

9 毛瑩;海上浮式風機半潛式基礎(chǔ)水動力特性研究[D];上海交通大學(xué);2015年

10 曹義軍;新型半潛式平臺的運動特性研究及整體強度評估[D];中國海洋大學(xué);2015年

，

本文編號：1434806