【摘要】：隨著我國海洋工程逐漸向深海延伸,動(dòng)力定位系統(tǒng)在海洋工程的應(yīng)用越來越廣泛,動(dòng)力定位技術(shù)的研究顯得極為迫切和必要。本文以船舶動(dòng)力定位系統(tǒng)為研究對(duì)象,主要采用分離型建模方法和非線性模型預(yù)測(cè)控制等理論方法,研究動(dòng)力定位船舶的六自由度操縱運(yùn)動(dòng)數(shù)學(xué)模型和動(dòng)力定位控制算法等一系列問題,主要研究?jī)?nèi)容為如下4個(gè)方面:首先,針對(duì)“多槳多舵”動(dòng)力定位船舶進(jìn)行低速大漂角運(yùn)動(dòng)且極易受到海洋環(huán)境擾動(dòng)影響的運(yùn)動(dòng)特點(diǎn),采用分離型建模思想,提出了一種全速域動(dòng)力定位船舶六自由度操縱運(yùn)動(dòng)數(shù)學(xué)模型。該模型充分考慮了可變螺距螺旋槳推進(jìn)器的多象限工況,海洋環(huán)境中不規(guī)則風(fēng)擾動(dòng)和短峰不規(guī)則波浪擾動(dòng)。以一艘深水多用途海洋工程拖船為研究對(duì)象進(jìn)行了旋回試驗(yàn)、停船試驗(yàn)和側(cè)推試驗(yàn),仿真結(jié)果表明所建立的模型滿足動(dòng)力定位船舶測(cè)試仿真平臺(tái)和船舶動(dòng)力定位模擬器的精度要求。其次,針對(duì)動(dòng)力定位船舶存在系統(tǒng)輸入和輸入變化率飽和且受到未知時(shí)變擾動(dòng)條件下的非線性控制問題。首先采用模型預(yù)測(cè)控制算法設(shè)計(jì)船舶動(dòng)力定位控制器,將線性化的船舶運(yùn)動(dòng)數(shù)學(xué)模型作為預(yù)測(cè)模型,提出一種含有積分器的船舶動(dòng)力定位模型預(yù)測(cè)控制算法。然后考慮動(dòng)力定位船舶是復(fù)雜的非線性系統(tǒng),線性模型預(yù)測(cè)控制算法易出現(xiàn)發(fā)散現(xiàn)象的問題,應(yīng)用精確反饋線性化設(shè)計(jì)工具將原非線性系統(tǒng)轉(zhuǎn)換為線性系統(tǒng),同時(shí)采用序列二次規(guī)劃方法求解非線性約束問題,提出了一種基于精確反饋線性化的船舶動(dòng)力定位非線性模型預(yù)測(cè)控制算法。以一艘動(dòng)力定位供給船為研究對(duì)象進(jìn)行了仿真驗(yàn)證,仿真結(jié)果表明,本文所提出控制算法能夠在系統(tǒng)存在輸入和輸入變化率飽和的情況下,克服海洋環(huán)境如風(fēng)浪等未知時(shí)變擾動(dòng)對(duì)船舶的影響,使船舶到達(dá)并保持在期望位置和艏向。接著,針對(duì)非線性模型預(yù)測(cè)控制算法在線計(jì)算量大的實(shí)時(shí)控制問題,提出了一種基于拉蓋爾函數(shù)的船舶動(dòng)力定位非線性模型預(yù)測(cè)控制算法。該算法引入拉蓋爾函數(shù),用于描述線性控制結(jié)構(gòu)的控制增量信號(hào),降低了非線性優(yōu)化問題中各系數(shù)矩陣的維度,從而降低了在線優(yōu)化的計(jì)算負(fù)荷。最后以一艘動(dòng)力定位供給船為研究對(duì)象進(jìn)行了仿真對(duì)比實(shí)驗(yàn),仿真結(jié)果表明該算法保留了原非線性模型預(yù)測(cè)控制算法控制性能,同時(shí)降低了控制器的計(jì)算量,達(dá)到了實(shí)時(shí)性的要求。最后,針對(duì)動(dòng)力定位系統(tǒng)實(shí)船使用前需進(jìn)行不同階段的系統(tǒng)測(cè)試,以及采用模型試驗(yàn)、實(shí)船試驗(yàn)測(cè)試動(dòng)力定位系統(tǒng)存在風(fēng)險(xiǎn)大、費(fèi)用高、調(diào)試周期長(zhǎng)等缺點(diǎn),首先開發(fā)了一套針對(duì)船舶動(dòng)力定位控制算法測(cè)試的仿真系統(tǒng),采用多線程技術(shù)、三維圖形技術(shù)、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)等手段實(shí)現(xiàn)了界面友好、操作方便的實(shí)時(shí)仿真系統(tǒng)。同時(shí)基于實(shí)驗(yàn)室的航海模擬器系統(tǒng)和本文所提出的動(dòng)力定位船舶六自由度運(yùn)動(dòng)數(shù)學(xué)模型,研發(fā)了針對(duì)動(dòng)力定位控制系統(tǒng)的硬件在環(huán)測(cè)試仿真系統(tǒng),該系統(tǒng)與荷蘭某動(dòng)力定位廠商的動(dòng)力定位控制系統(tǒng)成功對(duì)接,驗(yàn)證了系統(tǒng)的可行性和有效性。本文所研究的動(dòng)力定位船舶運(yùn)動(dòng)數(shù)學(xué)模型和船舶動(dòng)力定位控制算法對(duì)提高動(dòng)力定位系統(tǒng)的定位精度,推進(jìn)國產(chǎn)化的海洋工程裝備研制具有現(xiàn)實(shí)意義,為發(fā)展“綠色”海洋經(jīng)濟(jì)奠定了重要理論基礎(chǔ)。
【學(xué)位授予單位】：大連海事大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號(hào)】：U664.82
【圖文】：

國內(nèi)自２０世紀(jì)７０年代開始研究動(dòng)力定位技術(shù)，但大多數(shù)研究單位尚處于理論研究或逡逑試驗(yàn)研究階段。哈爾濱工程大學(xué)自１９８３年開始研究船舶動(dòng)力定位技術(shù)，并在１９９７年成功逡逑研制了我國第一套裝備水面的動(dòng)力定位系統(tǒng)［７１。２００９年８月，中國船舶工業(yè)集團(tuán)７０８研究逡逑所首次成功設(shè)計(jì)了世界最先進(jìn)的ＤＰ－３級(jí)動(dòng)力定位系統(tǒng)，獲得了中國船級(jí)社和美國船級(jí)社逡逑的認(rèn)可，并通過了故障模式與影響分析的全面驗(yàn)證［８］。２０１２年５月，我國首座自主設(shè)計(jì)、逡逑建造的第六代深水半潛式鉆井平臺(tái)“海洋石油９８１邋”建造成功，配備了目前世界上最先進(jìn)逡逑的ＤＰ－３動(dòng)力定位控制系統(tǒng)，能夠在深海中精確定位［９］。２０１４年１０月，哈爾濱工程大學(xué)牽逡逑頭研發(fā)的“ＤＰ－３動(dòng)力定位系統(tǒng)研制”項(xiàng)目通過了工信部驗(yàn)收，實(shí)現(xiàn)了我國ＤＰ－３動(dòng)力定位逡逑系統(tǒng)“零”的突破［１Ｇ］。近幾年，我國在動(dòng)力定位船舶設(shè)計(jì)和建造均有較大的突破，如首逡逑艘動(dòng)力定位自航工程船“華海龍”號(hào)、首艘３邋０００米級(jí)動(dòng)力定位深水鋪管起重船“海洋石逡逑油２０１”、首艘動(dòng)力定位挖溝船“海洋石油２９５”、首艘深海動(dòng)力定位原油轉(zhuǎn)駁船（Ｎ６９７－逡逑ＣＴＶ）等陸續(xù)投入使用。盡管我國在動(dòng)力定位技術(shù)的研究取得了一定的成果，但在理論逡逑研究與實(shí)際應(yīng)用之間存在較大差距，大多數(shù)關(guān)鍵技術(shù)仍依賴于國外。逡逑

國內(nèi)自２０世紀(jì)７０年代開始研究動(dòng)力定位技術(shù)，但大多數(shù)研究單位尚處于理論研究或逡逑試驗(yàn)研究階段。哈爾濱工程大學(xué)自１９８３年開始研究船舶動(dòng)力定位技術(shù)，并在１９９７年成功逡逑研制了我國第一套裝備水面的動(dòng)力定位系統(tǒng)［７１。２００９年８月，中國船舶工業(yè)集團(tuán)７０８研究逡逑所首次成功設(shè)計(jì)了世界最先進(jìn)的ＤＰ－３級(jí)動(dòng)力定位系統(tǒng)，獲得了中國船級(jí)社和美國船級(jí)社逡逑的認(rèn)可，并通過了故障模式與影響分析的全面驗(yàn)證［８］。２０１２年５月，我國首座自主設(shè)計(jì)、逡逑建造的第六代深水半潛式鉆井平臺(tái)“海洋石油９８１邋”建造成功，配備了目前世界上最先進(jìn)逡逑的ＤＰ－３動(dòng)力定位控制系統(tǒng)，能夠在深海中精確定位［９］。２０１４年１０月，哈爾濱工程大學(xué)牽逡逑頭研發(fā)的“ＤＰ－３動(dòng)力定位系統(tǒng)研制”項(xiàng)目通過了工信部驗(yàn)收，實(shí)現(xiàn)了我國ＤＰ－３動(dòng)力定位逡逑系統(tǒng)“零”的突破［１Ｇ］。近幾年，我國在動(dòng)力定位船舶設(shè)計(jì)和建造均有較大的突破，如首逡逑艘動(dòng)力定位自航工程船“華海龍”號(hào)、首艘３邋０００米級(jí)動(dòng)力定位深水鋪管起重船“海洋石逡逑油２０１”、首艘動(dòng)力定位挖溝船“海洋石油２９５”、首艘深海動(dòng)力定位原油轉(zhuǎn)駁船（Ｎ６９７－逡逑ＣＴＶ）等陸續(xù)投入使用。盡管我國在動(dòng)力定位技術(shù)的研究取得了一定的成果，但在理論逡逑研究與實(shí)際應(yīng)用之間存在較大差距，大多數(shù)關(guān)鍵技術(shù)仍依賴于國外。逡逑

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號(hào)：2742510