船舶非線性模型預(yù)測環(huán)境最優(yōu)動力定位控制研究.pdf

1、隨著人們在海洋中的工程作業(yè)活動越來越多，人們對船舶動力定位技術(shù)越來越重視。長期運行在海洋中的動力定位船舶或設(shè)備所消耗的能量與排放的廢氣不可忽視。本文以水面動力定位船舶為對象，針對其具有非線性、大遲滯、強耦合等特點，研究了基于非線性模型預(yù)測控制的環(huán)境最優(yōu)動力定位控制算法，減少了燃料的消耗，降低機械磨損，實現(xiàn)節(jié)能減排的目的。本文的主要工作內(nèi)容如下：
　　1.為更精確描述海洋環(huán)境中船舶的運動特性，兼顧船舶的操縱性和耐波性，建立了6自由度

2、的船舶統(tǒng)一數(shù)學(xué)模型以及風(fēng)、浪、流環(huán)境干擾的數(shù)學(xué)模型。首先，建立了船舶運動特性研究用的參考坐標(biāo)系；其次，將船舶的所有作用力疊加，建立了船舶的統(tǒng)一數(shù)學(xué)模型；然后，建立海風(fēng)、海浪以及海流三種環(huán)境干擾的數(shù)學(xué)模型；最后，以S175船舶為研究對象，仿真出了船舶模型驗證試驗結(jié)果。
　　2.設(shè)計了基于非線性模型預(yù)測控制算法的船舶動力定位控制器。首先，介紹了非線性模型預(yù)測控制算法運用的李導(dǎo)數(shù)的相關(guān)數(shù)學(xué)基礎(chǔ)；其次，將所建立的六自由度仿真用船舶統(tǒng)一數(shù)學(xué)

3、模型，推導(dǎo)簡化成三自由度控制用數(shù)學(xué)模型；之后，設(shè)計了非線性濾波器，又設(shè)計了環(huán)境觀測器；然后，設(shè)計了基于解析非線性模型預(yù)測算法的動力定位控制器，并借助 Lyapunov穩(wěn)定性定理闡述了動力定位控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性；最后，進行仿真試驗驗證了船舶控制器的有效性。
　　3.研究不同的環(huán)境最優(yōu)控制策略，并設(shè)計基于非線性模型預(yù)測控制的環(huán)境最優(yōu)動力定位控制器。首先，研究了環(huán)境最優(yōu)艏向控制策略，包括零側(cè)推控制策略和零艏搖力矩控制策略；然后，選用零側(cè)推

4、控制策略，分別設(shè)計了零功耗風(fēng)向標(biāo)控制器（ZPC-W）與環(huán)境最優(yōu)動力定位控制器（WOPC）以及基于環(huán)境估計的環(huán)境最優(yōu)動力定位控制器；最后，進行了仿真對比試驗，驗證了環(huán)境最優(yōu)動力定位控制器在節(jié)能減排方面的有效性。
　　通過以上研究，實現(xiàn)了基于非線性非線性模型預(yù)測算法的不同策略下的環(huán)境最優(yōu)動力定位技術(shù)，通過仿真結(jié)果證明，所研究的方法使動力定位船舶在節(jié)能減排方面獲得了較大的收益?？梢姡疚牡难芯繉ξ磥韯恿Χㄎ淮暗睦碚撗芯亢凸こ虒嶋H應(yīng)用，