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半潜船动力定位系统推力分配仿真研究

作　者: 郭鹏威
导　师: 高海波; 陈辉
学　校: 武汉理工大学
专　业: 轮机工程
关键词: 动力定位 模糊控制 推力分配 序列二次规划算法 MATLAB
分类号: U664.3
类　型: 硕士论文
年　份: 2012年
下　载: 157次
引　用: 1次
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内容摘要


海洋蕴藏着人类可以利用的丰富自然资源,随着陆地石油等能源的逐渐枯竭,人类对海洋资源的依赖也快速增加。为了开采海洋资源,尤其是深海油气,不受水深限制的船舶或海洋平台的动力定位系统成为研究的热点。动力定位系统是一种船舶在控制系统的作用下,依靠自身的动力抵抗外界的风、浪、流等干扰,保持船舶处在一定位置和艏向的闭环系统。其中推力分配系统是其重要组成部分,它的作用是将动力定位控制系统输出的期望力和力矩分配多个推进器,从而使各个推进器产生满足这一期望力和力矩的推力和推力方位。推力分配问题可归结为一个约束非线性优化问题,推力分配的优化,在减小系统误差、降低油耗和减少推进器磨损等方面发挥着积极作用。本文主要针对船舶动力定位系统的推力分配进行了仿真研究,建立了动力定位系统推力分配的数学模型,并对船舶动力定位系统推力分配进行了仿真分析。同时,为了验证本文提出的基于SQP方法的推力分配算法在船舶动力定位中的推力分配效果,本文对船舶运动模型进行了验证,并设计了船舶动力定位系统模糊运动控制器,最终对推力分配算法在船舶动力定位中的应用进行了仿真分析。本文的主要工作如下：1)介绍了分离型船舶运动模型的建模思想和求解方法,分析并给出了船舶受到的环境干扰力模型和近似估算方法,在此基础上通过船舶回旋试验和Z型操舵试验验证了船舶运动模型的有效性。2)对推力分配问题进行了简单的概述,根据推力分配问题的目标函数和约束条件总结出多目标推力分配问题的数学模型。同时,详细介绍了解决推力分配问题的序列二次规划数学方法。在此基础上,利用MATLAB平台对仿真母型船推力分配问题进行了仿真。3)介绍了模糊控制的基本原理和模糊控制器设计的基本步骤,利用MATLAB模糊推理系统设计了船舶动力定位系统的模糊运动控制器。4)根据船舶运动模型和风、浪、流干扰模型以及本文设计的船舶动力定位系统模糊运动控制器,对基于SQP方法的推力分配算法进行了某一海况下的循迹航行运动仿真,得到船舶三自由度上位置和艏向变化曲线以及各推进器的推力和角度变化曲线,验证了本文推力分配算法的有效性。

全文目录


摘要  4-5
Abstract  5-9
第1章 绪论  9-20
  1.1 课题背景及意义  9-10
  1.2 船舶动力定位系统概述  10-13
    1.2.1 动力定位系统的组成  10-13
    1.2.2 动力定位系统的主要功能  13
  1.3 国内外相关问题研究状况  13-17
    1.3.1 动力定位系统的研究状况  13-15
    1.3.2 动力定位控制策略的研究状况  15-16
    1.3.3 动力定位推力分配算法研究状况  16-17
  1.4 本文的研究目的和研究内容  17-19
    1.4.1 研究目的  17-18
    1.4.2 研究内容  18
    1.4.3 文章结构  18-19
  1.5 本章小结  19-20
第2章 船舶运动模型与海况模型  20-43
  2.1 船舶运动模型  20-30
    2.1.1 船舶运动坐标系  20-21
    2.1.2 船舶操纵方程  21-23
    2.1.3 船舶运动参量的无量纲化  23-24
    2.1.4 水动力模型  24-30
  2.2 环境干扰力模型  30-36
    2.2.1 风干扰力数学模型  31-34
    2.2.2 波浪干扰力数学模型  34-35
    2.2.3 流干扰力数学模型  35-36
  2.3 船舶运动模型的验证  36-42
    2.3.1 “泰安口”号半潜船仿真模型参数  36-38
    2.3.2 “泰安口”号半潜船运动模型仿真实验  38-42
  2.4 本章小结  42-43
第3章 动力定位系统最优推力分配算法  43-62
  3.1 推力分配问题的数学模型  43-47
    3.1.1 推力分配概述  43
    3.1.2 推力分配目标函数  43-45
    3.1.3 推力分配约束条件  45-46
    3.1.4 推力分配数学模型  46-47
  3.2 序列二次规划算法  47-53
    3.2.1 最优性条件  47-48
    3.2.2 牛顿拉格朗日法  48-49
    3.2.3 基于Lagrange函数的Hesse阵的SQP方法  49-50
    3.2.4 基于修正Hesse阵的SQP方法  50-53
  3.3 推力分配仿真  53-61
    3.3.1 单目标推力分配  54-56
    3.3.2 多目标推力分配  56-59
    3.3.3 推进器故障情况下的推力分配  59-61
  3.4 本章小结  61-62
第4章 推力分配算法在船舶动力定位中的仿真分析  62-77
  4.1 引言  62-63
  4.2 模糊控制的基本原理  63-71
    4.2.1 模糊控制的概念和特点  63-64
    4.2.2 模糊控制器的结构  64-65
    4.2.3 模糊控制器设计流程  65-71
  4.3 船舶动力定位系统模糊控制器设计  71-72
  4.4 仿真分析  72-76
  4.5 本章小结  76-77
第5章 总结与展望  77-79
  5.1 全文总结  77
  5.2 工作展望  77-79
参考文献  79-82
致谢  82

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中图分类: > 交通运输 > 水路运输 > 船舶工程 > 船舶机械 > 船舶推进装置
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