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环境最优船舶区域动力定位方法研究

作　者: 谢笑颖
导　师: 付明玉
学　校: 哈尔滨工程大学
专　业: 控制理论与控制工程
关键词: 动力定位 环境最优艏向 区域定位 非线性控制 预测控制
分类号: U661
类　型: 硕士论文
年　份: 2010年
下　载: 88次
引　用: 3次
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内容摘要


对于长时间在海上作业动力定位船舶,有时工作在一个限定的区域内,此时,船舶的能耗是这类船舶最关注的问题之一,本文研究的环境最优区域动力定位技术,就是针对这个问题所设计的,目的是降低能源消耗,减少有害气体排放。由此可见,对环境最优区域动力定位控制的研究具有重大的实际意义。针对环境最优区域动力定位控制技术,本论文采用在不同的环境条件寻找到相应的船舶最佳艏向的优化策略,然后在保持最佳艏向的情况下,再对船舶的状态进行预测,使其保持在限定的区域内运动。本文的环境最优艏向控制器采用环境最优位置控制的思想,令船舶以固定的半径和很小的回转速度做定常回转运动,运动过程中不断判断船舶的补偿环境力的侧推力和艏摇力矩是否为零,最后利用反步法设计一个带有积分环节的环境最优艏向非线性控制器,使船舶能够自动判断当前状态,自动寻找最佳艏向;本文的区域定位控制器设计中以使用滚动优化策略的进行动态控制的原则,以多变量广义预测控制技术为起点,结合动力定位船舶的三自由度数学模型进行推导,得出合适的预测控制所需要的控制模型,参考综合预测控制技术对非线性和约束的处理,构建动态控制器。本文以动力定位船舶三自由度数学模型为仿真模型,通过分析环境最优艏向控制器的仿真试验数据曲线,实现了船舶自动寻找环境最优艏向的功能,在实现环境最优艏向的基础上,进行区域定位控制研究,通过对比分析非环境最优区域动力定位控制和环境最优区域动力定位控制两个仿真试验的数据曲线,验证了环境最优区域动力定位控制满足降低能耗的控制目标。

全文目录


摘要  5-6
Abstract  6-9
第1章 绪论  9-13
  1.1 论文选题的背景及重要意义  9-10
  1.2 国内外对本课题的研究  10-11
  1.3 本文研究的主要内容  11-13
第2章 船舶动力定位系统的数学模型的建立与仿真  13-40
  2.1 引言  13
  2.2 建立船舶运动模型  13-21
    2.2.1 操纵方程  14-19
    2.2.2 水动力项的求取  19-21
  2.3 动力定位系统中的船舶高、低频运动模型  21-23
    2.3.1 船舶低频运动模型  22
    2.3.2 船舶高频运动模型  22-23
  2.4 推进器模型  23-29
    2.4.1 螺旋桨计算模型  23-26
    2.4.2 舵计算模型  26-29
  2.5 环境干扰力的数学模型  29-36
    2.5.1 风数学模型  29-32
    2.5.2 海流数学模型  32-34
    2.5.3 海浪数学模型  34-36
  2.6 船舶模型仿真验证  36-39
    2.6.1 本文采用的船舶模型  36-37
    2.6.2 仿真船舶的模型验证  37-39
  2.7 本章小结  39-40
第3章 环境最优艏向控制  40-54
  3.1 引言  40
  3.2 最优艏向的获得方法  40-42
  3.3 控制系统非线性数学模型  42-46
    3.3.1 坐标变换  42-44
    3.3.2 船舶的运动方程  44
    3.3.3 环境作用力模型  44-46
  3.4 环境最优艏向控制方法研究  46-49
    3.4.1 非线性控制规律  46-48
    3.4.2 带有积分环节的非线性控制规律  48-49
  3.5 环境最优艏向控制仿真试验及分析  49-52
    3.5.1 仿真1  50-51
    3.5.2 仿真2  51-52
  3.6 本章小结  52-54
第4章 环境最优区域动力定位控制  54-72
  4.1 引言  54
  4.2 广义预测控算法术基本原理  54-60
    4.2.1 预测控制的基本思想  54-55
    4.2.2 广义预测的预测模型  55-57
    4.2.3 广义预测控制的目标函数和约束  57-60
  4.3 有约束多变量时变系统的广义预测控制方法研究  60-65
    4.3.1 动力定位系统中的约束  60
    4.3.2 基于GPC 方法实现DP 系统约束处理的原理  60-65
  4.4 MPC 区域定位控制系统仿真试验及分析  65-71
    4.4.1 区域定位控制仿真  66-68
    4.4.2 基于最优艏向的区域定位控制仿真  68-71
  4.5 本章小结  71-72
结论  72-74
参考文献  74-77
攻读硕士学位期间发表的论文和取得的科研成果  77-78
致谢  78

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中图分类: > 交通运输 > 水路运输 > 船舶工程 > 船舶原理
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