船舶动力定位海洋环境风力扰动仿真

在海洋环境对船舶动力定位系统影响的研究中,动力定位系统控制器的优化设计,可保证船舶控制系统的稳定性和跟踪精度。为了有效地量化风力扰动对动力定位船舶的影响,建立风力扰动的数学模型,根据Harris风速变动功率谱和一种新型风压系数计算方法,基于Matlab软件平台建立关于风力扰动的仿真平台,可应用于模拟任意风速和风向条件下的海洋环境对动力定位船舶的风扰动力和力矩。以一艘供给船为例,设定不同的风速、风向角值,在所建立仿真平台上进行仿真计算,仿真结果证明风力扰动建模策略的有效性,仿真平台可用于船舶动力定位系统控制器设计的仿真验证,具有很好的通用性、实时性和逼真性。     

带有推进器故障的船舶动力定位系统的鲁棒滑模容错控制

由于海洋工作环境具有复杂性和不可预测性,船舶动力定位系统的可靠性一直备受关注.针对带有推进器故障的船舶动力定位系统的鲁棒容错控制问题展开研究.首先,建立更一般且统一的推进器故障模型,该模型能全面描述推进器失效、卡死、中断3种故障情形;然后,设计一种不依赖故障检测模块(FDI)和故障信息上下界的自适应滑模控制器, 其中自适应机制用于在线估计故障信息和未知外部扰动的上界,基于李雅普诺夫稳定性理论和滑模控制理论,所设计的自适应滑模控制器能保证船舶动力定位系统在有推进器故障发生和海洋环境外部有界扰动存在情况下的所有信号一致有界;最后,在一艘过驱动船舶模型上进行仿真,其结果验证了所设计方法的有效性.     

船舶动力定位系统非线性Kalman滤波器的设计

针对船舶动力定位系统的非线性数学模型,设计了一个非线性Kalman滤波器,实现在线对非线性系统的状态量进行最优估计。为保证滤波器的稳定性和精确性,讨论了测量粗差在非线性滤波器中如何校正。然后,对所设计的非线性滤波器进行仿真分析,仿真结果表明该非线性Kalman滤波器具有良好的状态估计和滤波性能,且船舶运动状态估计值收敛于实际值,验证了所设计滤波器应用在船舶动力定位系统的有效性。     

非线性船舶动力定位系统反步控制器设计

针对船舶动力定位系统中数学模型具有耦合、非线性、不稳定等特点,设计了一种基于反步法的非线性输出反馈控制器。首先,采用反步法原理引进位置误差和速度误差并定义了两个子系统的虚拟控制状态向量,结合供给船舶模型建立的非线性数学模型,提出了船舶非线性动力定位系统的控制算法,设计了输出反馈控制器。然后,通过李雅普诺夫(Lyapunov)稳定性理论验证了所设计的控制器具有全局渐近稳定性。最后,针对定位性能和轨迹跟踪性能做了仿真分析,验证了该控制方法的有效性。     

船舶动力定位系统的精细抗干扰控制

船舶在航行过程中不可避免地受到海平面上多种干扰的影响.动力定位(DP)是一种船舶在受到外界干扰的情形下依然能够保持在一定位置或沿固定轨迹航行的技术.与传统的锚定位方法相比,DP技术具有机动性强、可深海作业、定位精度高等优点.针对带有慢变环境干扰和复杂非线性项的船舶动力定位系统,研究其精细抗干扰控制问题.首先,利用模糊逻辑系统逼近船舶动力定位系统中的复杂非线性项.其次,通过构造自适应干扰观测器(ADO)来估计部分信息已知的慢变环境干扰.在此基础上,将基于干扰观测的控制(DOBC)与模糊控制算法相结合,提出基于复合分层抗干扰控制框架的精细抗干扰控制(EADC)策略,从而实现船舶动力定位系统的高精度抗干扰控制.最后,基于供给船模型的仿真研究验证所提控制策略的有效性.     

船舶动力定位非线性自适应反步控制器设计

针对扰动不确定非线性船舶动力定位问题,提出了一种带观测器的不确定扰动非线性船舶动力定位自适应输出反馈控制.设计了一个非线性观测器,从附有噪声的输出中估计出船舶位置以及运动速度.用滤波后的位置信号,针对扰动不确定非线性船舶设计带观测器的自适应反步控制器,该控制在Backstepping设计方法的基础上引入积分环节,对存在未知参数和动态不确定扰动的船舶能有效的改善系统性能.根据Lyapunov稳定性理论证明所设计的控制器是全局渐近稳定的,仿真结果验证了该方法的有效性.     

半潜式平台动力定位系统优化控制器设计

基于滚动优化机制,设计了随机波上的非线性半潜式平台动力定位系统控制器;基于最优预测机制,将每个控制周期内的半潜式平台动力定位系统控制器设计问题转化为一个带约束的非线性优化问题求解;基于系统演化方程的迭代公式,消去目标函数中状态变量,获得非线性优化问题的非线性约束表达式;给出示例说明了该控制器设计过程,仿真验证了该控制策略和控制器的有效性。     

基于FAL函数滤波的动力定位自抗扰控制器设计

针对动力定位系统数学模型不够精确,而且具有很强的非线性特性问题,采用自抗扰控制算法设计其控制器.该控制算法无需精确的数学模型,主要利用扩张状态观测器估计船舶运动位置、速度和总扰动,最后通过反馈控制对其进行补偿,从而实现船舶动力定位的精确控制.但实际工程中,船舶的测量系统的测量噪声是难以避免的,为了避免测量噪声的影响,针对所设计的扩张状态观测器采用FA L函数滤波器,在测量信号进入扩张状态观测器之前进行滤波,以减小测量噪声的影响.从而使得其反馈控制更加精确.最后以一艘供给船为例进行仿真分析,验证了所设计非线性控制器的有效性和鲁棒性.     

船舶无刷发电机励磁控制系统的数字仿真

在船舶发电机性能优化控制问题的研究中,无刷发电机励磁控制系统能改善船舶电力系统的电压稳定性.由于输电线路受负载扰动,影响电网的稳定性.为了提高电网性能,在各单元数学模型的基础上进行分块数字建模,采用船舶常用的相复励与PID结合的控制策略,用控制器为核心的闭环励磁控制模型建立仿真系统.根据实际系统设置参数,仿真扰动和故障工况.仿真结果反映了船舶无刷发电机励磁控制系统的动态性能和故障特征,证明了仿真模型和方法的正确性,可用于船舶励磁控制系统的设计调试和性能评估.     

基于高增益观测器的船舶动力定位系统的输出反馈控制

针对动力定位船舶的速度向量不可测的问题, 考虑外部环境扰动, 将高增益观测器、动态面控制技术和矢量backstepping方法相结合, 设计仅依赖于船舶位置和艏摇角测量值的船舶动力定位系统输出反馈控制律. 动态面控制技术的引入, 使控制律结构简单, 易于工程实现. 应用Lyapunov函数证明了所设计的控制律能迫使船舶的位置和艏摇角收敛于期望值, 并保证船舶动力定位输出反馈闭环系统所有信号均一致最终有界. 基于一艘供给船的仿真研究验证了所设计的基于高增益观测器的船舶动力定位输出反馈控制律的有效性.     

Robust dynamic ship positioning control system design and applications

This paper describes the robust control system design for a ship dynamic positioning system. The control design is based on an approximate linear model derived from the nonlinear hydrodynamic equations governing the horizontal motions of the ship. The nonlinear models of the ship, seawaves, current, wind and thrusters are derived and simulated for control design verification. The H_∞ control design technique is employed to design the controller. The control problem is formulated in state‐space form and the design specifications are translated into requirements on the weighting functions of the error signal and the thrusters input. A tuning procedure is proposed based on the wind and wave disturbances. The controller is initially tested on the nonlinear ship model and simulation results are presented to demonstrate the robustness of the H_∞ controller. Tank tests results are then presented to assess the controller performance. Copyright © 2001 John Wiley & Sons, Ltd.     

An application of dynamic positioning control using wave feed forward

The paper presents the results of model tests for a large tanker in which wave drift force feed forward was applied in the dynamic positioning control system. The estimation method of the nonlinear (second order) wave drift forces from the measurement of relative water motions at the side of a ship hull is presented. The estimated wave drift forces are used in the DP control system, to enhance the filter process of the extended Kalman filter, and in the required thruster set‐points. The EKF uses the nonlinear equations of low‐frequency ship motions on the horizontal plane, which are also presented. The results of the model tests show that the use of wave drift force feed forward significantly improves the positioning accuracy in sea states with 3.5 m significant wave height or higher. Copyright © 2001 John Wiley & Sons, Ltd.     

动力定位预测控制器船舶模型试验研究

使得船舶按照特定轨迹运动或者到达指定位置,并减少或者消除到达设定位置时的超调量是动力定位控制器研究中的关键问题。针对上述问题,运用预测控制的基本理论,结合自适应方法中的最小二乘辨识,设计了动力定位系统自校正预测控制策略。在MATLAB仿真中,该预测控制器有效解决了模型失配和系统超调的问题。为了进一步验证该预测控制器的实际控制效果,利用船舶模型对算法进行了动力定位定点模式下的水池模型物理试验。在直接使用仿真参数的情况下,船模试验的控制效果并不理想;参数修改后,动力定位效果有了极大改善。试验结果表明,在实际控制中,为保证控制效果,艏向角度的控制应占最高权重;不能忽视船舶运动时的耦合现象。     

柴油机自适应遗传非线性PID调速控制仿真

研究船用柴油机控制优化问题,柴油机调速要求快、稳、准。针对船用柴油机调速系统的时变、非线性及外界干扰等特点,传统PID调速稳定时间长,控制效果不佳。为提高喷油量达到控制准确度,改善调速系统性能,提出了一种柴油机自适应遗传非线性PID调速控制策略。采用Matlab对柴油机调速系统模型进行辨识并验证其准确性。利用非线性PID控制实现各参数增益的实时调整,提高了抗干扰能力,通过自适应遗传算法对系统的动态偏差进行监控,优化非线性PID控制器参数,减少了超调量,提高控制精度。仿真结果表明,采用自适应遗传非线性PID控制器稳定时间更短,鲁棒性强,控制精度更高,优化了柴油机调速系统性能。     

T–S fuzzy model with nonlinear consequence and PDC controller for a class of nonlinear control systems

In this paper a new Takagi–Sugeno (T–S) fuzzy model with nonlinear consequence (TSFMNC) is presented which can approximate a class of smooth nonlinear systems, nonlinear dynamical systems and nonlinear control systems. It is also proved that Takagi–Sugeno fuzzy controller with nonlinear consequence (TSFCNC) can be used to approximate a class of nonlinear state-feedback controllers using the so-called parallel distributed compensation (PDC) method. The inverted pendulum problem has been simulated with TSFCNC and compared with Takagi–Sugeno fuzzy controller with linear consequence (TSFCLC) and the results show that TSFCNC performs better than TSFCLC. A real-life example of dynamic positioning of ship is simulated and the results also show that TSFCNC performs better than TSFCLC.     

船舶轨迹跟踪半全局一致指数稳定观测控制器

针对仅位置和艏向可测量的动力定位船舶非线性输出反馈轨迹跟踪问题,在大地坐标系中,建立同时包含科里奥力向心力和非线性阻尼的非线性船舶操纵性模型.基于一种具有半全局一致指数稳定性的非线性观测器,提出船舶轨迹跟踪非线性 Backstepping 观测控制器,并应用 Lyapunov 方法证明该观测控制器具有半全局一致指数稳定性.理论分析和仿真结果均表明,通过调整控制器增益,系统误差指数收敛到零.     

Dynamic positioning of drilling vessels with a fuzzy logic controller

A fuzzy logic controller for dynamic positioning of drilling vessels in deep water is presented. The core of the fuzzy controller is a set of fuzzy associative memory (FAM) rules that correlate each group of fuzzy control input sets to a fuzzy control output set. A FAM rule is a logical if-then-type statement based on one's sense of realism and experience or can be provided by an expert operator. The design of the fuzzy controller is very simple and does not require mathematical modelling of the complicated nonlinear system based on first principles. The fuzzy controller uses measured vessel heading, yaw rate, distance and velocity of the vessel relative to the desired position (location and heading) to generate the control outputs to bring the vessel to and maintain it in the desired position. The control outputs include the rudder angle, propeller thrust and lateral bow thrust. The effectiveness and robustness of the fuzzy controller are demonstrated through numerical time-domain simulations of the dynamic positioning of a drill ship of Mariner Class hull with use of nonlinear ship equations of motions.