船舶动力定位非线性控制研究
基于非线性模型预测的船舶动力定位控制器设计
网 络 出 版地 址 ： ｈ ｔ ｔ ｐ ： ／ ／ ｗ ｗ ｗ ． ｃ ｎ ｋ ｉ ． ｎ ｅ ｔ ／ ｋ ｃ ｍ ｓ ／ ｄ ｅ ｔ ａ ｉ ｌ ／ ２ ３ ． １ ３ ９ ０ ． Ｕ ． ２ ０ １ ２ １ ２ ２ ６ ． １ ６ ３ ９ ． ０ ０ ５ ． ｈ ｔ ｍ ｌ
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Ｗ ＡＮＧ Ｙ ｕ ａ ｎ ｈ ｕ ｉ ，Ｓ ＵＩ Ｙ ｕ ｆ ｅ ｎ ｇ ，Ｗ Ｕ Ｊ ｉ ｎ ｇ
（ Ｃ ｏ ｌ ｌ ｅ ｇ ｅ ｏ ｆ Ａ ｕ ｔ ｏ ｍ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ ， Ｈ ａ ｒ ｂ ｉ ｎ Ｅ ｎ ｇ ｉ ｎ ｅ ｅ ｒ ｉ ｎ ｇ Ｕ ｎ ｉ ｖ ｅ ｒ ｓ ｉ ｔ ｙ ， Ｈ ａ ｒ ｂ ｉ ｎ １ ５ ０ ０ ０ １ ， Ｃ ｈ ｉ ｎ ａ ）
基 于 非 线性 模 型 预 测 的船舶 动 力定 位 控 制器 设 计
王元 慧 ，隋 玉峰 ，吴 静
（ 哈 尔滨 工程 大 学 自动 化 学 院 ， 黑 龙 江 哈 尔滨 １ ５ ０ ０ ０ １ ）
动力定位系统发展状况及研究方法
四、结论与建议
3、加强人才培养和队伍建设。通过加强人才培养和引进高素质人才，建立专 业化的研发和运维团队，为动力定位系统的可持续发展提供有力保障。
四、结论与建议
4、拓展应用领域和市场。积极探索动力定位系统在其他领域的应用，如水上 运动、环保工程等，拓展新的市场和应用领域。
参考内容
内容摘要
随着全球定位系统（GPS）的不断发展，船舶动力定位系统（Dynamic Positioning System，DPS）已经成为海洋工程领域中不可或缺的一部分。然而， 船舶在复杂海况下易受风、浪、流等多种因素影响，使船舶位置和姿态难以保持。 为了解决这个问题，多传感器信息融合技术被引入到船舶动力定位系统中，以提 高船舶定位和姿态控制的精度。
2、基于神经网络的信息融合方 法
2、基于神经网络的信息融合方法
神经网络是一种模拟人脑神经元结构的计算模型，具有强大的非线性映射能 力和自学习能力。在船舶动力定位系统中，神经网络可以用于实现对船舶位置、 姿态等参数的估计和预测。常用的神经网络包括多层感知器（MLP）、递归神经 网络（RNN）和卷积神经网络（CNN）等。
二、动力定位系统的发展过程
1、初期发展
1、初期发展
动力定位系统的初期发展始于20世纪60年代，当时该技术主要应用于海洋石 油钻井平台。随着技术的不断发展，动力定位系统的应用范围也逐渐扩大，包括 海洋工程、海洋科学、水下考古等多个领域。
2、技术更新换代
2、技术更新换代
随着技术的不断进步，动力定位系统的性能得到了大幅提升。从最初的机械 式稳定平台到现在的计算机控制的动力定位系统，其技术更新换代迅速。近年来， 随着人工智能、物联网等技术的不断发展，动力定位系统的智能化、自动化程度 也越来越高。
船舶动力定位控制系统的非线性观测器设计
船舶动力定位控制系统的非线性观测器设计I. 引言- 船舶动力定位控制系统的背景和意义- 国内外研究现状和存在的问题- 本文研究的目的和意义II. 船舶动力定位控制系统的建立- 船舶动力学建模- 动力定位控制系统的结构- 基础控制结构设计III. 非线性观测器的理论基础- 观测器的基本概念和原理- 非线性观测器的设计方法- 非线性观测器在船舶动力定位控制系统中的应用IV. 船舶动力定位控制系统的非线性观测器设计-系统状态变量的选取-非线性观测器的结构设计-观测器参数的选择与优化V. 仿真实验-建立系统仿真模型-基于MATLAB/Simulink的仿真实验-仿真实验结果分析和讨论VI. 结论与展望-论文研究工作的总结-对船舶动力定位控制系统及非线性观测器设计的展望和未来研究方向参考文献第一章节：引言船舶行业的发展对动力定位控制系统提出了更高的要求，这种系统能够帮助船舶在特定的水域内定位和轨迹跟踪。
随着科技的发展，船舶是越来越无人化、自主化，对其精确控制的需求也越来越强烈，尤其是在精细作业、海上勘探、水文测量等方面。
因为船舶受到海上环境因素的影响，如风、浪、潮流等，因此定位和轨迹跟踪的精度受到影响。
为了克服这些影响，可以使用动力定位控制系统，该系统能够控制和维持船舶的位置和航向，从而实现更高的精度和稳定性。
近年来，随着非线性系统控制理论的发展，非线性观测器已经成为机器人控制、制造、气动航天及船舶动力定位控制系统等领域的研究热点之一。
该方法通过预测先验对被隐含的、不可测的状态进行估计，从而提高系统控制性能。
然而，在船舶动力定位控制系统的应用中，非线性观测器的研究还存在很多问题。
因此，本文旨在探讨船舶动力定位控制系统的非线性观测器设计，提出一种基于非线性观测器的船舶动力定位控制系统，以提高其定位和轨迹跟踪的精度和稳定性。
通过建立系统模型和非线性观测器的设计，本研究将有望对船舶动力定位控制系统的发展做出贡献。
航行船舶的非线性水弹性理论与应用研究的开题报告
航行船舶的非线性水弹性理论与应用研究的开题报告一、选题背景及意义随着船舶技术的发展和航行条件的多样化，船舶水弹特性成为研究的重要方向之一。
由于船舶在波浪作用下的运动是非线性的，因此进行非线性研究可以更加准确地描述船舶的运动和水动力特性。
同时，船舶的水弹特性对于船舶的结构设计、性能评估和海洋工程问题等方面都有着非常重要的意义。
二、研究内容本课题旨在研究航行船舶非线性水弹性理论与应用，具体研究内容包括：1. 航行船舶运动方程的推导与建立，包括船舶的六自由度运动方程和波浪方程等。
2. 船舶非线性水弹力学特性的研究，包括船舶的各种非线性因素对水动力特性的影响等。
3. 船舶水动力性能的评价与分析，包括船舶的阻力、功率和速度等性能指标的计算和分析。
4. 船舶运动的数值模拟与实验验证，包括采用数值计算方法对船舶水动力性能进行模拟和仿真，以及实验验证等。
三、研究方法本课题主要采用理论分析、数值计算和实验验证相结合的方法进行研究。
具体包括：1. 应用流体力学基础理论和方法，对船舶的水弹特性进行理论分析和建模。
2. 采用计算流体力学方法，建立数值模型对船舶的水动力特性进行数值模拟和计算。
3. 进行船舶水动力性能实验，验证数值模拟的准确性和可靠性。
四、预期成果通过本课题的研究，预期能够得到以下成果：1. 深入理解船舶非线性水弹性理论及其应用领域的研究现状和发展趋势。
2. 建立航行船舶水弹模型，对船舶的水动力特性进行研究和分析。
3. 发现非线性因素对船舶水动力性能的影响规律，为船舶设计和海洋工程问题等提供重要理论依据。
4. 提供船舶水动力性能的数值模拟分析方法和技术支持，为船舶航行安全和效率提供技术保障。
五、可行性分析本课题的研究涉及到流体力学、应用数学、国际贸易等多个领域的知识，需要具备扎实的理论基础和实验技能。
此外，还需要掌握相关的数值计算方法和软件工具，并具备一定的工程应用实践经验。
综合考虑，本课题的研究具有较高的可行性和实现可行性。
船舶航向检测与动力定位控制方法研究
（保密的学位论文在解密后适用本承诺书）
作者签名： 日 期：
南京航空航天大学硕士学位论文
摘要
船舶动力定位系统通过船舶自身的推力来抵抗风、浪、海流等环境干扰力，从而使船舶在 海面上保持一定的位置和方向。该系统具有不受水深限制、部署迅速和撤离迅速等优点，同时 又能够使船舶实现较为精确的机动。因此，对于大多数在海上作业的船舶来说，动力定位系统 是必要的支持系统。为了提高船舶动力定位系统的性能，本文对船舶航向检测以及动力定位控 制方法展开了研究。
本文为实现船舶的动力定位控制，首先利用微分同胚变换将船舶的位置变量变换到随船坐 标系中，实现多变量耦合状态的初步解耦，并对系统之间的相互影响进行了稳定性分析，分析 结果使得在控制器设计中只考虑低阶本质非线性子系统的状态收敛性即可，由此简化了控制器 的设计，最后利用反步法设计了船舶动力定位系统的控制器，并与所设计的非线性无源观测器 相结合，实现了船舶动力定位控制的全局渐近稳定，并可使部分状态以指数速率收敛于系统的 平衡点。仿真试验表明，所设计的控制器在不同海况下均具有良好的效果。
A Thesis in Detection Technology and Automatic Device
船舶动力定位系统的自抗扰控制研究
船舶动力定位系统的自抗扰控制研究一、内容概览随着全球经济的快速发展和国际贸易的日益频繁，船舶作为重要的运输工具在各个领域发挥着举足轻重的作用。
然而船舶在海上航行过程中，面临着恶劣的海洋环境和复杂的气象条件，这对船舶的安全和稳定运行提出了严峻的挑战。
为了提高船舶的航行性能和安全性，船舶动力定位系统(Dynamic Positioning System,DPSS)作为一种先进的导航技术，已经在船舶上得到了广泛应用。
然而由于船舶动力定位系统的复杂性和实时性要求，其在实际运行过程中可能会受到各种干扰因素的影响，从而导致定位精度下降、系统故障等问题。
因此研究船舶动力定位系统的自抗扰控制具有重要的理论和实际意义。
本文主要围绕船舶动力定位系统的自抗扰控制展开研究，首先分析了船舶动力定位系统的基本原理和工作流程，然后探讨了船舶动力定位系统在实际运行过程中可能遇到的干扰源及其对系统性能的影响。
在此基础上，提出了一种基于模型预测控制(Model Predictive Control,MPC)的自抗扰控制方法，并通过仿真实验验证了该方法的有效性。
针对船舶动力定位系统的自抗扰控制问题，提出了一些改进措施和未来研究方向。
A. 研究背景和意义随着全球经济的快速发展，航运业作为国际贸易的重要载体，其在世界经济中的地位日益凸显。
然而航运业面临着诸多挑战，如船舶运营成本的不断上升、航行安全问题、环境保护要求等。
为了应对这些挑战，提高船舶运输效率和安全性，船舶动力定位系统(DPSS)作为一种先进的船舶自主导航技术，正逐渐成为航运业的研究热点。
船舶动力定位系统是一种利用卫星信号实现船舶精确定位的技术，它可以为船舶提供实时、准确的三维位置信息，从而使船舶能够自动调整航向、速度等参数，实现自主导航。
自抗扰控制是船舶动力定位系统的核心技术之一，它通过对系统内部环境的变化进行预测和识别，采取相应的控制策略，以保证系统的稳定性和可靠性。
研究船舶动力定位系统的自抗扰控制具有重要的理论意义和实际应用价值。
船舶动力定位非线性预测控制器的设计
上式 中 栅 为推 进 器 推 力 ，
为 环 境 作 用力 ，
为惯量 矩 阵 ， 且 Ｍ ＝ＭＴ ＞０ ； Ｄ 表 示 线 性 水 动 力
阻尼系数 ； Ｅ 是Ｃ ａ ） 的幅值 ， ∞ 。 是零均值 白噪声。高
频运 动部 分采 用 如下模 型 ：
自适应控制 ， 神经网络控制等等。
本 文 采用 非线 性 船 舶 系 统模 型 ， 运用 估 计 滤 波 方 法 和先 进广 义预 测 控 制 （ Ｇ Ｐ Ｃ） 理论 ， 设 计 了船 舶
为描 述 船 舶 的 水 平 运 动 ， 建立坐标 系如 图 ２ 。
其 中 Ｅ 为 固定 坐标 系 ， ｘ ０ ｙ为 随船 坐标 系 ， 随船 坐 标系 以船 舶重 心 ０作 为原 点 。两坐 标 系的相互 转换 关系为 ： ＝Ｊ （ ） 。
（ ３ ）
慢的 ， 环境力模型采用以下估计形式 ：
ｂ＝一Ｔ ｂ＋Ｅ ６ Ｃ ａ ） ６
本文中使用 Ｃ Ａ Ｒ Ｉ Ｍ Ａ模型作为 Ｇ Ｐ Ｃ预测模 型。
即“ Ｃ ｏ ｎ ｔ ｒ ｏ ｌ ｌ ｅ ｄ Ａｕ ｔ ｏ—Ｒｅ ｇ ｒ ｅ ｓ ｓ ｉ ｖ ｅ Ｉ ｎ ｔ ｅ ｇ ｒ ａ ｔ ｅ ｄ Ｍｏ ｖ —
动力定位非线性广 义预测控 制器。经过 系统仿真 验证 ， 控制器具有较 强的鲁棒性 和适 应性 ， 控制效
果 较好 。
１ 非 线性数学模型
船舶在风、 浪、 流， 共 同作 用 下 有 六个 自由度 运
动（ 如图 １ ） 。 由于 纵 摇 ， 横 摇 和 升沉 对 船 舶 水 平 面
２ ０ １ ２年 １ Ｏ月 １ ５日收到 ， ｌ １ 月２ ３日 修改 第一作者简介 ： 王泽远 （ １ ９ ８ ７ 一） ， 男， 河南焦作人 ， 硕 士研究生 ， 主要 研究方 向： 船 舶 动力 定 位 非 线 性 预 测 控 制器 。Ｅ — ｍ ａ ｉ ｌ ： ７ ７ ２ ６ ５ ８ ７ ０ ９
船舶动力系统的定位控制技术探讨
船舶动力系统的定位控制技术探讨作者：张荣伟来源：《智富时代》2019年第03期【摘要】船舶动力系统的运行速度与外部环境、控制工艺等有关系，对动力系统进行定位考虑的环节，作业人员研究动态面控制工艺、实时检测等技术运用要领，根据输出反馈规律，将动态面控制工艺引入至系统动力定位中，便于实时掌握船舶位置。
借助系统自身对风浪的抵御能力，利用动力定位技术在海面长时间保持精确稳定轨迹，目前船舶定位技术在海底管道铺设和海上救援等工作中得到广泛运用。
【关键词】船舶；动力系统；定位控制一、船舶动力系统的介绍为克服船舶运行中的技术限制，根据船舶动力系统自身的运行特点，采取一种抗干扰、抗风浪等的综合措施，借助稳定的动力系统让船舶在航行中保持路线稳定。
动力系统定位系统具有精度高、速度快、实用性强、可靠性高等优势，这有助于海洋开发。
当前船舶动力定位系统是由测量、控制、推力装置等部分构成，可实现有效的动力控制及推力功能，控制器在系统定位中具有不可忽视的作用。
二、动力系统及定位技术运用反馈系统设计：为促进定位系统内信息的快速反馈，船舶航行工作人员及时考虑海上环境对定位系统运行的影响，借助观测器来实现传播动态信息控制，依据定位反馈系统规律，及时设置船舶位置期望值，进行设想，以此快速了解船舶位置最大误差。
采用动态控制的思想，注重对控制指标的分析，掌握滤波器工作状态，有效简化反馈系统控制流程，考虑船舶系统的输出量，利用高性能的观测器测量某一船舶的运行速度，在设定时间的情况下，科学估测其运行速度。
参数优化：动力系统是整个船舶安全运行的关键，为有效抵御外界环境干扰，及时构建由测量装置、推进器装置、控制系统构成的新型动力系统。
下图所示为某船舶动力控制装置框架。
模糊控制：运用模糊控制理论指导动力系统设计，了解系统输出量、控制性能等各个信息，借助外载负荷建立动力系统稳定系统，强化参数设计，使用传感器快速获取相应的风向信号，明确外载荷载的前提下，科学估测外载荷载对船舶整个动力装置产生的影响。
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船舶动力定位非线性控制研究
船舶动力定位是指船舶依靠自身推进系统产生的动力,抵抗由浪、流、风引起的海洋环境扰动的影响,以一定姿态定位于海面某目标位置或沿着预设轨迹航行。
动力定位系统具有不受水深限制、定位精度高、机动性强等特点,被广泛应用于供给船、铺管船、救援船和石油钻井平台等。
由于作业中的船舶操纵条件及所处的海洋环境等时常发生变化,船舶动态及所遭受到的环境扰动存在明显的不确定性。
船舶推进系统由于物理限制,导致其为船舶提供的控制力和力矩会受到饱和约束。
此外,船舶速度通常是不可测的。
因此,船舶动力定位控制问题是具有挑战性的一类复杂不确定非线性系统控制问题。
开展船舶动力定位非线性控制研究,具有重要的理论意义和实际应用价值。
本文的主要研究工作如下:1.针对未知时变扰动下的船舶动力定位控制问题,考虑存在输入饱和的情况,应用扰动观测器、辅助动态系统和动态面控制方法,设计了动力定位鲁棒自适应非线性控制律,动态面控制方法避免了中间控制函数的求导运算,使控制律计算简单;又考虑推进器动态、船舶动态模型参数不确定性,利用扰动观测器、辅助动态系统与指令滤波逆推方法,设计了动力定位鲁棒非线性控制律,引入指令滤波器,使所设计的控制律计算简单,且指令滤波器引起的滤波误差被补偿,动力定位控制律的性能被改善。
此外,通过构造扰动观测器,结合投影算法及矢量逆推方法,设计了动力定位鲁棒自适应非线性控制律,保证了动力定位控制系统的全局渐近稳定性。
2.针对存在动态不确定性和未知时变扰动的船舶动力定位控制问题,利用径向基函数神经网络、带死区的自适应技术、鲁棒控制项和矢量逆推方法,设计了动力定位鲁
棒自适应非线性控制律,自适应神经网络在线逼近船舶不确定动态,在自适应律中引入死区,避免了自适应参数的漂移,鲁棒控制项补偿未知时变扰动和神经网络逼近误差,提高了动力定位控制律的鲁棒性;进一步考虑输入饱和问题,引入辅助动态系统处理输入饱和,结合径向基函数神经网络、自适应技术、鲁棒控制项和动态面控制方法,设计了动力定位鲁棒自适应非线性控制律。
此外,通过建立一个线性外部系统并对其进行标准型变换,标准型的输出方程为线性参数化回归模型,用来表示未知时变扰动;然后,构造状态观测器估计该回归模型的回归器,则未知时变扰动被表示成线性参数化形式,使得船舶动力定位扰动补偿问题转化成了自适应控制问题;再将投影算法与矢量逆推方法相结合,设计了动力定位鲁棒自适应非线性控制律,保证了动力定位控制系统的全局渐近稳定性。
3.针对速度不可测、动态不确定以及存在未知时变扰动的船舶动力定位输出反馈控制问题,构造高增益观测器估计不可测的船舶速度,再结合径向基函数神经网络、自适应技术和矢量逆推方法,设计了仅依赖于船舶位置和艏摇角测量值的船舶动力定位鲁棒自适应输出反馈控制律;进一步考虑输入饱和问题,引入辅助动态系统处理输入饱和,结合高增益观测器、径向基函数神经网络、自适应技术和动态面控制方法设计了动力定位鲁棒自适应输出反馈控制律。
4.利用Matlab/Simulink工具箱对上述研究设计的动力定位控制律分别进行了数值仿真实验研究,仿真结果表明,所设计的动力定位控制律能够有效解决船舶存在的未知时变扰动、动态不确定性、输入饱和以及船舶速度不可测量等问题,使船舶位置和艏摇角在不同海况下均可定位于期望值上,实现船舶动力定位。