动力定位控制系统研究
基于动力定位系统的船舶航行控制技术研究
基于动力定位系统的船舶航行控制技术研究船舶航行控制技术是船舶行驶过程中必不可少的关键技术之一。
对于大型船舶来说，尤其是在恶劣的海况下，航行控制技术的研究与应用更为重要。
本文将讨论基于动力定位系统的船舶航行控制技术的研究与应用。
动力定位系统，简称DP系统，是一种通过向船舶提供具有精确持续推力的定位的技术。
它通过集成全球定位系统（GPS）、陀螺仪、雷达等设备，并通过船舶上的动力装置，实现持续推力，从而实现对船舶的精确控制。
DP系统在船舶航行中有着广泛的应用，例如海洋勘探作业、海上风电场建设、油田开发等。
在船舶航行控制技术的研究中，DP系统具有重要的地位和作用。
首先，DP系统通过实时数据采集和处理，提供高精度的船舶定位信息，使得船舶能够准确掌握当前位置和运动状态。
其次，DP系统通过控制船舶发动机和转向设备，实现对船舶推进力的精确控制，从而使船舶能够按照预定的航线和速度进行航行。
此外，DP系统还具备故障检测与容错能力，当发生故障时能够自动切换到备用系统，保证船舶的航行安全。
在航行控制技术的研究中，需要对DP系统的核心算法进行深入研究。
其中，船舶动力装置的控制算法是船舶航行控制的关键。
在控制算法的研究中，需要考虑以下几个方面：首先，需要建立精确的船舶动力学模型。
船舶在海洋环境中的运动包括旋转、平移和航向等多个自由度，因此，建立精确的船舶动力学模型对于控制算法的设计至关重要。
其次，需要设计合适的控制策略。
由于船舶的特殊性，例如质量大、惯性大等，使得航行控制具有一定的难度。
因此，在设计控制策略时，需要考虑到船舶特性的影响，确保船舶能够按照预定的轨迹进行航行。
此外，在航行控制技术的研究中，还需要考虑到海洋环境对船舶的影响。
例如，海浪、海流等环境因素会对船舶的运动产生一定的影响，因此，在航行控制技术的研究中，需要考虑到这些环境因素，并通过传感器等设备采集相关数据，为控制算法的设计提供准确的输入。
除了研究船舶航行控制技术本身，基于动力定位系统的船舶航行控制技术还有广泛的应用领域。
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。
动力定位系统调研
动⼒定位系统调研⽬录动⼒定位系统调研 (1)摘要 (1)第⼀章动⼒定位系统发展概况 (2)第⼆章动⼒定位系统结构及原理 (5)2.1测量系统 (6)2.1.1典型的测量系统 (6)2.1.2位置参考系统 (7)2.1.3环境参考系统 (8)2.2控制系统 (9)2.2.1所受环境载荷的分析和计算 (9)2.2.2国内外常⽤的控制技术 (10)2.3推⼒系统 (12)2.3.1推⼒分配优化理论 (12)2.4、动⼒定位系统的⼯作原理 (13)第三章动⼒定位系统的展望 (14)参考⽂献 (15)动⼒定位系统调研摘要船舶与海洋平台的锚泊⽅式在深海中受到很⼤的限制。
故不借助锚泊的动⼒定位系统应运⽽⽣。
随着我国深⽔战略加快推进，深⽔作业船舶已成为我国海洋油⽓深⽔勘探开发的排头兵。
动⼒定位系统最⼤优点是成本不随⽔深的增加⽽增加，并且操作⽅便，因此对动⼒定位系统的研究具有越来越重要的意义。
深⽔作业船的核⼼技术之⼀就是动⼒定位系统，它是⼀种闭环的控制系统，⽤于船舶⾃动定位和保持艏向。
动⼒定位系统的原理是应⽤计算机对采集来的风、浪、流等环境参数，根据位置参照系统提供的位置⾃动进⾏计算，控制各个推⼒器的推⼒⼤⼩，使船舶保持艏向和船位的“雷打不动”。
第⼀章动⼒定位系统发展概况动⼒定位系统最初应⽤于深海油⽓开采。
1961年，钻井船Cuss1配备有4个可操舵的螺旋桨，尝试钻第⼀个Moho井，保持船舶在加利福尼亚948 m⽔深的海⾯上。
壳牌公司在同⼀年下⽔了钻井船Eureka，该船拥有第⼀个DP模拟信号控制系统，是⼀艘真正意义上的动⼒定位船舶。
这⼀时期的DP系统也是第⼀代动⼒定位产品，采⽤经典控制理论来设计控制器，通常采⽤常规的PID控制规律，同时为避免响应⾼频运动，采⽤低通或点通滤波器剔除偏差信号中的⾼频成分。
但滤波器的引⼊会导致误差信号的相位滞后，从⽽影响信号的稳定性。
20世纪70年代中叶，J.G. BALCHEN 等提出了⼀种以现代控制理论为基础的控制技术，即多变量的线性最优控制和卡尔曼滤波理论相结合的动⼒定位控制⽅法，从⽽产⽣了第⼆代也是应⽤⽐较⼴泛的动⼒定位系统。
动力定位系统的可靠性与安全性分析
动力定位系统的可靠性与安全性分析动力定位系统(DP系统)是一种海洋船舶定位和控制系统，可以实现船舶在风浪很大或海流很快的情况下保持稳定位置的功能。
它通过利用船上的动力装置来产生足够的推力，以抵消外部环境的影响，从而使船舶能够保持所需位置和航向。
然而，由于海洋环境的复杂性，以及DP系统所涉及的技术和性能要求的复杂性，DP系统的可靠性和安全性的分析变得至关重要。
首先，我们需要了解DP系统的可靠性分析。
可靠性分析主要关注系统在规定环境下是否能够按照设计要求正常运行的能力。
为了评估DP系统的可靠性，我们需要考虑以下几个方面。
首先，关键设备的可靠性。
DP系统的核心设备包括动力装置、推进器、传感器和计算机控制系统等。
这些设备的故障可能导致DP系统失效，因此我们需要评估每个设备的可靠性指标，如平均无故障时间(MTTF)和平均修复时间(MTTR)，以确定系统的整体可靠性。
其次，环境因素的影响。
海洋环境的复杂性使得DP系统更容易受到外部因素的影响。
例如，强风、大浪和海流等环境条件可能导致动力定位系统失效或不稳定。
因此，我们需要分析这些环境因素的频率和强度，以评估DP系统在不同环境条件下的可靠性。
另外，人为因素的考虑也很重要。
操作员的错误或失误可能导致DP系统操作不当或设备故障。
为了提高系统的可靠性，我们需要对操作人员的培训和监控进行适当的管理。
在可靠性分析之后，我们需要关注DP系统的安全性。
安全性分析主要关注系统在受到攻击、故障或人为失误等情况下是否能够保证船舶和人员的安全。
为了分析DP系统的安全性，我们需要考虑以下几个方面。
首先，系统的容错能力。
DP系统应该具备一定的容错能力，即能够在系统故障或设备失效的情况下仍然保持船舶的稳定位置和航向。
这可以通过冗余设计、备用系统和自动切换等技术手段来实现。
其次，系统的抗干扰能力。
DP系统应该具备一定的抗干扰能力，即能够抵御来自外部环境、恶劣天气以及恶意攻击等因素的干扰。
为了实现这一点，我们可以采用加密技术、认证机制和防御系统等措施来提高系统的安全性。
深海油气固井撬(船)的动力定位与航行控制研究
深海油气固井撬（船）的动力定位与航行控制研究概述：深海油气固井撬（船）是用于在深海区域进行石油和天然气固井作业的特殊船只。
其动力定位和航行控制系统很关键，对于保证作业的安全、高效进行起着重要的作用。
本文将研究深海油气固井撬（船）的动力定位与航行控制，并探讨相关技术和方法。
一、动力定位技术1.1 动力定位原理动力定位（DP）是指通过船舶自身动力系统，利用定位设备和控制系统，在不依赖锚链的情况下保持船舶在目标位置上的稳定。
深海油气固井撬（船）的动力定位系统需要具备定位准确、实时性强、抗风浪、抗潮流等特点。
1.2 动力定位设备动力定位设备包括定位传感器、船舶动力系统和控制系统。
定位传感器主要包括全球卫星导航系统（GNSS）、惯性导航系统（INS）和声纳等，船舶动力系统则需要满足船舶各个方向上的推力需求。
控制系统负责接收传感器数据，计算控制指令，驱动船舶动力系统调整姿态。
1.3 动力定位精度评估深海油气固井作业对动力定位精度要求较高，需要评估系统的定位精度。
评估方法包括船舶GPD（Global Positioning System Differential）系统的差分定位、相对定位技术和误差分析等。
二、航行控制系统2.1 航迹规划与路径跟踪深海油气固井撬（船）的航行控制系统需要具备航迹规划和路径跟踪的功能。
航迹规划是指根据任务需求和环境条件，通过制定航行计划确定最佳路线；路径跟踪是指通过控制船舶的航向和航速，使其按照规定的航迹进行航行。
2.2 环境感知与避碰技术深海油气固井撬（船）在复杂的海上环境中进行作业，需要具备环境感知和避碰技术。
环境感知通过雷达、摄像头等传感器获取海上障碍物和其他船只的信息，避碰技术则根据这些信息做出智能决策，以避免碰撞和危险。
2.3 船舶姿态控制船舶姿态控制是指控制船舶的航向、纵倾、横摇和增仰等。
在深海油气固井作业中，船舶姿态控制对于保证固井操作的准确性和稳定性至关重要。
姿态控制技术包括舵机系统、艏推进器、减摇装置等。
现代船舶动力定位系统的建模研究
现代船舶动力定位系统的建模研究引言：船舶动力定位系统是一种利用现代技术实现船舶精确定位和自主航行的系统。
它通过多种传感器和设备，结合先进的算法和模型，实现对船舶位置、速度和航向等信息的准确监测和控制。
本文将从船舶动力定位系统的建模角度出发，探讨其研究现状和未来发展方向。
一、船舶动力定位系统的模型构建船舶动力定位系统的建模过程主要包括以下几个方面：船舶动力学模型、环境模型、传感器模型和控制算法模型。
1. 船舶动力学模型船舶动力学模型用于描述船舶在不同工况下的运动特性。
它考虑了船舶的质量、惯性、阻力和推进力等因素，以及外部环境的影响。
通过建立动力学方程，可以模拟船舶的运动过程，为船舶动力定位系统提供基础数据。
2. 环境模型环境模型用于描述船舶周围的海洋环境特征，包括海流、海浪、海况等。
通过收集并处理相关数据，可以建立环境模型，为船舶动力定位系统提供准确的环境信息，以便进行精确的定位和导航。
3. 传感器模型传感器模型用于描述船舶动力定位系统中使用的传感器的性能和特点。
不同类型的传感器可以提供不同的信息，如GPS可以提供位置信息，惯性导航系统可以提供姿态信息。
通过建立传感器模型，可以对传感器的测量误差和精度进行评估，从而提高定位系统的精度和可靠性。
4. 控制算法模型控制算法模型用于描述船舶动力定位系统中的控制策略和算法。
它通过对船舶动力学模型和环境模型进行分析和处理，实现对船舶运动的控制和调整。
通过选择合适的控制算法，可以提高船舶的定位精度和稳定性。
二、船舶动力定位系统的研究现状船舶动力定位系统的研究主要集中在以下几个方面：传感器融合技术、自适应控制算法、多智能体协同定位等。
1. 传感器融合技术传感器融合技术是指将多种传感器的测量数据进行融合，以提高定位系统的精度和可靠性。
常用的传感器包括GPS、惯性导航系统、声纳等。
通过融合这些传感器的数据，可以克服单一传感器存在的局限性，提高船舶的定位精度和鲁棒性。
船舶动力定位系统的自抗扰控制研究
参考内容二
一、引言
在工业控制领域，大时滞系统是一类具有较大时间常数的系统，它们通常具 有复杂的动态行为，难以用传统的控制方法进行精确控制。自抗扰控制（Active Disturbance Rejection Control, ADRC）是一种针对非线性系统的控制策略， 它通过引入扩张状态观测器（Extended State Observer, ESO）来估计系统中 的未知扰动和噪声，并对其进行补偿。本次演示将探讨大时滞系统的自抗扰控制 方法。
此外，针对实验中发现的观测器带宽和非线性状态误差反馈控制器参数选择 对控制器性能的影响，未来研究可以探索更精细的参数优化方法，以提高船舶动 力定位系统的性能。还可以将自抗扰控制与其他先进控制策略相结合，形成复合 控制方案，进一步提升船舶动力定位系统的整体性能。
参考内容
பைடு நூலகம்言
随着全球经济的不断发展，水上交通运输业日益繁荣。然而，水上环境的复 杂性和不确定性给船舶的航行安全和稳定性带来了严峻挑战。欠驱动水面船舶作 为一种常见的水上交通工具，其航迹控制问题成为了一个亟待解决的关键问题。 本次演示旨在研究欠驱动水面船舶航迹自抗扰控制，提高其航行性能和安全性。
二、自抗扰控制的基本原理
自抗扰控制主要包括两个部分：扩张状态观测器（ESO）和跟踪微分器 （TD）。ESO通过观测系统的输出和状态，估计系统中的扰动和噪声，并通过反 馈控制器补偿这些扰动。TD则用于生成参考信号，使系统能够更好地跟踪设定值。
三、大时滞系统的自抗扰控制
对于大时滞系统，自抗扰控制具有以下优点：
在实验过程中，我们发现扩张状态观测器的带宽对控制器的性能具有重要影 响。当观测器带宽过小或过大时，控制器的性能可能下降。因此，针对不同应用 场景，合理选择观测器带宽是提高自抗扰控制器性能的关键。此外，我们还发现 非线性状态误差反馈控制器的参数选择对控制器的性能也有较大影响。通过精细 化调整控制器参数，可以进一步提高船舶动力定位系统的性能。
基于动力定位系统的船舶自动避碰技术研究
基于动力定位系统的船舶自动避碰技术研究概述：船舶自动避碰技术是近年来航海领域发展迅猛的一个重要研究领域。
基于动力定位系统的船舶自动避碰技术通过利用船舶自身的动力定位能力，结合先进的导航与遥感技术，以及智能决策系统，实现船舶避碰的自动化和智能化。
本文将从动力定位系统的原理和船舶自动避碰技术的研究现状出发，详细介绍该技术的工作原理、关键技术以及应用前景。
一、动力定位系统的原理动力定位系统是现代航海技术的重要组成部分之一，其基本原理是通过船舶上的推进器、舵和转向设备等，通过实时控制使船舶能在海洋水域内以自动控制的方式维持特定的位置和航向。
动力定位系统利用了多种传感器和先进的计算装置，通过计算船舶的位置、航向、速度等状态信息，并通过外部参考物的信息来实现位置和航向的控制。
二、船舶自动避碰技术的研究现状船舶自动避碰技术是航海领域的研究热点之一，其主要目标是提高船舶的安全性和自动化程度。
当前的船舶避碰主要依靠船长和船员的经验与判断，但这种人工决策存在主观性强、反应时间长以及人为疏忽等问题。
因此，开发一种能够自动避开与其他船舶的碰撞风险的技术是一个重要的研究方向。
目前，船舶自动避碰技术主要包括基于雷达图像处理的目标检测与跟踪、基于自动识别系统的船舶识别与辨别以及基于动力定位系统的自动避碰决策与控制等三个方面。
三、基于动力定位系统的船舶自动避碰技术的工作原理基于动力定位系统的船舶自动避碰技术是指通过船舶上的传感器和相应的计算装置，收集并处理周围环境的信息，实时评估附近船舶的风险，并根据风险评估结果，通过控制推进器、舵和转向设备等，实现船舶的自动避碰。
该技术的工作原理主要包括环境感知、风险评估和路径规划三个主要步骤。
首先，通过船舶上的雷达、相机和其他传感器，获取船舶周围的环境信息，包括其他船舶的位置、航向、速度等。
然后，将这些信息输入到智能决策系统中，对可能产生风险的船舶进行识别和跟踪，评估其与船舶的相对运动状态，并计算出相应的碰撞风险。
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收稿日期:2007211220修回日期:2007212224基金项目:国家“863”计划海洋技术领域“海洋油气资源勘探开发技术”专题(2006AA09Z327)“深海平台动力定位控制系统研究”作者简介:周 利(1983-),男,硕士生。
研究方向:动力定位系统研究。
E 2m ail :zhonli20@ 文章编号:167127953(2008)022*******动力定位控制系统研究周 利,王 磊,陈 恒(上海交通大学海洋工程国家重点实验室,上海200030)摘 要:回顾近年来船舶与海洋工程动力定位控制系统的研究成果,总结动力定位控制系统中的滤波技术及典型的控制策略,提出将控制系统分为主动式控制和被动式控制。
关键词:动力定位;控制系统;研究中图分类号:U661.1 文献标志码:AReview on t he St udy of Dynamic PositioningControl System for VesselsZH OU Li ,WANGLei ,CHEN H eng(State key Laboratory of Ocean Engineering ,Shanghai Jiaotong University ,Shanghai 200030,China )Abstract :Reviewed in this paper arc the research methods on dynamic positioning control system for ves 2sels in recent years.Filtering in dynamic positioning control system ,typical control strategies are summed up.Also control system is classified into initiative control system and passive control system.Some references a 2bout dynamic positioning control system are offered.K ey w ords :dynamic positioning system ;control system 钻井平台、舰船等海洋结构物经常需要将其定位于海上某一点以进行钻井、打捞、海上救助、铺管、海洋调查、潜水等各种作业。
以往,大多采用锚泊等方法进行定位,所需建设工程时间较长,尤其在深海处,锚泊定位方法存在较大困难。
随着船舶与海洋工程的迅速崛起,传统的定位系统已经不能满足深海地域定位作业的要求,船舶动力定位系统能够很好地解决这一问题。
它的优点是定位成本不会随着水深增加而增加,并且操作也比较方便,因此动力定位系统的研究越来越具有现实意义。
1 动力定位系统简介动力定位系统是一种高新控制技术,广泛地应用于船舶及海上浮式作业平台,它是一种闭环的控制系统,在不借助锚泊系统的情况下,不断检测出船舶的实际位置与目标位置的偏差,再根据外界风、浪、流等外界扰动力的影响计算出使船舶恢复到目标位置所需推力的大小,并对船舶上各推力器进行推力分配,使各推力器产生相应的推力,从而使船尽可能地保持在海平面上要求的位置上。
动力定位系统由3部分组成:①位置测量系统;②控制系统;③推力系统。
其中控制系统是动力定位系统的核心部分。
海洋结构物在海上的运动是由风、水流、波浪、推力器等共同产生的。
其中,风、水流、二阶波浪慢漂力以及推力器引起的运动速度为0～0.25rad/s ,称为低频;一阶波浪引起的运动速度为0.3～1.6rad/s ,称为波频。
前者引起的慢漂运动使其缓慢地漂离原来的位置,必须加以控制;后者引起高频往复运动。
动力定位系统很难并且也没有必要对高频位移进行控制,因为这会大大加速推力器系统的磨损和能量的消耗。
从这个角度考虑,必须在位置估计中采用滤波技术,把这3个高频分量滤掉,而滤波器就很好充当了这一角色。
第37卷 第2期2008年4月 船海工程SHIP &OCEAN EN GIN EERIN G Vol.37 No.2Apr.2008海洋结构物由于其自身的速度、质量、惯性矩、中心坐标等动态性能发生变化,往往引起流体动力导数发生相应的改变,导致其运动数学模型的参数甚至结构产生摄动,即不确定性的存在。
此外,风、浪、流的存在也会造成附加的干扰动力,并最终转换为结构物模型的参数以及结构的摄动。
因此,如何寻找高效实用的控制策略,以保证在海洋结构物本身存在动态性能改变和外界环境干扰的条件下仍能满足船舶与海洋工程领域中不断提高的性能指标要求,成为了动力定位控制中的最关键问题。
2 动力定位控制系统2.1 滤波技术早期的动力定位系统在PID控制器的基础上,采用低通滤波技术,可以滤除高频信号。
但是它却使定位误差信号产生相位滞后。
这种相位滞后限制了可以用于控制器的相角裕量,因此滤波效果越好,则对控制器带宽和定位精度的限制就愈大。
第二代动力定位系统采用Kalman滤波技术,使控制器的输出比较平滑,较好地估计出船舶的状态的问题,减少推力器不必要的动作,减少耗能。
由于取样和修正能在同一个周期内完成,因而解决了控制中存在的由于滤波而导致的相位滞后问题。
姜华[1]提出了Kalman滤波技术在船舶动力定位中的应用方法,并以300m救生母船为实例建立船舶运动的数学模型,设计了Kal2 man滤波器,通过仿真说明该滤波器能够较好地估计出船舶的真实船位和艏向。
王宗义等[2]利用Kalman滤波方法估计船舶位置和首向低频运动,同时剔除来自位置和首向传感器信息中的高频运动分量和噪声。
20世纪80年代初,自校正技术中采用Kalman滤波器和自校正滤波器分别处理低频运动和高频运动。
此外,有些学者对滤波技术进行了进一步的发展。
例如,王晓声[3]把自适应Kalman滤波器理论和最优控制理论应用于典型的动力定位系统。
它是基于线性化的船舶运动方程,通过自适应Kalman滤波器对船舶在风、浪、流作用下的高频运动和低频漂移分别进行评估,保证了定位控制仅对低频漂移进行补偿。
付明玉等[4]建立了船低频数学模型,并根据功率估计曲线建立了高频数学模型,设计有限冲击滤波器和最优估计滤波器剔除偏差信号中的高频成分。
李兰花[5]利用H∞滤波方法估计船舶位置和首向低频运动,同时剔除来自位置和首向传感器中的高频运动分量和噪声。
2.2 控制策略控制策略是船舶与海洋工程控制科学的的主要研究对象,相当控制系统的核心,用于接收信息,发布命令。
目前广泛使用的控制策略主要有以下几种。
2.2.1 经典控制经典控制理论主要研究线性定常系统,被控对象几乎全部是单输入2单输出系统。
PID控制即是动力定位中应用经典控制理论来设计的典型控制技术。
PID控制器在海平面内分别对船舶在海平面内纵荡、横荡以及首摇3个自由度上的运动实施控制,控制简单、可靠、物理意义明显,在动力定位中应用取得了相当大的成功,特别是在早期阶段。
其此同时,它也具有不可避免的缺点:①PID控制参数整定困难,且适应性差[6];②对复杂的非线性系统来说,PID所取得的功效将受限制;③由于滤波器的加入,使定位误差信号产生了相位滞后。
通常情况下,改进的PID控制是用与船舶航行状态有关及气候条件直接相关的“装载”、“天气”、“航速”3参数取代经典的比例增益系数、积分增益系数、微分增益系数,让系统自动完成所有计算过程;当航速由GPS自动计算时,实际上只需调整装载与天气两个参数,一方面整定参数减少,另一方面参数的含义清楚,简化了操作[7]。
2.2.2 H∞鲁棒控制为了能很好的解决由于系统模型的不精确性以及所受环境力的扰动性对动力定位系统稳定性有很大影响的难题,20世纪80年代初,H∞鲁棒控制诞生。
它是在H∞空间通过某些性能指标的无穷范数优化而获得具有鲁棒性能控制器的一种控制理论,其实质是为多输入2多输出法,可以直接解决模型误差比较大的问题,比传统的方法有更好的鲁棒性。
在船舶动力定位领域中,M R Katebi等提出了将H∞设计方法应用到动力定为控制的3个步骤。
Messer和Grimble将H∞鲁棒控制理论应用到航迹自动舵。
Tadahiro Hyakudome在试验中利用H∞控制理论来设计半潜式平台的动力定位控制系统时,通过选择合适的强度函数,使推力器对兴波力的响应达到最小。
大连海事大学的贾欣乐、张显库[8]应用控制的S/T混合灵敏度方法于船舶自动舵设计,按机理估算模型乘性摄动上限,据此确定优化指标中的权函数W2,利用设计的控制器对闭环系统在多种环境条件下进行了仿真研究。
但这些都属于仿真研究,2000年,张显库、贾欣乐、蒋丹东在阳澄湖号油轮上对H∞鲁棒自动舵进行了实际的海试,证明了这种自动舵能够抑制海况干扰,具有良好的控制性能,对航速变化等产生的船舶模型摄动,具有良好的鲁棒性能。
然而H∞鲁棒控制仍然存在尚待研究和解决的问题:①H∞鲁棒控制计算复杂的问题;②指标的设定和权函数的选取仍然有困难;③对于坏条件数的H∞鲁棒控制问题以及模型降阶问题,也是一个需要解决的问题。
2.2.3 模糊控制在控制工程领域中,动态系统日趋复杂,各种因素引起的不确定性及不精确性的存在使得许多控制理论束手无策。
一些无法建立精确数学模型以及具有参数或结构不确定的系统亟须一些新的控制算法来解决,其中模糊控制就是一种很好的方法。
模糊控制的基本思想就是把人类对特定的被控对象或过程的控制策略总结成一系列以IF和T H EN形式所表示的控制规则,通过模糊推理得到控制作用集,作用于被控对象或过程。
因此,鉴于船舶动力定位本身的特点,利用模糊控制技术也变得非常适合。
Inoue[14215]最初在单点系泊中结合了模糊控制动力定位,给出了其基本的模型,用位置及位置偏差作为控制器的输入量,推进器的力作为输出量。
李和贵等[10]就船舶动力定位中模糊控制的应用进行了研究,探讨了模糊控制中隶属函数和模糊规则的具体制定。
王丽娟采用了模糊控制器作为系统的控制器,并针对仿真过程中出现的问题进行优化。
由于模糊控制策略的局限性,控制效果不是很理想。
鉴于此,张桂兰,邓志良[11]探讨了模糊控制中隶属函数和模糊规则的具体制定,并应用可变论域的思想对模糊控制器进行改进。
改进的模糊控制器的控制效果明显优于常规模糊控制器。
卢笑庆[12]选用Thor.L Fossen提出的船舶动力定位系统状态空间模型,采用基于高木一关野模糊逻辑系统的方法设计模糊控制器改变了传统控制器输出部分的隶属函数,使之变为输入量的线性组合,使其控制复杂动态非线性系统时效果非常理想。
模糊逻辑控制虽然具有很多优点,但它所具有的“知识”是通过领域内的专家提供的,模糊控制规则是靠人的直觉经验制定的,它并不具有学习功能,缺乏有效的学习算法和自适应能力。