控制饱和约束下的自主水面船编队

针对含模型不确定与海洋环境干扰的自主水面船编队时的控制饱和约束问题,提出了一种基于广义饱和函数的编队控制算法.首先,采用虚拟领航–跟随编队策略,并基于反步法以及更为通用的广义饱和函数设计了编队控制器,突破了采用特定饱和函数的局限性.再针对自主水面船的特点,利用单隐层神经网络对模型不确定和海洋环境干扰进行了在线逼近.然后根据Lyapouv稳定性理论证明了闭环系统所有状态的有界性,并可通过选择合适的设计参数使跟踪误差为任意小.最后,通过对比仿真结果验证了本文所提出的抗饱和编队控制算法的有效性.

模糊-反步串级控制方法在气垫船航迹保持中的应用

为了改善气垫船的操控水平,使其能够准确地沿着预定航线航行,尽快到达目的地,采用具有协调控制策略的串级控制结构实现了航迹串级控制系统的设计。在这一控制系统中内环采用基于非线性运动模型的反步控制方法进行内环副控制器的设计;外环引入模糊控制的方法进行外环主控制器的设计。此外,根据人在驾驶汽车时使车走直线的驾驶经验,提出了仿人驾驶的航迹跟踪设定角的设计方法,通过可视图在设定航迹线上的交叉点计算航迹跟踪设定角。半实物实时仿真结果表明,该航迹串级控制系统具有较好的性能,在风扰动作用下,较高航速航行时亦能很精确地跟踪给定航迹。

气垫船航迹反步控制方法研究

针对全垫升气垫船运动,建立了航迹非线性运动方程,在此基础上进行了航迹反步控制方法研究.反步控制方法首先针对所建立的气垫船四阶航迹非线性系统,将系统分为4个子系统,每个子系统定义了1个误差变量和1个控制量,4个控制量中有3个控制为虚拟控制,并针对每个子系统定义了Lyapunov函数,基于Lyapunov稳定性定理和指数稳定性定理,推导出4阶运动方程,最后得到气垫船航迹控制律.将得到的控制律应用到气垫船运动半实物仿真系统中,根据控制台设定的航迹进行了航迹跟踪仿真研究.仿真结果表明,所研究的航迹自适应反步控制器,在较高航速下,能很好地跟踪所设定的航迹,取得了良好控制效果.

基于虚拟领航者的船舶无源协调编队控制研究

随着海上任务越来越复杂,许多作业过程要求多艘船舶相互协调.本文结合了虚拟领航者协调策略和无源性理论控制方法的各自优势,提出了一种基于虚拟领航者的无源协调控制方法,来解决多艘船舶的协调路径跟踪问题.通过对虚拟领航者设计路径跟踪控制器,使其领导作业船舶按着指定的路径进行协调作业,同时定义每艘船舶的队形参考点,应用无源性理论设计同步控制器使所有船舶的参考点趋于一致,最终实现多艘船舶按一定的队形进行协调路径跟踪.最后通过仿真实验验证了所提算法的有效性.

边敷边埋作业敷缆船路径控制方法研究

动力定位敷缆船进行敷缆作业,通常采用边敷边埋的施工方法,因此在给定海缆敷设路径时,研究敷缆船路径导引策略及路径控制方法是必要的.建立了犁式海缆埋设机受力模型和敷缆船数学模型,通过拖链的悬链线方程给出了敷缆船的运动轨迹与埋设机海缆着地点的关系,提出了直线段和圆弧段的船舶路径导引策略,并基于backstepping方法,提出了带有埋设机作用力前馈补偿环节的非线性控制器.仿真结果表明,在环境干扰影响下,所研究的控制方法可以控制敷缆船将海缆准确地敷设在敷设给定路径上,且具有一定鲁棒性.

基于扰动观测器的动力定位船终端滑模航迹跟踪控制

针对具有输入饱和限制的非线性不确定动力定位船设计了一种基于扰动观测器的终端滑模(TSM)航迹跟踪控制算法。首先,为解决系统时变外部干扰与模型参数不确定问题,设计了一种终端滑模干扰观测器,该观测器可以保证所得到的估计误差在有限时间内收敛到零,进而提出了一种基于扰动观测器的终端滑模航迹跟踪控制律,该控制律可以保证动力系统在不确定输出上下界情况下给出合理的控制指令,并利用有限时间Lyapunov稳定性理论证明了在所设计的控制律下闭环系统所有状态在有限时间内收敛。最后,动力定位船舶的航迹跟踪控制仿真试验研究验证了该控制算法的有效性。

鲁棒自适应滑模虚拟执行器设计

为了解决具有不确定性的非线性系统发生执行器故障后的安全运行问题,针对未建模动态、外界扰动和参数不确定等各种不确定性的综合影响,提出了一种鲁棒自适应滑模虚拟执行器控制重构策略.该方法利用滑模控制具有鲁棒性的特点消除不确定性的影响,采用参数自适应方法使得无须已知不确定项的上界,同时具有虚拟执行器不改变标称控制器结构和参数的特点.采用李雅普诺夫稳定性理论证明了闭环系统的稳定性和鲁棒性.通过动力定位船仿真验证了该方法的有效性.

船舶起重作业时定位控制方法研究

近海建筑的建造和安装,需要起重船定点作业,所以要求对起重船动力定位控制方法进行研究。在建立海洋环境模型(风、浪、流)的基础上,建立船舶起重作业模型。设计带有风前馈的反步控制方法,降低系统对环境扰动的敏感性。通过设计估计器,给出船舶运动低频位置、艏向和速度量的估计值,并且使用估计器所得出的低频估计值作为反馈值来减少控制输出的高频振荡。仿真结果表明对于建立的船舶起重模型,所设计的控制方法和估计器,可以较好地完成定位作业。

FMEA和FCE方法在动力定位控制系统中的应用

针对传统的FMEA(故障模式与影响分析)过于定性化、主观化以及不能进行量化分析的问题,本文提出了一种量化FMEA风险等级数的评定方法,并通过层次分析法(AHP)和模糊综合评判法(FCE)的理论分析,构建了动力定位控制系统的综合评判模型,将FMEA的结果进行了量化分析,从而能更好地预防故障的发生。以Arrow号近海支援船DP2动力定位(DP)控制系统为例,选择操作站操作面板为研究对象,对该系统的各个组成部分及其模块进行了故障模式与影响分析并做出评判,列出了可能发生的故障模式,确定了故障等级并提出了建议措施,其分析结果证明FMEA和模糊综合评判法是有效的。通过对动力定位控制系统进行故障模式与影响分析(FMEA),可以对动力定位控制系统和设备进行改进、维护和完善,以提高其可靠性,延长设备的使用寿命,提高动力定位船舶的安全水平。

带输入饱和的欠驱动水面船参数自适应滑模控制

针对具有外部干扰和输入饱和的欠驱动水面船路径跟踪控制问题,本文提出一种基于饱和补偿辅助系统的参数自适应滑模控制方法。通过以路径上虚拟参考目标点为原点,引入Serrete-Frenet移动坐标系,在此基础上引入切向速度作为虚拟控制输入;结合饱和辅助系统设计具有切换增益和sigmoid函数边界层厚度的参数自适应滑模控制器。此外,利用李雅普诺夫理论证明了闭环系统的全局稳定性,保证跟踪误差收敛到零的任意小领域内。通过与常规滑模控制对比,数值仿真验证所提控制律的有效性和自适应性,不仅可以减弱常规滑模中的"抖振"现象,同时补偿外部干扰和输入饱和误差提高跟踪精度。

基于反步滑模控制的动力定位船铺管循迹建模与分析

海底管道铺设是海洋工程中重要的特种作业,铺管循迹问题是一种特殊的具有不确定性的非线性系统输出跟踪问题。针对铺管循迹,首先讨论了铺管船期望路径与管道期望路径的映射关系。然后建立了铺管船及管道的运动学和动力学模型。采用反步滑模法分两步设计控制器,并基于设计过程中Lyapunov函数的定义,给出系统稳定的充分条件。最后通过仿真实例验证了所提出期望路径之间关系的正确性,及所设计控制器的有效性。为其他同类型输出跟踪问题提供了新的描述和控制方法。

欠驱动水面船区域保持鲁棒滑模控制

针对风浪流等外界环境干扰下欠驱动水面船的区域保持控制问题,本文提出了一种基于对称障碍李雅普诺夫函数的鲁棒滑模控制策略使其严格满足区域保持边界限制。首先利用反步法将欠驱动船区域保持控制器的设计分解为运动学回路和动力学回路;其次在运动学回路中设计期望速度并将其视为虚拟输入,在动力学回路中利用鲁棒滑模方法实现对参考速度的跟踪控制;再次根据位置状态约束条件引入对称障碍李雅普诺夫函数进行控制器设计,实现位置状态变量约束保证欠驱动船始终保持在规定区域内,不超出约束边界;此外,采用李雅普诺夫稳定性理论证明了闭环系统的半全局渐近稳定性,并且使跟踪误差收敛到规定的邻域内;最后对有无外界环境干扰下的欠驱动水面船进行仿真对比实验,仿真比较结果验证了所提控制律的有效性和鲁棒性。

环境最优区域动力定位控制方法的研究

环境最优区域控制是以能耗最小化为目标的船舶动力定位控制方法。环境最优区域控制是根据平均环境作用力自动控制船舶艏向至最优艏向角,通过对船舶状态的预测控制,在不使用任何环境传感器的情况下,用最少的能量,使其保持在限定的区域内运动,达到节约燃料、减少有害气体排放的目的。首先,建立了船舶数学模型,并采用环境最优艏向控制思想,使船舶以固定的半径和很小的回转速度做定常回转运动直至平衡位置,找到最优艏向角。在回转运动过程中,利用所设计的带有积分环节的非线性反步控制法对船舶运动进行控制。然后,通过预测船舶的状态,以能耗和精度为最优目标函数,采用滚动优化策略研究了区域预测控制,使船舶运动保持在限定的区域内。最后,对所研究的控制方法进行了仿真验证。结果表明,该方法达到了环境最优区域控制的目的。

基于动态面自抗扰技术的起重船动力定位控制

起重船在起重装载作业过程中,不仅受到海洋环境(风、浪、流)的干扰,而且其船舶模型参数在作业过程中也会受到影响。对于这类船舶的动力定位控制需要设计鲁棒控制算法。本文针对"海洋石油201深水铺管起重船",将起重装载过程和海洋环境干扰考虑在内,建立模型参数不确定且存在未知扰动的非线性数学模型。针对该数学模型的特点,将自抗扰控制技术与动态面控制算法结合,设计动态面自抗扰控制器,实现对起重船在起重装载作业过程中的动力定位控制。仿真结果验证了本文提出的控制算法的抗扰动性和强鲁棒性。

具有未知扰动上界的气垫船全鲁棒滑模控制

本文以轨迹跟踪为任务目标,针对具有未建模动态,参数不确定和未知扰动的全垫升气垫船非线性动力学模型,提出了一种新颖的全鲁棒滑模变结构控制器,并且结合一种不需要扰动上界信息的综合观测器对系统的总扰动进行前馈补偿.首先给出气垫船四自由度的运动学和动力学矢量模型,在扰动上界未知的条件下,针对系统内外不确定性的本质不同,分别设计前馈补偿,同时加入补偿项进一步减小估计误差.然后,设计了一种新颖的无趋近过程的全鲁棒滑模控制器,保证高速行驶的气垫船在未知扰动的环境中仍能够较好的完成跟踪任务,减小跟踪误差的同时消除抖振,增强气垫船控制系统的鲁棒性.通过Young’s不等式和李雅普诺夫稳定性证明整个联动系统的稳定性,仿真结果表明该方法的有效性.

基于鲁棒滑模虚拟传感器的船舶动力定位容错控制

为了解决动力定位船舶工作在复杂海况下发生传感器故障后的安全作业问题,就传感器故障船舶定位容错控制方法进行了研究。在虚拟传感器控制重构的基础上,借助滑模观测器具有解决系统非线性和不确定项的优势,提出一种鲁棒滑模虚拟传感器,实现传感器故障船舶定位容错控制,并基于李雅普诺夫稳定性理论进行了稳定性证明。通过仿真验证了该方法可以使船舶在传感器故障的情况下继续保持定位能力。

S型铺管船一体化建模及管道形态控制方法研究

针对S型铺管船提出了一种适于控制任务的一体化建模方法。该建模方法将管道和铺管船作为整体以机械臂方程的形式用最少的坐标表示出来。这样就可以利用机械臂的方法设计控制器和进行稳定性分析。该模型构成了一个冗余的系统并且能够证明是无源的。然后针对铺管船提出能够保证闭环系统稳定的无源控制器。仿真结果验证了所建模型的正确性和设计的控制器的有效性。

基于能量最优的组合偏置推力分配算法研究

推力分配是动力定位控制系统的关键技术之一,其任务是将控制器输出的合力分配给各推进器。本文针对推力分配中存在的问题,提出组合偏置思想并设计了自适应组合偏置策略,建立了组合偏置推力分配算法。该算法基于能量最优方法,能够自适应地调整偏置量,兼顾船舶的能量消耗和操纵性。仿真结果表明该算法能有效地提高船舶的动态性能。

基于UKF联邦滤波的动力定位船舶运动状态估计

针对动力定位船舶,采用基于无迹卡尔曼滤波(UKF)的联邦滤波技术,利用多种位置参考系统和电罗经的测量值来实现对船舶运动状态的估计。从传感器测量原理出发,采用非线性的测量方程,实现对多种位置参考系统传感器特征的描述,利用UKF滤波方法和联邦滤波结构将动力定位船舶配备的多个冗余位置参考系统的测量数据进行有效融合,从而提高对船舶运动状态估计的精度和可靠性。仿真结果表明,采用基于UKF的联邦滤波方法可以有效实现对动力定位船舶相关运动状态的估计。

铺管船定位作业时的建模与分析

建立了J型半潜式铺管起重船非线性船舶运动数学模型和环境模型。采用自然悬链线法得到管道对船舶的近似动态水平作用力模型,给出了随着船体运动管道受到的作用力和管道形状的变化。针对铺管作业时张紧器和管道间的恒张力问题设计了控制器,控制器限制了船舶的运动和管道作用力的变化率,从而使管道和张紧器之间不会出现滑动,保证了铺管作业的安全性。