不同海况条件下船舶动力定位混合控制系统设计

随着科学技术的不断发展进步，海洋资源特别是远海、深海石油和天然气资源的开采日益受到重视。比起近海作业，远海、深海海洋环境条件更恶劣，环境载荷更大，对海上作业的结构物定位系统的要求更高。传统的系泊定位系统因其本身的局限性，如定位精度不高，机动性差，锚链造价和安装费成本较高，特别是定位能力受水深及海底情况的限制等，已经无法满足远海、深海作业的定位要求。作为一种更适合深海浮式结构物位置保持和航迹跟踪的定位方法，采用推进器的动力定位系统迅速发展并逐渐取代传统的系泊系统，成为深海浮式结构和船舶的主要定位方式。动力定位系统对各种海洋工程作业，特别是深海作业，如深海油气开发、海底勘探、海底铺管布缆、海底矿物质采集等显示出越来越重要的作用。船舶动力定位系统主要包括传感测量系统、控制系统、推进系统等几大部分，其中控制系统是动力定位系统的核心。以往的船舶动力定位控制系统设计研究大多针对某种特定的海洋环境条件下的动力定位系统，采用固定控制算法和模型的观测器及控制器，很少有研究多种复杂海洋环境条件下的控制系统设计。针对这种情况，本文为船舶动力定位控制系统设计了满足不同海况条件下工作任务要求的系统观测器和控制器，引入开关逻辑算法设计混合控制器，建立可以在多种海况条件下自动切换控制算法和模型的动力定位混合控制系统，并通过计算机仿真验证所设计的控制器的控制效果。首先，建立船舶动力定位控制系统的数学模型，包括风、浪和流环境载荷模型以及船舶运动模型。其中，风载荷近似为高斯白噪声干扰并以前馈的形式加入模型。浪载荷模型分为幅值很大的高频一阶波浪载荷和幅值相对较小且缓慢变化的低频二阶波浪载荷分别处理。考虑到推进器的能耗和磨损情况，一阶波浪力是控制系统中要重点建模和滤波的对象，也是本文中主要的环境载荷。流载荷因其复杂的物理特性，很难用建模方法进行模拟，文中对此进行了简化处理。其次，在模拟四种级别典型海况的基础上，针对每种海况分别设计了合适的观测器和控制器，建立了四个完整的控制反馈回路。通过分析比较三种不同的滤波算法，即常用的低通滤波算法，卡尔曼滤波算法以及非线性被动滤波算法，选择合适的滤波模型消除了一阶波浪干扰作用。再次，考虑介于中等级别海况和极端海况之间的第三种海况，通过权值分配来综合第二和第四种海况下设计的控制器，单独为其设计了控制器。又考虑到第四种海况下一阶波浪力基频相对较低使设计的滤波器陷波频率落在系统低频运动频宽内，改进前三种海况的观测器模型以保留一阶波浪力作用。最后，通过一种尺度独立的时滞开关逻辑，将四个不同海况条件下的控制模型融合为一个可以在多种海况条件下自动切换控制策略的混合控制系统。本文对船舶动力定位控制系统进行了分析和设计，建立了可以在不同海况条件下正常工作的混合控制系统。该模型可为复杂海况条件下船舶动力定位控制系统的设计提供一种有效的实现方法和手段，对动力定位系统的设计和更广泛的应用具有重要的意义和一定的工程实用价值。