基于子空間理論的動(dòng)力定位船舶模型辨識(shí)及控制方法研究

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1、分類號(hào)：密級(jí)：UDC：編號(hào)：工學(xué)博士學(xué)位論文基于子空間理論的動(dòng)力定位船舶模型辨識(shí)及控制方法研究博士研究生：趙昂指導(dǎo)教師：夏國(guó)清教授學(xué)科、專業(yè)：控制理論與控制工程哈爾濱工程大學(xué)2016年10月萬(wàn)方數(shù)據(jù)萬(wàn)方數(shù)據(jù)分類號(hào)：密級(jí)：UDC：編號(hào)：工學(xué)博士學(xué)位論文基于子空間理論的動(dòng)力定位船舶模型辨識(shí)及控制方法研究博士研究生：趙昂指導(dǎo)教師：夏國(guó)清教授學(xué)位級(jí)別：工學(xué)博士學(xué)科、專業(yè)：控制理論與控制工程所在單位：自動(dòng)化學(xué)院論文提交日期：年月論文答辯日期：年月學(xué)位授予單位：哈爾濱工程大學(xué)萬(wàn)方數(shù)據(jù)萬(wàn)方數(shù)據(jù)ClassifiedIndex：U.D.C：ADissertatio

2、nfortheDegreeofD.EngResearchonsubspacetheorybasedmodelidentificationandcontrolmethodsforDynamicPositioningshipsCandidate：ZhaoAngSupervisor：Prof.XiaGuoqingAcademicDegreeAppliedfor：DoctorofEngineeringSpecialty：ControlTheoryandControlEngineeringDateofSubmission：DateofOralExamina

3、tion：University：HarbinEngineeringUniversity萬(wàn)方數(shù)據(jù)萬(wàn)方數(shù)據(jù)哈爾濱工程大學(xué)學(xué)位論文原創(chuàng)性聲明本人鄭重聲明：本論文的所有工作，是在導(dǎo)師的指導(dǎo)下，由作者本人獨(dú)立完成的。有關(guān)觀點(diǎn)、方法、數(shù)據(jù)和文獻(xiàn)的引用已在文中指出，并與參考文獻(xiàn)相對(duì)應(yīng)。除文中已注明引用的內(nèi)容外，本論文不包含任何其他個(gè)人或集體已經(jīng)公開(kāi)發(fā)表的作品成果。對(duì)本文的研究做出重要貢獻(xiàn)的個(gè)人和集體，均已在文中以明確方式標(biāo)明。本人完全意識(shí)到本聲明的法律結(jié)果由本人承擔(dān)。作者（簽字）：日期：年月日哈爾濱工程大學(xué)學(xué)位論文授權(quán)使用聲明本人完全了解學(xué)校保護(hù)知識(shí)產(chǎn)權(quán)的有關(guān)

4、規(guī)定，即研究生在校攻讀學(xué)位期間論文工作的知識(shí)產(chǎn)權(quán)屬于哈爾濱工程大學(xué)。哈爾濱工程大學(xué)有權(quán)保留并向國(guó)家有關(guān)部門(mén)或機(jī)構(gòu)送交論文的復(fù)印件。本人允許哈爾濱工程大學(xué)將論文的部分或全部?jī)?nèi)容編入有關(guān)數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行檢索，可采用影印、縮印或掃描等復(fù)制手段保存和匯編本學(xué)位論文，可以公布論文的全部?jī)?nèi)容。同時(shí)本人保證畢業(yè)后結(jié)合學(xué)位論文研究課題再撰寫(xiě)的論文一律注明作者第一署名單位為哈爾濱工程大學(xué)。涉密學(xué)位論文待解密后適用本聲明。本論文（□在授予學(xué)位后即可□在授予學(xué)位12個(gè)月后□解密后）由哈爾濱工程大學(xué)送交有關(guān)部門(mén)進(jìn)行保存、匯編等。作者（簽字）：導(dǎo)師（簽字）：日期：年月日年月日萬(wàn)

5、方數(shù)據(jù)萬(wàn)方數(shù)據(jù)基于子空間理論的動(dòng)力定位船舶模型辨識(shí)及控制算法研究摘要建立較為精確的船舶數(shù)學(xué)模型，對(duì)于控制器設(shè)計(jì)和船舶操縱性能預(yù)報(bào)具有重要的輔助作用，因此也受到了研究者們?cè)絹?lái)越多的關(guān)注。目前船舶數(shù)學(xué)模型的獲取方法均采用了白箱建模方式，即通過(guò)船型參數(shù)使用經(jīng)驗(yàn)公式等構(gòu)建出船舶微分方程，或者通過(guò)進(jìn)行水池試驗(yàn)對(duì)船舶水動(dòng)力導(dǎo)數(shù)進(jìn)行估算。這些算法難免會(huì)出現(xiàn)計(jì)算復(fù)雜、操作困難等問(wèn)題。為了克服這些問(wèn)題，本課題主要研究動(dòng)力定位船舶數(shù)學(xué)模型的黑箱辨識(shí)方法，以及對(duì)應(yīng)的預(yù)測(cè)控制算法。首先根據(jù)船舶模型的特點(diǎn)，在子空間理論的背景下深入研究了適用于船舶非線性離散模型的辨識(shí)算法，

6、然后進(jìn)一步對(duì)船舶連續(xù)時(shí)間線性模型進(jìn)行了辨識(shí)算法研究。最后對(duì)動(dòng)力定位過(guò)程中的控制問(wèn)題進(jìn)行了研究，將子空間理論和預(yù)測(cè)控制結(jié)合起來(lái)，提出新型預(yù)測(cè)控制器并應(yīng)用用于船舶動(dòng)力的控制中。具體來(lái)說(shuō)，本文的研究?jī)?nèi)容包括：傳統(tǒng)船舶模型辨識(shí)算法均側(cè)重于船舶水動(dòng)力參數(shù)的辨識(shí)，并通過(guò)特定的自航模試驗(yàn)、水池斜拖試驗(yàn)或者經(jīng)驗(yàn)公式等計(jì)算得到對(duì)應(yīng)的水動(dòng)力導(dǎo)數(shù)，但是這些方法在計(jì)算水動(dòng)力參數(shù)的時(shí)候都或多或少地存在計(jì)算量大，或者出現(xiàn)參數(shù)相消導(dǎo)致估算結(jié)果有很大誤差等問(wèn)題。為了克服這些缺點(diǎn)，本課題提出研究船舶黑箱非線性模型的辨識(shí)問(wèn)題。論文首先針對(duì)船舶非線性的特點(diǎn)，在采用子空間辨識(shí)理論進(jìn)行模

7、型辨識(shí)之前，將其轉(zhuǎn)換成辨識(shí)算法中常用的模塊化級(jí)聯(lián)結(jié)構(gòu)，即帶有非線性反饋的Hammerstein模型。接著將非線性部分以Fourier級(jí)數(shù)為基底進(jìn)行展開(kāi)，最終將模型轉(zhuǎn)換成適用于子空間辨識(shí)的框架。最終根據(jù)變換后船舶模型的特殊形式，提出采用基于MOESP的子空間辨識(shí)算法對(duì)其參數(shù)矩陣進(jìn)行估計(jì)，從而得到船舶黑箱辨識(shí)模型。針對(duì)船舶模型中水動(dòng)力參數(shù)可能隨著外界海洋環(huán)境的不同而發(fā)生漂移的問(wèn)題，提出一種在線更新船舶黑箱模型的子空間辨識(shí)策略：即根據(jù)子空間辨識(shí)中QR分解的特點(diǎn)，采用Givens旋轉(zhuǎn)矩陣對(duì)該復(fù)雜分解過(guò)程進(jìn)行處理，從而降低計(jì)算復(fù)雜度，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)算法的在線計(jì)算

8、，最終使得子空間辨識(shí)算法能夠適用于船舶黑箱模型的在線辨識(shí)中。針對(duì)數(shù)據(jù)采樣頻率的變化會(huì)導(dǎo)致辨識(shí)得到的動(dòng)力定位船舶離散數(shù)學(xué)模型發(fā)生變化的問(wèn)題