【碩士論文】船舶動力定位系統(tǒng)非線性估計濾波器的研究.pdf

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1、哈爾濱T程大學碩士學位論文摘要動力定位系統(tǒng)可以使船舶在海上保持一定的位置和方向，具有不受水深的限制、投入和撤離迅速等優(yōu)點并且使船實現(xiàn)精確的機動。對于許多進行海上作業(yè)的船舶來說，動力定位系統(tǒng)都是必要的支持系統(tǒng)。船舶在海面上的綜合運動一般分為由風、流、二階波漂力、推力器造成的低頻運動和一階波浪力造成的高頻運動。由于高頻運動僅表現(xiàn)為周期性的振蕩而不會導致平均位置的改變，為了避免不必要的能量浪費和推力器的磨損，一般從船舶測得的綜合位置信號分離出低頻信號進行控制，因此，濾波在動力定位系統(tǒng)中起著非常重要的作用。本文以

2、動力定位船舶為研究對象，在合理的假設條件下，建立并推導出了簡便的動力定位船舶的數(shù)學模型，并針對二階波浪漂移力和海流等外界慢變的環(huán)境作用力和力矩，建立了環(huán)境力估計模型，并將其與船舶動力定位系統(tǒng)模型相結合設計了一種非線性估計濾波器。該估計濾波器既能完成動力定位系統(tǒng)需要的濾波作用，也能夠從附有測量噪聲的輸出中估計得到船舶低頻位置和運動速度，以及環(huán)境擾動作用力。最后，本文以動力定位系統(tǒng)數(shù)學模型進行仿真，通過不加控制器，加入控制器無估計濾波器和加入控制器有估計濾波器等一系列仿真實驗，驗證了此非線性估計濾波器能夠準確

3、估計得到系統(tǒng)模型中的狀態(tài)。本文的研究工作集中在動力定位系統(tǒng)的濾波器上，重點探討了非線性系統(tǒng)理論在動力定位系統(tǒng)中的應用，并對系統(tǒng)的穩(wěn)定性做了詳細的分析。文中做了大量的仿真研究，通過仿真結果來驗證所提出算法的有效性。關鍵詞：動力定位；非線性估計濾波器；船舶模型；環(huán)境擾動；哈爾濱。I：程人學碩十學位論文第1章緒論1．1課題的背景及課題的意義海洋這一廣闊的水域，蘊藏著豐富的礦物資源、海洋生物資源和能源，是人類社會可持續(xù)發(fā)展的重要財富、研究和合理開發(fā)海洋，對人類的經(jīng)濟和社會發(fā)展具有重要的意義。隨著科學技術的進步，全

4、球經(jīng)濟的發(fā)展和人類活動空間的不斷擴大，人們對海洋能源與海洋資源的需求不斷增加，人們的活動范圍也慢慢從沿岸、近海，擴展到更深的海域。人類已經(jīng)進入了開發(fā)和利用海洋的時代。各種各樣的水下活動，無論是民用的還是軍事的，如海洋地址考察，油氣開采，水產(chǎn)捕撈，海洋調(diào)查，水下考古，布雷掃雷等等都需要水面或水下船只的作業(yè)【1】。隨著對海洋開發(fā)的深入和地域的擴展，傳統(tǒng)的多點錨泊系統(tǒng)已經(jīng)不能滿足深海地域定位作業(yè)的要求，船舶動力定位系統(tǒng)卻能夠很好地解決這一問題。以往，船舶在海上作業(yè)時，如果要求保持作業(yè)地點固定不變，人們通常采用錨

5、泊系統(tǒng)實現(xiàn)定位。但是隨著水深的增加，或作業(yè)地點水下情況復雜不允許拋錨，錨泊系統(tǒng)就很難完成其保持船位的任務了，動力定位系統(tǒng)就是在這種情況下隨著科學技術的發(fā)展誕生了。動力定位系統(tǒng)可以使船舶在海上保持一定的位置和艏向，具有不受水深限制、投入和撤離迅速等優(yōu)點，并且可以使船舶實現(xiàn)精確的機動。對于許多進行海上作業(yè)的船舶來說，動力定位系統(tǒng)都是必要的支持系統(tǒng)。動力定位系統(tǒng)最早的使命是鉆取巖樣，為鉆取巖樣，需在海底鉆孔，而船應該浮在該孔上方。在鉆孔過程中，船可以從該孔內(nèi)任意方向移動一段水平距離。即船可以在以鉆孔點為圓心的某

6、一半徑的圓內(nèi)任意移動。有時這個圓稱為回旋圈。如深海采礦的回旋圈半徑通常要求為水深的3-5％。早期的動力定位勘探船“格洛馬挑戰(zhàn)者’’號曾收集水深達20000英尺(約6000米)的巖心【2J【31，假設定位精度水深3％，回旋圈半徑也有180米。進行海洋科學考察時，需要在回旋圈內(nèi)的定位時I’日J較長，必須考慮定位的能耗問題，希望節(jié)省定位消耗的功率。隨著近海jI：程的大規(guī)模建設和海洋資源的丌發(fā)，為這些_1i程服務的技術l哈爾濱l：稃人學碩十學侮論文水平也在迅速發(fā)展。在這方面擁有先進技術與裝備的國家，競爭中將占有明

7、顯的優(yōu)勢。海洋工程與陸地工程相比，對技術和設備的依賴性更大，要求更高。由于海洋環(huán)境復雜和多變，如果沒有先進的技術和裝備來支持，即使面對豐富的海洋資源，想予以丌發(fā)和利用也是無能為力。新的聯(lián)合國海洋公約法實施后，中國已擁有太平洋部分海域的優(yōu)先勘探和丌發(fā)權，這對我們是機遇，但更多的是挑戰(zhàn)。海洋工程技術的需求同益迫切，而海上作業(yè)系統(tǒng)動力定位作為其中基礎的關鍵技術，其發(fā)展則有著極為重要的意義。對于水面船舶來說，動力定位系統(tǒng)的主要目的是實現(xiàn)水平面的位置和艏向的三個自由度的控制。水面船舶要受到風、海浪、海流的干擾，在這

8、樣的復雜環(huán)境下船舶受力也很復雜，其運動表現(xiàn)為耦合、非線性。其中，波浪造成的船舶位置的移動包含兩部分。其一是二階波浪力產(chǎn)生的慢漂運動使船緩慢地漂離原來的位置，動力定位系統(tǒng)需要對其加以控制；其二是一階波浪力產(chǎn)生的高頻往復運動。動力定位系統(tǒng)很難也沒有必要對高頻位移進行控制，因為這樣會大大加速推力系統(tǒng)的磨損和能量消耗【4】，故必須在船舶估計中把這三個高頻分量濾掉。為此本文采用一種非線性估計濾波器，期望能獲得較好的濾波效果。1．2船舶動