船舶航向檢測(cè)與動(dòng)力定位控制方法研究

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1、中圖分類號(hào)：TP273論文編號(hào)：102870315-S156學(xué)科分類號(hào)：081102碩士學(xué)位論文船舶航向檢測(cè)與動(dòng)力定位控制方法研究研究生姓名朱彥菘學(xué)科、專業(yè)檢測(cè)技術(shù)與自動(dòng)化裝置研究方向自動(dòng)化儀表與裝置指導(dǎo)教師盛守照副教授南京航空航天大學(xué)研究生院自動(dòng)化學(xué)院二О一五年三月承諾書本人聲明所呈交的碩士學(xué)位論文是本人在導(dǎo)師指導(dǎo)下進(jìn)行的研究工作及取得的研究成果。除了文中特別加以標(biāo)注和致謝的地方外，論文中不包含其他人已經(jīng)發(fā)表或撰寫過的研究成果，也不包含為獲得南京航空航天大學(xué)或其他教育機(jī)構(gòu)的學(xué)位或證書而使用過的材料。本人授權(quán)南京航空航天大學(xué)可以將學(xué)位論

2、文的全部或部分內(nèi)容編入有關(guān)數(shù)據(jù)庫進(jìn)行檢索，可以采用影印、縮印或掃描等復(fù)制手段保存、匯編學(xué)位論文。（保密的學(xué)位論文在解密后適用本承諾書）作者簽名：日期：南京航空航天大學(xué)碩士學(xué)位論文摘要船舶動(dòng)力定位系統(tǒng)通過船舶自身的推力來抵抗風(fēng)、浪、海流等環(huán)境干擾力，從而使船舶在海面上保持一定的位置和方向。該系統(tǒng)具有不受水深限制、部署迅速和撤離迅速等優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)又能夠使船舶實(shí)現(xiàn)較為精確的機(jī)動(dòng)。因此，對(duì)于大多數(shù)在海上作業(yè)的船舶來說，動(dòng)力定位系統(tǒng)是必要的支持系統(tǒng)。為了提高船舶動(dòng)力定位系統(tǒng)的性能，本文對(duì)船舶航向檢測(cè)以及動(dòng)力定位控制方法展開了研究。船舶磁航向系統(tǒng)是一

3、種利用地球磁場測(cè)量船舶磁航向角的裝置，它的精度直接影響船舶動(dòng)力定位系統(tǒng)的控制精度。作為磁航向系統(tǒng)的核心傳感器，三軸磁力計(jì)的誤差是磁航向系統(tǒng)誤差的主要來源。本文在分析三軸磁力計(jì)的各項(xiàng)誤差來源的基礎(chǔ)上，建立了三軸磁力計(jì)的誤差線性化模型，并在模型的基礎(chǔ)上，針對(duì)不同的使用環(huán)境，設(shè)計(jì)了四元素、七元素和十元素這三種磁場校正算法，為研究船舶動(dòng)力定位系統(tǒng)的控制方法奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。船舶在海面上的綜合運(yùn)動(dòng)包括了由風(fēng)力、海流力、二階波浪力、推進(jìn)力造成的低頻運(yùn)動(dòng)和一階波浪力造成的高頻運(yùn)動(dòng)。由于高頻運(yùn)動(dòng)僅表現(xiàn)為周期性的振蕩而不會(huì)導(dǎo)致平均位置的改變，為了避免不必

4、要的能量浪費(fèi)和推進(jìn)器系統(tǒng)的磨損，一般從測(cè)得的綜合位置信號(hào)中分離出低頻信號(hào)進(jìn)行控制。本文在合理的假設(shè)條件下，建立并推導(dǎo)出了環(huán)境干擾力模型和船舶動(dòng)力定位系統(tǒng)的簡化模型，并將兩者相結(jié)合，基于無源性理論設(shè)計(jì)了一種非線性無源觀測(cè)器。在不同海況下的仿真試驗(yàn)表明，該非線性無源觀測(cè)器對(duì)于船舶運(yùn)動(dòng)的高低頻信號(hào)都能進(jìn)行有效的估計(jì)，可以實(shí)現(xiàn)船舶的高頻運(yùn)動(dòng)濾波和低頻運(yùn)動(dòng)狀態(tài)重構(gòu)。本文為實(shí)現(xiàn)船舶的動(dòng)力定位控制，首先利用微分同胚變換將船舶的位置變量變換到隨船坐標(biāo)系中，實(shí)現(xiàn)多變量耦合狀態(tài)的初步解耦，并對(duì)系統(tǒng)之間的相互影響進(jìn)行了穩(wěn)定性分析，分析結(jié)果使得在控制器設(shè)計(jì)中只

5、考慮低階本質(zhì)非線性子系統(tǒng)的狀態(tài)收斂性即可，由此簡化了控制器的設(shè)計(jì)，最后利用反步法設(shè)計(jì)了船舶動(dòng)力定位系統(tǒng)的控制器，并與所設(shè)計(jì)的非線性無源觀測(cè)器相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了船舶動(dòng)力定位控制的全局漸近穩(wěn)定，并可使部分狀態(tài)以指數(shù)速率收斂于系統(tǒng)的平衡點(diǎn)。仿真試驗(yàn)表明，所設(shè)計(jì)的控制器在不同海況下均具有良好的效果。關(guān)鍵詞：動(dòng)力定位系統(tǒng)，磁力計(jì)，一階波浪力，非線性無源觀測(cè)器，微分同胚變換，反步法i船舶航向檢測(cè)與動(dòng)力定位控制方法研究ABSTRACTThedynamicpositioningsystemresistsagainstthedisturbancebywind

6、,waveandcurrentbytheuseofthrustsystemontheship,andthenmaintainsthedesiredpositionandheadingonthesea.Thissystemhasadvantagesthatarenotrestrictedbythedepthofwaterandenterorretreatrapidly,andachievethepreciseflexibilityofships.Tomanyvesselswhichcarryontheoperationonthesea,i

7、tisnecessarytousethedynamicpositioningsystem.Inordertoimprovetheperformanceofdynamicpositioningsystem,researchonheadingdetectionanddynamicpositioningcontrolmethodofshiparecarriedoutinthispaper.Magneticheadingmeasuresystemisadevicewhichcanmeasureheadingangleofshipbyusingt

8、heearth'smagneticfieldmagnetic.Itsaccuracydirectlyaffectsthecontrolprecisionofshipdynamicpositioningsys