带有推进器饱和的动力定位船舶容错控制研究

作     者：赵志豪 

作者单位：大连海事大学 

学位级别：硕士

导师姓名：郝立颖

授予年度：2023年

学科分类：08[工学] 082402[工学-轮机工程] 0824[工学-船舶与海洋工程] 0802[工学-机械工程] 080201[工学-机械制造及其自动化] 

主      题：动力定位船舶 容错控制 推进器饱和 量化 时延 

摘      要：作为勘探和开发海洋资源的重要利器,动力定位船舶被广泛应用在海洋工程作业中。然而,推进器结构的限制以及电机功率的限制使得推进系统无法提供任意大小的推力和力矩,从而产生了推进器饱和现象。一旦忽略了推进器饱和现象,可能会影响动力定位船舶的稳定性。与此同时,由于动力定位船舶长时间的在恶劣的海洋环境中作业,易发生电机转动轴承磨损、螺旋桨桨叶与暗礁发生碰撞或与海草缠绕等现象,可能会引起推进器故障,这给动力定位船舶的稳定性带来了更大的挑战。此外,滑模控制作为一种有效的容错工具,不仅对海洋外部扰动具有良好的鲁棒性,而且具有快速响应能力。因此,基于滑模技术的动力定位控制成为鲁棒容错控制领域的主流研究方向之一。本文主要利用滑模技术针对带有推进器饱和的动力定位船舶开展鲁棒容错控制研究,主要研究工作如下:(1)针对带有海洋环境扰动和推进器饱和的动力定位船舶的容错控制问题,提出了一种带有饱和参数估计的滑模容错控制策略。首先建立一个统一的推进器故障模型,然后设计基于自适应机制的滑模控制算法,该方法不需要故障检测与隔离机制能够补偿推进器饱和及其故障带来的影响。通过LMI技术和Lyapunov稳定性理论,证明了动力定位船舶的稳定性。与现有结果相比,从滑模控制的角度给出了故障信息与吸引域的关系。最后,仿真对比结果表明了所提出的滑模容错控制算法的有效性。(2)针对存在网络信号量化现象和推进器饱和的动力定位船舶的容错控制问题,提出了一种带有动态量化参数调节策略的滑模容错控制方法。首先给出动态量化参数调整范围,揭示量化参数与故障参数、期望目标值之间的关系。然后设计滑模控制律与量化参数的动态调节策略,在量化的作用下,滑模控制律使状态达到滑模面附近的带状区域,并在量化参数动态调节策略下,使状态渐近趋向平衡点,从而补偿量化误差带来的影响。最后,通过对比仿真表明了量化滑模控制算法的有效性。(3)针对同时存在状态时变时延和量化现象的动力定位船舶的容错控制问题,提出了一种带有时延信息的量化调节范围的滑模容错控制策略。首先,针对时延现象给出了改进的动态量化参数调整范围,揭示了时延参数与量化参数、故障参数、期望目标值之间的关系。然后依据此关系设计出的带有量化参数调节策略的滑模控制方法可以补偿状态时变时延的影响,从而抑制艏向角和艏向角速度的振荡幅度。最后,仿真对比结果表明了所提控制策略的有效性。