起重船动力定位系统控制器设计(附件)【字数：11377】
动力定位系统在船舶上已有广泛应用，而船舶定位精度很大程度取决于控制方法，本课题以某起重船为研究背景，结合该船动力定位作业过程中的定位控制系统进行探讨和研究，论文主要包括以下几个方面的工作针对起重船动力定位系统模型定义了坐标系和运动变量，建立风、浪、流三大外界环境扰动力的数学模型，然后建立船舶运动的三自由度数学模型并对实船数据量纲处理。深入研究了自抗扰控制器的结构，对其三个核心部分进行了深入探讨，在基本的自抗扰控制器基础上进行改进。基于起重船动力定位系统模型，采用自抗扰理论设计了动力定位系统控制器。利用MATLAB仿真软件对所设计的控制器做仿真试验以验证所提出的控制方法的有效性。通过仿真结果对比，所设计的控制器效果较好，同时控制器参数调整相对简单，有一定的应用价值。关键词起重船；动力定位系统；自抗扰控制器
目录
第一章 绪论 1
1.1 研究背景及意义 1
1.2 动力定位系统简介 2
1.3 国内外研究现状 3
1.3.1 动力定位系统发展和现状 3
1.3.2 自抗扰控制技术现状 4
1.4 本文主要研究内容 5
第二章 船舶动力定位系统的数学模型 6
2.1 引言 6
2.2 坐标系的选取与建立 6
2.2.1 固定坐标系和船体坐标系 6
2.2.2 两坐标系转换关系 7
2.3 运动变量定义 8
2.4 环境扰动力数学模型 9
2.4.1 风的干扰力模型 9
2.4.2 浪的干扰力模型 10
2.4.3 流的干扰力模型 11
2.5 船舶三自由度模型 12
2.5.1 船舶低频运动模型 12
2.5.2 实船参数 13
2.6 本章小结 14
第三章 自抗扰控制器 15
3.1 引言 15
3.2 自抗扰思想溯源 15
3.2.1 PID控制方法 15
3.2.2 自抗扰思想由来 16
3.3 自抗扰控制器介绍 17
3.3.1 自抗扰控制器结构 17 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: @351916072@
3.3.2 非线性跟踪微分器 18
3.3.3 非线性扩张状态观测器 19
3.3.4 非线性状态误差反馈控制律 21
3.4 改进的自抗扰控制器 22
3.5 本章小结 25
第四章 动力定位系统控制器设计及仿真 26
4.1 引言 26
4.2 动力定位系统控制器设计 26
4.2.1 基于PID的DP控制器设计 26
4.2.2基于LADRC的DP控制器设计 27
4.3 仿真结果分析 29
4.4 本章小结 34
结论 35
致谢 36
参考文献 37
第一章 绪论
1.1 研究背景及意义
随着环境污染日趋严重，陆地资源逐步枯竭，人们探索的领域逐渐向海洋倾斜，我国一直对海洋开发十分重视，建设海洋强国的战略从未改变。我国有着悠长的海岸线以及丰富的海洋资源，但是近海探索具有自身的局限性，而且化学污染愈发严重，我们的活动范围进一步向深海拓展，这对船舶领域尤其是定位领域是更大的挑战。船舶在出行时安全始终是第一要素，那么必须配备可靠的、适应能力强的定位系统，传统的锚泊系统定位精度以及其机动性能都相对较差，每当需要重新定位时，必须收锚重新操作，这一系列过程十分繁琐因此效率也十分底下，此外，锚泊系统最大的弊端还在于其有效的定位范围只能达到百米，这明显难以满足在深海环境的定位需求。
动力定位(Dynamic Positioning——DP)的出现为探索深海提供了新的技术支持。动力定位系统由位置测量系统、推力器系统和控制器系统三个分系统构成[1]。由于整个闭环系统可以依靠其本身的动力来抵抗外部干扰，推力器可平衡扰动力的影响，与锚泊技术相比其定位成本将不受水深影响。现实中，在深海区作业的不确定性很多，因此对动力定位系统的性能和可靠性具有很高的要求，那么合适的控制方法极其重要，这对于保障船舶的正常行驶以及出海人员的人身安全都具有重大意义。传统的控制方法存在诸多弊端，例如PID控制器只能被动地对已经发生的扰动做出相应的响应且适应范围有限，对于深海作业的船舶其面临诸多的不确定因素和干扰，最好的办法是防患于未然，控制方法应具有良好的抗干扰能力和鲁棒性来应对各种未知情况。在众多的控制方法中，本文选用了自抗扰控制方法，该方法可以在扰动发生之前估计并补偿，适应性良好且抗干扰能力强，完全满足提前防范的要求。
由于船舶动力定位系统存在模型不确定、干扰强等特点，控制技术必须更加可靠，而控制技术作为动力定位的核心技术之一，对于保障船舶航行的安全性具有重要意义。因此本文对动力定位系统的控制方法进行了探讨，对自抗扰思想做了研究并将其应用于实际控制中。
1.2 动力定位系统简介
图11：DP系统框图
如图11所示：动力定位系统主要由控制系统、推力系统和位置测量系统构成。其中：
控制系统是整个动力定位系统的核心部分，其功能包括：导航系统和参考轨迹、信号处理、推力分配、观测器、控制器。船舶航行过程中会有设定好的位置和艏向，参考模型会根据给定的位置和艏向产生一条航行轨迹。观测器可以得到位置、艏向还有速度的估值。信号处理的功能主要有检测传感器的故障、防噪声污染、协调传感器等等。推力分配可向众多的推进器分配所需要的力，该力有特定的分配算法，如图中所示，船舶位置和艏向信息将通过船舶模型、位置参考系统以及观测器获得。控制系统为得到误差值会将实际位置、艏向与期望值作比较，该误差经过推算可得到平衡外部干扰力所需要的推力，然后控制系统给推进器发出控制指令，推进器系统响应后将产生相应的推力和转矩。
位置测量系统作为动力定位系统的基础，通过位置测量系统可以得到实际的位置和艏向信息，艏向信息一般通过速度陀螺仪或者电罗经来测量，位置信息通常利用卫星导航系统、无线电应答系统、声呐参考系统等来测量。除了位置测量系统，还有另外一套系统，通常被称为传感器系统，该系统可测量风速、风向、流速等要素。
目录
第一章 绪论 1
1.1 研究背景及意义 1
1.2 动力定位系统简介 2
1.3 国内外研究现状 3
1.3.1 动力定位系统发展和现状 3
1.3.2 自抗扰控制技术现状 4
1.4 本文主要研究内容 5
第二章 船舶动力定位系统的数学模型 6
2.1 引言 6
2.2 坐标系的选取与建立 6
2.2.1 固定坐标系和船体坐标系 6
2.2.2 两坐标系转换关系 7
2.3 运动变量定义 8
2.4 环境扰动力数学模型 9
2.4.1 风的干扰力模型 9
2.4.2 浪的干扰力模型 10
2.4.3 流的干扰力模型 11
2.5 船舶三自由度模型 12
2.5.1 船舶低频运动模型 12
2.5.2 实船参数 13
2.6 本章小结 14
第三章 自抗扰控制器 15
3.1 引言 15
3.2 自抗扰思想溯源 15
3.2.1 PID控制方法 15
3.2.2 自抗扰思想由来 16
3.3 自抗扰控制器介绍 17
3.3.1 自抗扰控制器结构 17 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: @351916072@
3.3.2 非线性跟踪微分器 18
3.3.3 非线性扩张状态观测器 19
3.3.4 非线性状态误差反馈控制律 21
3.4 改进的自抗扰控制器 22
3.5 本章小结 25
第四章 动力定位系统控制器设计及仿真 26
4.1 引言 26
4.2 动力定位系统控制器设计 26
4.2.1 基于PID的DP控制器设计 26
4.2.2基于LADRC的DP控制器设计 27
4.3 仿真结果分析 29
4.4 本章小结 34
结论 35
致谢 36
参考文献 37
第一章 绪论
1.1 研究背景及意义
随着环境污染日趋严重，陆地资源逐步枯竭，人们探索的领域逐渐向海洋倾斜，我国一直对海洋开发十分重视，建设海洋强国的战略从未改变。我国有着悠长的海岸线以及丰富的海洋资源，但是近海探索具有自身的局限性，而且化学污染愈发严重，我们的活动范围进一步向深海拓展，这对船舶领域尤其是定位领域是更大的挑战。船舶在出行时安全始终是第一要素，那么必须配备可靠的、适应能力强的定位系统，传统的锚泊系统定位精度以及其机动性能都相对较差，每当需要重新定位时，必须收锚重新操作，这一系列过程十分繁琐因此效率也十分底下，此外，锚泊系统最大的弊端还在于其有效的定位范围只能达到百米，这明显难以满足在深海环境的定位需求。
动力定位(Dynamic Positioning——DP)的出现为探索深海提供了新的技术支持。动力定位系统由位置测量系统、推力器系统和控制器系统三个分系统构成[1]。由于整个闭环系统可以依靠其本身的动力来抵抗外部干扰，推力器可平衡扰动力的影响，与锚泊技术相比其定位成本将不受水深影响。现实中，在深海区作业的不确定性很多，因此对动力定位系统的性能和可靠性具有很高的要求，那么合适的控制方法极其重要，这对于保障船舶的正常行驶以及出海人员的人身安全都具有重大意义。传统的控制方法存在诸多弊端，例如PID控制器只能被动地对已经发生的扰动做出相应的响应且适应范围有限，对于深海作业的船舶其面临诸多的不确定因素和干扰，最好的办法是防患于未然，控制方法应具有良好的抗干扰能力和鲁棒性来应对各种未知情况。在众多的控制方法中，本文选用了自抗扰控制方法，该方法可以在扰动发生之前估计并补偿，适应性良好且抗干扰能力强，完全满足提前防范的要求。
由于船舶动力定位系统存在模型不确定、干扰强等特点，控制技术必须更加可靠，而控制技术作为动力定位的核心技术之一，对于保障船舶航行的安全性具有重要意义。因此本文对动力定位系统的控制方法进行了探讨，对自抗扰思想做了研究并将其应用于实际控制中。
1.2 动力定位系统简介
图11：DP系统框图
如图11所示：动力定位系统主要由控制系统、推力系统和位置测量系统构成。其中：
控制系统是整个动力定位系统的核心部分，其功能包括：导航系统和参考轨迹、信号处理、推力分配、观测器、控制器。船舶航行过程中会有设定好的位置和艏向，参考模型会根据给定的位置和艏向产生一条航行轨迹。观测器可以得到位置、艏向还有速度的估值。信号处理的功能主要有检测传感器的故障、防噪声污染、协调传感器等等。推力分配可向众多的推进器分配所需要的力，该力有特定的分配算法，如图中所示，船舶位置和艏向信息将通过船舶模型、位置参考系统以及观测器获得。控制系统为得到误差值会将实际位置、艏向与期望值作比较，该误差经过推算可得到平衡外部干扰力所需要的推力，然后控制系统给推进器发出控制指令，推进器系统响应后将产生相应的推力和转矩。
位置测量系统作为动力定位系统的基础，通过位置测量系统可以得到实际的位置和艏向信息，艏向信息一般通过速度陀螺仪或者电罗经来测量，位置信息通常利用卫星导航系统、无线电应答系统、声呐参考系统等来测量。除了位置测量系统，还有另外一套系统，通常被称为传感器系统，该系统可测量风速、风向、流速等要素。
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