【硕士论文】船舶动力定位系统非线性估计滤波器的研究.pdf

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1、哈尔滨T程大学硕士学位论文摘要动力定位系统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、投入和撤离迅速等优点并且使船实现精确的机动。对于许多进行海上作业的船舶来说，动力定位系统都是必要的支持系统。船舶在海面上的综合运动一般分为由风、流、二阶波漂力、推力器造成的低频运动和一阶波浪力造成的高频运动。由于高频运动仅表现为周期性的振荡而不会导致平均位置的改变，为了避免不必要的能量浪费和推力器的磨损，一般从船舶测得的综合位置信号分离出低频信号进行控制，因此，滤波在动力定位系统中起着非常重要的作用。本文以

2、动力定位船舶为研究对象，在合理的假设条件下，建立并推导出了简便的动力定位船舶的数学模型，并针对二阶波浪漂移力和海流等外界慢变的环境作用力和力矩，建立了环境力估计模型，并将其与船舶动力定位系统模型相结合设计了一种非线性估计滤波器。该估计滤波器既能完成动力定位系统需要的滤波作用，也能够从附有测量噪声的输出中估计得到船舶低频位置和运动速度，以及环境扰动作用力。最后，本文以动力定位系统数学模型进行仿真，通过不加控制器，加入控制器无估计滤波器和加入控制器有估计滤波器等一系列仿真实验，验证了此非线性估计滤波器能够准确

3、估计得到系统模型中的状态。本文的研究工作集中在动力定位系统的滤波器上，重点探讨了非线性系统理论在动力定位系统中的应用，并对系统的稳定性做了详细的分析。文中做了大量的仿真研究，通过仿真结果来验证所提出算法的有效性。关键词：动力定位；非线性估计滤波器；船舶模型；环境扰动；哈尔滨。I：程人学硕十学位论文第1章绪论1．1课题的背景及课题的意义海洋这一广阔的水域，蕴藏着丰富的矿物资源、海洋生物资源和能源，是人类社会可持续发展的重要财富、研究和合理开发海洋，对人类的经济和社会发展具有重要的意义。随着科学技术的进步，全

4、球经济的发展和人类活动空间的不断扩大，人们对海洋能源与海洋资源的需求不断增加，人们的活动范围也慢慢从沿岸、近海，扩展到更深的海域。人类已经进入了开发和利用海洋的时代。各种各样的水下活动，无论是民用的还是军事的，如海洋地址考察，油气开采，水产捕捞，海洋调查，水下考古，布雷扫雷等等都需要水面或水下船只的作业【1】。随着对海洋开发的深入和地域的扩展，传统的多点锚泊系统已经不能满足深海地域定位作业的要求，船舶动力定位系统却能够很好地解决这一问题。以往，船舶在海上作业时，如果要求保持作业地点固定不变，人们通常采用锚

5、泊系统实现定位。但是随着水深的增加，或作业地点水下情况复杂不允许抛锚，锚泊系统就很难完成其保持船位的任务了，动力定位系统就是在这种情况下随着科学技术的发展诞生了。动力定位系统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、投入和撤离迅速等优点，并且可以使船舶实现精确的机动。对于许多进行海上作业的船舶来说，动力定位系统都是必要的支持系统。动力定位系统最早的使命是钻取岩样，为钻取岩样，需在海底钻孔，而船应该浮在该孔上方。在钻孔过程中，船可以从该孔内任意方向移动一段水平距离。即船可以在以钻孔点为圆心的某

6、一半径的圆内任意移动。有时这个圆称为回旋圈。如深海采矿的回旋圈半径通常要求为水深的3-5％。早期的动力定位勘探船“格洛马挑战者’’号曾收集水深达20000英尺(约6000米)的岩心【2J【31，假设定位精度水深3％，回旋圈半径也有180米。进行海洋科学考察时，需要在回旋圈内的定位时I’日J较长，必须考虑定位的能耗问题，希望节省定位消耗的功率。随着近海jI：程的大规模建设和海洋资源的丌发，为这些_1i程服务的技术l哈尔滨l：稃人学硕十学侮论文水平也在迅速发展。在这方面拥有先进技术与装备的国家，竞争中将占有明

7、显的优势。海洋工程与陆地工程相比，对技术和设备的依赖性更大，要求更高。由于海洋环境复杂和多变，如果没有先进的技术和装备来支持，即使面对丰富的海洋资源，想予以丌发和利用也是无能为力。新的联合国海洋公约法实施后，中国已拥有太平洋部分海域的优先勘探和丌发权，这对我们是机遇，但更多的是挑战。海洋工程技术的需求同益迫切，而海上作业系统动力定位作为其中基础的关键技术，其发展则有着极为重要的意义。对于水面船舶来说，动力定位系统的主要目的是实现水平面的位置和艏向的三个自由度的控制。水面船舶要受到风、海浪、海流的干扰，在这

8、样的复杂环境下船舶受力也很复杂，其运动表现为耦合、非线性。其中，波浪造成的船舶位置的移动包含两部分。其一是二阶波浪力产生的慢漂运动使船缓慢地漂离原来的位置，动力定位系统需要对其加以控制；其二是一阶波浪力产生的高频往复运动。动力定位系统很难也没有必要对高频位移进行控制，因为这样会大大加速推力系统的磨损和能量消耗【4】，故必须在船舶估计中把这三个高频分量滤掉。为此本文采用一种非线性估计滤波器，期望能获得较好的滤波效果。1．2船舶动