具有动态不确定的非线性船舶动力定位控制策略研究

动力定位是各种船舶（包括海洋石油钻井平台等各种海上浮式平台）进行海上作业的前提和关键，开展船舶动力定位研究是海洋工程和深海开发的前沿领域，具有重要学术价值和巨大工程意义。船舶由于其运动的非线性特性及纵荡、横荡和艏摇运动的耦合，并受内部动态特性变化和随机变化的环境外力的影响，导致船舶动力定位的核心问题是一个复杂的多输入多输出不确定非线性系统控制问题。本项目拟针对各种船舶在各种作业条件下，应用串级非线性理论、收敛动态法、Nassbaum-逆推算法等，研究动力定位控制问题中的非线性鲁棒观测器和鲁棒自适应控制器设计原理，进而针对一类具有动态不确定的非线性船舶提出科学有效的动力定位控制策略，依此给出船舶动力定位最优控制方案，使船舶动力定位控制系统对作业条件变化的灵敏度大大降低，极大增强动力定位系统鲁棒性，保证船舶能在深海领域、复杂海况等各种环境条件下安全、稳定工作，以满足各种船舶的定位需要。

动力定位是各种船舶（包括海洋石油钻井平台等各种海上浮式平台）进行海上作业的前提和关键，开展船舶动力定位研究是海洋工程和深海开发的前沿领域，具有重要学术价值和巨大工程意义。船舶由于其运动的非线性特性及纵荡、横荡和艏摇运动的耦合，并受内部动态特性变化和随机变化的环境外力的影响，导致船舶动力定位的核心问题是一个复杂的多输入多输出不确定非线性系统控制问题。本项目应用基于动态面的Nassbaum-逆推算法、串级非线性理论等非线性控制理论方法，结合神经网络智能控制方法和高增益观测器等，针对一类具有动态不确定的非线性船舶提出了科学有效的动力定位控制策略。.考虑非线性船舶的动态及风浪流等环境扰动不确定性，研究提出了动力定位鲁棒自适应神经网络控制策略。用径向基神经网络补偿船舶动态和扰动不确定性，并与矢量逆推设计工具相结合，设计动力定位鲁棒自适应控制器。.针对在未知时变环境扰动作用下的动力定位船舶的航迹跟踪控制问题，考虑含有科氏向心力矩阵和非线性阻尼项的船舶运动数学模型，用非线性扰动观测器和矢量逆推设计工具设计动力定位船舶鲁棒轨迹跟踪控制律，补偿未知扰动，使得船舶以高精度沿着期望航迹航行。.针对船舶操纵运动数学模型参数不确定和控制系数完全未知的问题，将动态面控制和Nussbaum函数引入逆推控制中，设计自适应航向控制器，动态面控制用来解决逆推算法固有的计算复杂性问题，Nussbaum函数用来解决未知的控制系数符号未知的问题。所提出的自适应控制律可实现船舶航向保持的渐近稳定。.针对动力定位船舶的速度不可测的问题，考虑带有环境扰动的动力定位船舶运动非线性数学模型，应用串级非线性系统理论提出一个非线性观测器-控制器控制方案，实现仅依赖于船舶位置和艏向测量值的船舶动力定位的全局渐近稳定输出反馈控制，且其观测器具有分离的稳定性。.仿真研究表明，所提出的各动力定位控制策略可使船舶动力定位系统对作业条件变化的灵敏度大大降低，极大增强了动力定位系统鲁棒性，保证船舶在深海领域、复杂海况等各种环境条件下安全、稳定工作，满足各种船舶的定位需要。若进一步开展应用研究，则可取得可观经济效益。依托本研究项目共发表论文32篇，申请发明专利2项，培养已毕业博士生1名，硕士生12名，建立了一支掌握船舶动力定位控制核心技术的研究队伍，为打破动力定位技术被国外垄断的局面，从而实现动力定位技术国产化奠定了理论基础。