基于约束非线性模型预测控制的船舶绿色动力定位研究

As a complex, advanced ship control technology, Dynamic Positioning system has become an essential support system of one of the key system of marine automation systems and offshore ship.Considering the stochastic disturbances and model uncertainty of the DP system, it uses the Unscented Kalman Filter and analytic model control technology to design a rubust and self-adaptive method to solve the constrained nolinear model precdictive problem. This research will include the establishment of a mathematical model of the ship dynamic positioning system, the nonlinear estimation filter design, the design of the weather optimal heading controller, nonlinear model predictive controller,and so on, which will ultimately combine the non-linear the control theory, advanced control technology, constrained control and dynamic positioning systems together and design an energy saving green dynamic positioning system.It realizes precise positioning for meeting the offshore operational needs and achieve the purpose of reducing fuel consumption and carbon dioxide emissions.Finally, simulation experenments will be carried out to validate the feasibility and validity of the technology in this research.

作为一种复杂的、先进的船舶控制技术，动力定位（Dynamic Positioning,DP）系统已成为船用自动化系统最重要系统之一和海上作业船必不可少的支持系统。针对船舶动力定位控制系统中存在的随机干扰以及模型参数的不确定性，应用无迹卡尔曼滤波方法对状态和不确定参数进行联合估计，并结合解析模型预测控制技术，设计对随机干扰和不确定参数具有鲁棒性能的船舶自适应动力定位控制算法，解决具有约束的非线性模型预测控制问题。研究包括：建立动力定位船舶操纵性和耐波性统一数学模型、非线性估计滤波器的设计、环境最优艏向控制器的设计、约束非线性模型预测区域控制器的设计等多个环节，最终将非线性控制理论、先进控制技术、约束控制技术与动力定位系统的有机结合，设计出节能减排的绿色动力定位系统。在满足作业需求精确定位的同时，达到减少燃料消耗和有害气体排放的目的，最终通过仿真验证该技术的可行性和有效性。

随着人们在海洋中的工程作业活动越来越多，人们对船舶动力定位（Dynamic Positioning,DP）技术越来越重视。长期运行在海洋中的动力定位船舶或设备所消耗的能量与排放的废气不可忽视。本项目以水面动力定位船舶为对象，针对其具有非线性、大迟滞、强耦合等特点，研究了基于非线性模型预测控制的环境最优动力定位控制算法，减少了燃料的消耗，降低机械磨损，实现节能减排的目的。首先，为更精确描述海洋环境中船舶的运动特性，兼顾船舶的操纵性和耐波性，建立了6自由度的船舶统一数学模型以及风、浪、流环境干扰的数学模型；其次，针对船舶动力定位控制系统中存在的随机干扰以及模型参数的不确定性，应用无迹卡尔曼滤波方法对状态和不确定参数进行联合估计实现了非线性估计滤波器的功能；之后，根据解析非线性模型预测控制算法，设计了非线性模型预测控制器，并通过Lyapunov稳定性判据证明该控制器的稳定性，针对解析模型预测控制器参数调节繁锁的问题，提出了基于粒子群算法的非线性解析模型预测控制器的优化设计方法；同时，研究不同的环境最优控制策略，一种是环境最优艏向控制策略，包括零侧推控制策略和零艏摇力矩控制策略；另一种是选用零侧推控制策略，分别设计了零功耗风向标控制器（ZPC-W）与环境最优动力定位控制器（WOPC）以及基于环境估计的环境最优动力定位控制器，最终设计了基于非线性模型预测控制的环境最优动力定位控制器。最后，基于挪威SDP系统的GreenDP思想，对所设计基于非线性约束模型预测的绿色动力定位系统进行了仿真验证。该系统主要包含三个组成部分：非线性估计滤波器、环境补偿器以及NMPC控制器。仿真结果证明，所研究的方法使动力定位船舶在节能减排方面获得了较大的收益。可见，本项目的研究对未来动力定位船舶的理论研究和工程实际应用，都有着较好的借鉴意义，并为现代动力定位技术揭示了更广阔的发展前景。