动力定位自动区域保持控制方法研究
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摘要
本文以“大洋一号”海洋科学考察船为对象，在研究了“大洋一号”的普通动力定位模糊控制系统的基础上，以能量为评估函数，对输入中包含误差情况下的自动区域保持控制方法进行了有益的探讨。
动力定位船舶在海上受到风、浪、流的干扰，其运动具有很强的非线性、耦合性和大时滞性，采用常规的控制方法很难获得令人满意的控制效果。模糊控制作为一种智能控制方法，很适合于船舶动力定位系统这样复杂系统的控制。本文将模糊控制应用于船舶动力定位系统，解决了定点定位、艏向寻优，区域保持等问题，取得了令人满意的效果。
本文在船舶运动仿真系统的基础上，实现了对水面船舶动力定位的模糊控制。通过分析对模糊控制器优化的原理，提出了一种模糊控制器的优化方法，使基本模糊控制器的性能接近最优。该方法通过三个参数调整输入、输出隶属函数的分布，来达到改善系统的性能的目的，简单易行，对于模糊控制器的设计具有一定的实际意义。由于在最优艏向上横向受力最小，对于节省侧推功率具有很重要的意义，所以本文又提出了一种基于模糊逻辑的、根据横向运动进行的自动艏向寻优方法。该方法不依赖于传感器对环境要素的测量，艏向寻优和控制向结合，响应速度快，准确程度高。
最后本文通过对多种区域保持的控制方法进行比较，得到一种相对最节省能量的控制方法。该方法始终保持艏向接近平均最优艏向，根据纵向、横向偏差不完全控制纵向和横向，结果证明既相对最节省能量。当输入存在随机误差的情况下，采用常规的定点定位控制方法会导致推进器频繁改变状态，造成不必要的机械磨损，浪费很大的能量。如果不保证艏向，艏向变化幅度较大，调整艏向困难增大，能耗会随之很快增加。采用艏向自寻优方式同样艏向变化幅度较大，较之设定艏向方式能耗大。
本文的研究结果表明了模糊控制应用于船舶动力定位系统的可行性，以及保持艏向对于区域保持的重要意义。
This paper is based on the ocean science exploring ship of Ocean 1. Beyond the work of analysis of ordinary dynamic positioning (DP) fuzzy controller, research on auto area keeping when inputs contain errors that can't be neglected, energy as index function, is probed into.
The marine environmental forces acting on the vessel are the wind, the current and the waves. The motion control system of a dynamic positioning system is a nonlinear, coupling, time-delay complicate system. It's difficult to control the system effectively using the conventional control method. As an intellect control method, fuzzy logic control is very suitable control for such a complicate system. In this thesis fuzzy control method is applied to DP system. It has solved the problems such as accurate position-keeping, searching for most favorable heading (MFH), auto area keeping control, and has acquired satisfied control effect.
In this thesis the author achieved fuzzy control to DP system on the basis of simulation system of ship's motion. After analyzing the principles of optimizing basic fuzzy controller, a new method for optimization is proposed .The distribution of membership function of input and output can be adjusted by three parameters, which makes the control result approach to optimal. The method is simple and practicable, and is proved to be effective. And it will be of assist to design a fuzzy controller. When keeping MFH, the force acting on the vessel in the sway direction is lest, this will be of great importance for saving on energy. A technique of searching for MFH based on fuzzy logic is brought up, which adjusts the heading according to the lateral movement of the vessel. The technique is independent from measurement values and mathematic formula of environment factors, combining the acquiring for MFH and control, attaining fast response and a high degree of accuracy.
A control method is brought up that is most fit for auto area keeping in comparison with several other control plans. The plan keeps the heading of the vessel close to mean MFH, and does not keeping controlling the sway direction and surge direction. When there is random error in input data, if position-keeping plan is applied, thrusters will change working status in high frequency that will lead to sever thrust wear and energy waste. And if the heading is not kept, it will be hard to control the vessel, or bring about heavy cost while adjusting the head.
It shows that it's feasible to apply fuzzy logic control to dynamic positioning
动力定位船舶在海上受到风、浪、流的干扰，其运动具有很强的非线性、耦合性和大时滞性，采用常规的控制方法很难获得令人满意的控制效果。模糊控制作为一种智能控制方法，很适合于船舶动力定位系统这样复杂系统的控制。本文将模糊控制应用于船舶动力定位系统，解决了定点定位、艏向寻优，区域保持等问题，取得了令人满意的效果。
本文在船舶运动仿真系统的基础上，实现了对水面船舶动力定位的模糊控制。通过分析对模糊控制器优化的原理，提出了一种模糊控制器的优化方法，使基本模糊控制器的性能接近最优。该方法通过三个参数调整输入、输出隶属函数的分布，来达到改善系统的性能的目的，简单易行，对于模糊控制器的设计具有一定的实际意义。由于在最优艏向上横向受力最小，对于节省侧推功率具有很重要的意义，所以本文又提出了一种基于模糊逻辑的、根据横向运动进行的自动艏向寻优方法。该方法不依赖于传感器对环境要素的测量，艏向寻优和控制向结合，响应速度快，准确程度高。
最后本文通过对多种区域保持的控制方法进行比较，得到一种相对最节省能量的控制方法。该方法始终保持艏向接近平均最优艏向，根据纵向、横向偏差不完全控制纵向和横向，结果证明既相对最节省能量。当输入存在随机误差的情况下，采用常规的定点定位控制方法会导致推进器频繁改变状态，造成不必要的机械磨损，浪费很大的能量。如果不保证艏向，艏向变化幅度较大，调整艏向困难增大，能耗会随之很快增加。采用艏向自寻优方式同样艏向变化幅度较大，较之设定艏向方式能耗大。
本文的研究结果表明了模糊控制应用于船舶动力定位系统的可行性，以及保持艏向对于区域保持的重要意义。
This paper is based on the ocean science exploring ship of Ocean 1. Beyond the work of analysis of ordinary dynamic positioning (DP) fuzzy controller, research on auto area keeping when inputs contain errors that can't be neglected, energy as index function, is probed into.
The marine environmental forces acting on the vessel are the wind, the current and the waves. The motion control system of a dynamic positioning system is a nonlinear, coupling, time-delay complicate system. It's difficult to control the system effectively using the conventional control method. As an intellect control method, fuzzy logic control is very suitable control for such a complicate system. In this thesis fuzzy control method is applied to DP system. It has solved the problems such as accurate position-keeping, searching for most favorable heading (MFH), auto area keeping control, and has acquired satisfied control effect.
In this thesis the author achieved fuzzy control to DP system on the basis of simulation system of ship's motion. After analyzing the principles of optimizing basic fuzzy controller, a new method for optimization is proposed .The distribution of membership function of input and output can be adjusted by three parameters, which makes the control result approach to optimal. The method is simple and practicable, and is proved to be effective. And it will be of assist to design a fuzzy controller. When keeping MFH, the force acting on the vessel in the sway direction is lest, this will be of great importance for saving on energy. A technique of searching for MFH based on fuzzy logic is brought up, which adjusts the heading according to the lateral movement of the vessel. The technique is independent from measurement values and mathematic formula of environment factors, combining the acquiring for MFH and control, attaining fast response and a high degree of accuracy.
A control method is brought up that is most fit for auto area keeping in comparison with several other control plans. The plan keeps the heading of the vessel close to mean MFH, and does not keeping controlling the sway direction and surge direction. When there is random error in input data, if position-keeping plan is applied, thrusters will change working status in high frequency that will lead to sever thrust wear and energy waste. And if the heading is not kept, it will be hard to control the vessel, or bring about heavy cost while adjusting the head.
It shows that it's feasible to apply fuzzy logic control to dynamic positioning
引文
[1] M．J．摩根。近海船舶的动力定位。国防工业出版社．1984
[2] NAUTRONIX. Offshore Technology.1999,48-49P
[3] Capt. Joseph etc.DP for cruise ships.MARINE LOG 2000(8):19-23P
[4] Fung P T, Grimble M J.Dynamic ship positioning using a self-tuning Kalman filter.IEEE Trans on Automatic Control.1983, AC-28(3):339-349P
[5] J. SELKINAHO.Tuning a Dynamic Positioning System.Automatica.1993,29(4): 865-875P
[6] Michael Triantatyllou.The Design of a Dynamic Positioning System.IEEE Journal of Oceanic Engineering.1990(10):498-505P
[7] 常宗虎．不用艏侧推时船舶定点控位控制方法研究．哈尔滨工程大学硕士学位论文．2000
[8] 李家炜．船舶动力定位及机动定位技术的研究．哈尔滨工程大学博士学位论文。1998
[9] D J Wiltshire.The SRMH Platform Control and Monitoring System.Maritime Defence.1988(8): 298-303P
[10] Morley J F W. Automatic Positioning Control of MCMV. Maritime Defence.1989 (4): 106-108P
[11] “大洋一号”海洋科学考察船增改装动力定位系统技术方案及可行性研究．哈尔滨船大工程技术设计院．2000．5
[12] “大洋一号”船模水池实验报告．哈尔滨工程大学船模水池实验．2000．5
[13] “大洋一号”风洞实验报告．哈尔滨空气动力研究所．2000．5
[14] 王志东，徐玉如。风和流作用下动力定位船舶的运动性能预报．华东船舶工业学院学报．1995，9(2)：1-6页
[15] 吕舒平．救生艇六自由度定位系统建模与控制研究．哈尔滨工程大学博士学位论文．2000
[16] 芮世民，朱继懋，黄根余．应用自适应模糊控制实施船舶动力定位。上海交通大学学报．2000，34(1)：56-59页
[17] 庞永杰，徐玉如，倪绍毓等．船舶在复杂海况下的实时运动仿真．船舶工程．1998(1)：12-15页
[18] 吕舒平，边信黔，施小成。水下机器人六自由度动力定位系统建模与仿真，机器人．1998，20(4)：119-125页
[19] 季春群，J．E．W．Wichers.动力定位系统的控制方程及模型试验．海洋工程．Vol．17，No．4 1999(4)：31—34页
[20] 李殿璞．船舶运动与建模．哈尔滨工程大学出版社．1999，12
[21] 金鸿章，李国滨．船舶特种装置控制系统．国防工业出版社．1995
[22] 俞忠原．深潜器深度控制系统设计与分析．海洋技术．1989(8)：2-5页
[23] 王广运等．差分定位技术与应用．电子工业出版社。1998
[24] 何秀风，段志勇．GPS定位误差建模研究．导航。1996，9(3)：36-40页
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[27] 江鹢．船舶动力定位系统中的GPS数据处理技术研究。哈尔滨工程大学硕士学位论文．2000
[28] 周耀庭，谢成祥．舰船航速模糊控制系统仿真研究．系统仿真学报．1999，11(4)：289-292页
[29] 刘清，吴秀恒．船舶操纵运动的模糊自适应控制系统．武汉交通科技大学学报．2000，24(5)：588-592页
[30] 刘清，吴秀恒，邹早建．船舶航向模糊控制与仿真研究．武汉造船．2001(1)：6-9页
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[32] 程启明，黄林．船舶操纵的参数模糊控制器研究。船舶工程．1997，(4)：45-47页
[33] 李家炜，肖坤，苏东伟．船舶机动定位技术研究．船舶工程．1999，(4)：10-12页
[34] 李家炜，庞永杰，徐玉如．用模糊逻辑实现动力定位船舶的艏向寻优．船舶工程．1998(2)：49-51页
[35]窦振中．模糊逻辑控制技术及其应用．北京航空航天大学出版社．1997
[36]孙增圻等．智能控制理论与技术．清华大学出版社．1997
[37]余永权，曾碧．单片机模糊逻辑控制．北京航空航天大学．1995
[38]王志东，杨松林．定常风作用下船舶运动模糊控制的初步研究．华东船舶工业学院学报．1996，10(4)：20-23页
[39]邓志良．船舶操纵模糊控制器的设计与仿真．华东船舶工业学院学报．1994，(1)：1-4页
[40]黄义新，方怡冰．三种船舶运动控制仿真系统．系统仿真学报．2001，13(6)：785-788页
[41]王志东，杨松林，朱庆人．船舶航向及位置的模糊控制方法研究．华东船舶工业学院学报．1998，12(5)：16-20页
[42]李家炜，徐玉如，庞永杰，动力定位船舶的机动定位技术。哈尔滨工程大学学报．1998，19(3)：22-28页
[43]鲍新福，都志杰，王芳君．自调整比例因子模糊控制．自动化学报．1987(2)：192-133页
[44]黄圣安，杨欣欣．智能调整型模糊控制器的研究．同济大学学报．1996，24(3)：49-54页
[45]白连平，陈秀真。提高模糊控制器的稳态精度的研究．西安交通大学学报．2001，35(2)：119-123页
[46]钟权龙，姜长洪，于力．改善模糊控制器动态特性的方法。沈阳化工学院学报．2000，14(2)：12-16页
[47]王沣浩，俞炳丰．模糊控制器比例因子与空调系统稳定性关系的研究，电子技术与应用．2000，26(5)：35-37页
[48]赵元黎，刘越，杨松林．专家调整量化因子的模糊控制器．电子技术与应用．2000，26(4)：35-36页
[49]白连平，同小军等．提高模糊控制器稳态精度的一种可实现办法．西安石油学院学报．2001，15(3)：43-45页
[50]何平，王鸿绪．模糊控制器的设计及应用．科学出版社．1998
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