發(fā)布時(shí)間：2018-01-16 21:07

  本文關(guān)鍵詞：深水半潛式錨泊定位系統(tǒng)控制策略及半物理仿真研究　出處：《哈爾濱工程大學(xué)》2014年博士論文　論文類型：學(xué)位論文

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【摘要】：受風(fēng)、浪、流等海洋環(huán)境干擾影響,半潛式平臺(tái)不可避免地會(huì)產(chǎn)生六自由度搖蕩運(yùn)動(dòng),其中半潛式平臺(tái)對(duì)水平方向的縱蕩、橫蕩及艏搖運(yùn)動(dòng)不具有回復(fù)力,導(dǎo)致平臺(tái)逐漸偏離平衡位置,進(jìn)而威脅到半潛式平臺(tái)的工作及安全性能。因此,平臺(tái)定位系統(tǒng)的性能至關(guān)重要。錨泊定位與動(dòng)力定位是迄今應(yīng)用最廣泛的定位系統(tǒng),然而錨泊定位系統(tǒng)定位精度較低,動(dòng)力定位系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性差,本文提出一種具有錨鏈切換控制的錨泊自動(dòng)定位系統(tǒng)。該系統(tǒng)在保證平臺(tái)的定位精度的基礎(chǔ)上,降低了系統(tǒng)的總體成本,同時(shí)兼顧了錨鏈張力場(chǎng)的均勻分布,避免了因張力分配不均而引起錨鏈斷裂的安全隱患,提高了定位系統(tǒng)的安全性。為研究錨泊自動(dòng)定位半潛式平臺(tái)的動(dòng)力學(xué)特性,本文首先對(duì)平臺(tái)的低頻運(yùn)動(dòng)模型進(jìn)行分析,為簡(jiǎn)化控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及便于對(duì)被控對(duì)象的分析,將系統(tǒng)方程在低速狀態(tài)下線性化,建立具有狀態(tài)空間形式的平臺(tái)低頻運(yùn)動(dòng)方程。錨泊阻尼直接影響對(duì)半潛式平臺(tái)及錨泊系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)響應(yīng)預(yù)測(cè)的準(zhǔn)確性,采用準(zhǔn)靜態(tài)分析方法來(lái)估算錨泊阻尼,并在作業(yè)平臺(tái)運(yùn)動(dòng)方程的阻尼矩陣中加入計(jì)算得到的阻尼系數(shù)以更準(zhǔn)確地計(jì)算平臺(tái)的運(yùn)動(dòng)響應(yīng)。分析半潛式平臺(tái)所受海洋擾動(dòng)性質(zhì),建立海風(fēng)、海流、一階波浪力及二階波浪力干擾模型,并針對(duì)目標(biāo)平臺(tái)進(jìn)行數(shù)值仿真以確定不同海清下平臺(tái)所承受的海洋擾動(dòng)力、力矩。闡述錨鏈動(dòng)力分析的必要性,利用忽略抗彎剛度的彈性桿理論建立錨鏈的運(yùn)動(dòng)模型。彈性桿理論考慮了非線性因素的作用,推導(dǎo)過(guò)程嚴(yán)密。由于推導(dǎo)出的錨鏈運(yùn)動(dòng)控制方程為非線性微分方程,很難對(duì)其進(jìn)行解析求解,因此采用有限元法將上述微分方程轉(zhuǎn)換為弱形式,并采用數(shù)值積分方法對(duì)方程進(jìn)行求解,用以分析錨鏈的動(dòng)力特性。介紹了幾種常用的數(shù)值積分方法,在分析各方法的優(yōu)缺點(diǎn)的基礎(chǔ)上,采用具有二階精度、可控?cái)?shù)值阻尼及無(wú)條件穩(wěn)定性質(zhì)的改進(jìn)的廣義α算法對(duì)錨鏈進(jìn)行動(dòng)力分析。進(jìn)一步,采用間接時(shí)域法對(duì)平臺(tái)與錨泊系統(tǒng)進(jìn)行耦合分析,首先利用三維勢(shì)流理論,在頻域內(nèi)得出半潛式平臺(tái)的水動(dòng)力參數(shù),再通過(guò)頻域時(shí)域轉(zhuǎn)換將水動(dòng)力參數(shù)變換到時(shí)域內(nèi)建立時(shí)域耦合方程,求解平臺(tái)及錨鏈的運(yùn)動(dòng)響應(yīng)。分析半潛式平臺(tái)錨泊自動(dòng)定位系統(tǒng)特征,針對(duì)其具有輸入時(shí)滯及不確定性的特點(diǎn),說(shuō)明LQR控制的局限性。結(jié)合線性矩陣不等式理論,魯棒控制算法及李雅普諾夫穩(wěn)定性理論,分別設(shè)計(jì)了具有區(qū)間輸入時(shí)滯的H∞控制策略及保性能控制策略來(lái)產(chǎn)生抵抗環(huán)境擾動(dòng)的控制合力(力矩)。具有區(qū)間輸入時(shí)滯的H∞控制策略考慮了時(shí)滯下界不為零的情況,在Lyapunov函數(shù)的構(gòu)造過(guò)程中,亦包含了時(shí)滯下界信息;在保性能控制策略的設(shè)計(jì)過(guò)程中,將具有輸入時(shí)滯的保性能控制擴(kuò)展到基于誤差向量的形式以實(shí)現(xiàn)平臺(tái)的定點(diǎn)定位。所設(shè)計(jì)的兩種控制器從不同的側(cè)重角度解決了由于水動(dòng)力參數(shù)的不確定而引起的模型不確定性及由于錨鏈切換所導(dǎo)致的輸入時(shí)滯問(wèn)題。在保證平臺(tái)目標(biāo)位置的基礎(chǔ)上優(yōu)化錨鏈的張力分布,結(jié)合錨泊系統(tǒng)模型,通過(guò)定義目標(biāo)函數(shù)為各錨鏈張力差的平方和最小來(lái)實(shí)現(xiàn)張力的均勻分布,而目標(biāo)平臺(tái)的位置則由約束條件來(lái)滿足�；�于Memetic思想,將具有較強(qiáng)全局搜索能力的遺傳算法與具有較強(qiáng)局部搜索能力的改進(jìn)模擬退火算法相結(jié)合,設(shè)計(jì)了混合優(yōu)化算法將平臺(tái)定位到期望位置所需的控制合力(力矩)均勻地分配給12條錨鏈,保證錨鏈張力場(chǎng)的均衡分布,并將優(yōu)化值作為錨鏈切換的閾值。最后,進(jìn)行半潛式平臺(tái)錨泊自動(dòng)定位系統(tǒng)的半物理仿真實(shí)驗(yàn)研究,實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示,所設(shè)計(jì)的定位方案合理,控制策略性能良好。
[Abstract]:By the wind, wave, flow disturbances such as marine environmental impact, semi submersible platform will inevitably have six degrees of freedom motions, the semi submersible platform on the horizontal direction of the surge, sway and yaw motion with restoring force, leading to the platform gradually deviate from the equilibrium position, and thus a threat to safety and performance submersible platform. Therefore, performance of platform positioning system. Mooring positioning and dynamic positioning is by far the most widely used positioning system, but the system positioning accuracy of mooring positioning is low, economic dynamic positioning system, this paper proposes a switching control cable with automatic mooring positioning system. The system guarantee the positioning the accuracy of platform, reducing the overall cost of the system, taking into account the uniform distribution of cable tension field, avoid tension caused by uneven distribution of chain breaking security risks, improve Safety positioning system. For the dynamic characteristics of the automatic positioning of semi submersible platform mooring research, firstly, the low frequency motion model of the platform is analyzed, to simplify the design of control system and is convenient for the analysis of the controlled object, the system equation is linearized at low speed state, establish the platform frequency equations of motion with the form of state space. Mooring damping directly affects the accuracy of predicting the response of semi submersible platform and its mooring system, using the static analysis method to estimate the mooring damping, response and damping matrix in the motion equation of the working platform added damping coefficient calculated by the more accurate calculation of the motion of the platform. Analysis of semi submersible platform by sea disturbance the establishment of nature, wind, ocean currents, the first-order wave force and two order wave force interference model, and according to the target platform for the numerical simulation to determine the different level of Hai Qing Marine disturbance, Taiwan the moment. Explaining the necessity of dynamic analysis, the motion model of elastic rod theory ignores the bending stiffness of the anchor chain. The theory of elastic rod established considering nonlinear factors, rigorous derivation. The deduced chain motion control equation is a nonlinear differential equation, it is difficult to the analytical solution, so the finite element method is used to convert the differential equations into weak form, and the numerical integration method to solve the equations for dynamic analysis of anchor chain. This paper introduces some commonly used numerical integration methods, based on the analysis of advantages and disadvantages of various methods, with two order accuracy improvement the generalized algorithm is unconditionally stable and controllable numerical damping properties of the dynamic analysis of the anchor chain. Further, the coupling analysis of platform and mooring system using the indirect method in time domain, first With the three dimensional potential flow theory, the hydrodynamic parameters of semi submersible platform in the frequency domain, and then through the frequency domain conversion will establish a time-domain coupled equations of hydrodynamic parameters and transform domain response platform and chain movement. Analysis of mooring automatic positioning system of semi submersible platform according to its characteristics, with input delay and characteristics uncertainty, illustrate the limitations of LQR control. Combined with the theory of linear matrix inequalities, a robust control algorithm and Lyapunov stability theory, are designed with input delay interval H control strategy and the guaranteed performance control strategies to generate resistance control environmental perturbation force (torque). H control strategy with input delay interval considering the lower bound of delay is not zero, in the construction process of the Lyapunov function, also contains information on the lower bound of delay; guaranteed cost control strategy design process, will be out With input delay guaranteed performance control extended to the designated location error vector form based on the platform. In order to achieve the two kinds of controller designed to solve due to uncertain hydrodynamic parameters of model uncertainty and input delay due to problems caused by the chain switching from different angles. In order to ensure the focus on optimizing the distribution of cable tension based on the position of the target platform, combined with the mooring system model, by defining the objective function for the cable tension difference square and minimum tension to achieve uniform distribution, and the location of the target platform is to satisfy the constraint conditions. Based on the idea of Memetic, combining genetic algorithm with strong global searching ability and has improved the strong local search ability of the simulated annealing algorithm, a hybrid optimization algorithm to design the control platform position to the desired position required force (torque) evenly divided 12 ration chain, to ensure a balanced distribution of cable tension field, and the value chain optimization as the switching threshold. Finally, the simulation experiment of semi physical mooring automatic positioning system of semi submersible platform, the experimental results show that the localization scheme design is reasonable, the control strategy has good performance.

【學(xué)位授予單位】：哈爾濱工程大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2014
【分類號(hào)】：P751

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