一种自升式船舶平台的动力定位控制方法技术

本发明专利技术涉及船舶运动控制技术领域，尤其涉及一种自升式船舶平台的动力定位控制方法，包括如下流程：计算出所有桩腿实时风载荷；计算出实时船体风载荷；计算出船体自适应阻尼矩阵；计算出实时附加环境干扰载荷；计算实时静水工况最优控制力；计算出动力定位控制系统的实时控制合力；推力分配模块将动力定位控制系统的实时控制合力生成船舶执行机构的控制指令，驱动执行机构产生推力，使自升式船舶平台以预设艏向保持在预设位置。本发明专利技术提供的方法能够实现自升式船舶平台位置和艏向的精准控制。制。制。

【技术实现步骤摘要】
一种自升式船舶平台的动力定位控制方法


[0001]本专利技术涉及船舶运动控制
，尤其涉及一种自升式船舶平台的动力定位控制方法。

技术介绍

[0002]船舶动力定位控制系统,实时接收船舶的位置、姿态、艏向等传感信息，借助自动控制算法计算所需推力，自动抵御海上风、浪、流等环境干扰，实现船舶位置与艏向的精准控制，具有定位精度高、机动性强、不受海域深度限制等优点。
[0003]在特种作业船舶领域，越来越多的船舶平台装备了动力定位控制系统，以满足船舶作业过程中严格的位置、姿态控制要求，比如布缆船、救捞船、海巡船、消防船等。自升式船舶平台是一类典型的特种作业船舶，它带有能够自由升降的桩腿，在作业时桩腿可以下伸到海底，站立在海床上，利用桩腿托起船壳，使船壳底部离开海面，便于进行长期作业。
[0004]自升式船舶平台需要借助动力定位控制系统，准确到达预定的作业位置。在桩腿下放直至桩腿触底、桩腿压载、托起船体的整个过程中，要求动力定位控制系统一直准确地以设定艏向保持在作业位置上，从而实现自升式船舶平台在作业位置上的插桩、长期驻留。
[0005]自升式船舶平台的桩腿下放，需要综合考虑作业水深、海底地形地貌、船舶纵倾横倾、桩腿负载变化等因素，实时调整多个桩腿的下放速度、下放长度，是一个较为复杂和漫长的过程。在此期间，自升式船舶平台数根粗大的桩腿向下伸入水中，导致船舶水动力参数发生剧烈且明显的变化，当遇到较强的风、浪、流环境时，环境负载异常增大，常规的动力定位控制系统并未对此类平台进行专门的设计，存在控制误差超限甚至控制失效的风险。

技术实现思路

[0006]本专利技术所要解决的技术问题是提供一种自升式船舶平台的动力定位控制方法，基于时变的桩腿下放长度监测，建立桩腿的风载荷模型，计算全部桩腿的附加风载荷，与船体风载荷一同构成了总体风载荷；同时，基于时变的桩腿下放长度监测，自适应计算船体的阻尼矩阵，并更新到动力定位观测器动力学模型、控制器动力学模型中，分别计算出未知环境干扰载荷、静水工况最优控制力，最终，在静水工况最优控制力的基础上，进行桩腿附加风载荷、船体风载荷、未知环境干扰载荷的前馈补偿，输出最优控制合力，从而实现桩腿下放过程中自升式平台准确的位置及艏向控制。
[0007]本专利技术是通过以下技术方案予以实现：
[0008]一种自升式船舶平台的动力定位控制方法，其包括如下步骤：S1:根据自升式船舶平台所有桩腿的实时下放长度、相对风速、相对风向、桩腿安装位置及桩腿风载荷系数曲线，计算出所有桩腿实时风载荷，k为船舶平台的桩腿数量；
S2:根据实时相对风速、相对风向、船体风载荷系数曲线，计算出实时船体风载荷；S3:根据每个桩腿的实时下放长度，计算出船体自适应阻尼矩阵；S4:根据S3计算出的船体自适应阻尼矩阵，建立随桩腿下放长度实时更新的自适应观测器动力学模型，采用扩展Kalman滤波算法，计算出实时附加环境干扰载荷；S5:在S3计算出的船体自适应阻尼矩阵的基础上，建立随桩腿下放长度实时更新的自适应控制器动力学模型，采用最优控制算法，计算实时静水工况最优控制力；S6:根据S5计算出的实时静水工况最优控制力，分别对S1中实时桩腿风载荷、S2中实时船体风载荷、S4中实时附加环境干扰载荷进行环境载荷前馈补偿，得到动力定位控制系统的实时控制合力；S7:推力分配模块将动力定位控制系统的实时控制合力生成船舶执行机构的控制指令，驱动执行机构产生推力，使自升式船舶平台以预设艏向保持在预设位置。
[0009]进一步，S1中所有桩腿实时风载荷的计算包括以下步骤：
[0010]D1:根据每个桩腿的实时下放长度、相对风速、相对风向、桩腿风载荷系数曲线，采用式（1）求解第个桩腿的纵向风载荷及横向风载荷：（1）其中：、分别为第个桩腿的纵向、横向无因次风载荷系数，为相对风速，为相对风向，为空气密度，为第个桩腿向上露出桩腿围井的高度，为所有桩腿总长，为被船体和围井包裹的桩腿长度，为第个桩腿下放到水中的长度，为第个桩腿的直径；
[0011]D2: 根据桩腿安装位置，采用式（2）计算船体坐标系下第个桩腿的实时风载荷：（2）其中：为第个桩腿的安装位置矩阵，、分别为第个桩腿距离船体中心的纵向、横向距离；
[0012]D3：将D2计算出的所有桩腿的风载荷按照式（3）进行叠加，得到所有桩腿实时风载荷：（3）。
[0013]进一步，S2中实时船体风载荷根据式（4）计算求解：（4）其中：、、分别为船体的纵向、横向、艏向风载荷，、和分别为船体纵向、横向、艏向无因次风载荷系数，为相对风速，为相对风向角，为空气密度，和为船体的正向和侧向风投影面积，为船体总长。
[0014]进一步，S3中船体自适应阻尼矩阵的计算包括以下步骤：
[0015]E1：根据实时的桩腿下放长度、桩腿流载荷系数曲线、船体纵向速度、船体横向速度、船体旋转角速度，利用式（5）计算第个桩腿的纵向流载荷、横向流载荷：
（5）其中，、、、分别为第个桩腿由船体纵向运动引起的纵向流载荷、由船体旋转运动引起的纵向流载荷、由横向运动引起的横向流载荷、由船体旋转运动引起的横向流载荷，、分别为第个桩腿的纵向、横向无因次流载荷系数，为海水密度，、、分别表示船体纵向速度、横向速度、旋转角速度，、分别为第个桩腿距离船体中心的纵向、横向距离，为第个桩腿的直径；
[0016]E2：根据桩腿安装位置，采用式（6）计算出第个桩腿的艏向流载荷：（6）其中，为第个桩腿的艏向流载荷，、和分别为第个桩腿由船体纵向运动、横向运动、旋转运动引起的艏向流载荷分量；
[0017]E3：将E1、E2计算出的全部桩腿的纵向流载荷、横向流载荷及艏向流载荷进行叠加，并采用式（7）计算船体根据桩腿下放长度而自适应变化的阻尼矩阵：
（7）其中：为桩腿未下放时的船体阻尼矩阵，为桩腿下放引起的船体阻尼矩阵变化量。
[0018]进一步，S4中实时附加环境干扰载荷的计算包括以下步骤：
[0019]F1：基于S3中船体自适应阻尼矩阵，建立自适应的船体动力学模型式（8）：
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(8)其中，为大地坐标系下船体的运动位置及艏向状态向量，N、E、分别表示船体北向位置、东向位置、艏向；为船体坐标系下船体的运动速度及角速度状态向量，为北东坐标系和船体坐标系的坐标
变换矩阵，且；为当前执行机构的控制反馈合力，、、分别表示当前执行机构的纵向合力、横向合力、艏向合力矩表示船体运动状态的模型噪声幅值，为零均值单位高斯白噪声三维向量；为船体惯性矩阵，，为船体质量，为船体转动惯量，为船体质心纵向坐标，为纵向水动力加速度导数，为横向水动力加速度导数，为艏向对横向的耦合水动力加速度导数，为横向对艏向的耦合水动力加速度导数，为艏向水动力加速度导数，为大地坐标系下实时的未知环境干扰载荷，、、分别为大地坐标系下的北向、东向、艏向的船体环境载荷；表示船体环境载荷的惯性时间常数；表示环境干扰力的模型噪声幅值，T为矩阵转置符号；
[0020]F2：建立动力定本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种自升式船舶平台的动力定位控制方法，其特征在于：包括如下步骤：S1:根据自升式船舶平台每个桩腿的实时下放长度、相对风速、相对风向、桩腿安装位置及桩腿风载荷系数曲线，计算出所有桩腿实时风载荷，其中k为船舶平台的桩腿数量；S2:根据实时相对风速、相对风向、船体风载荷系数曲线，计算出实时船体风载荷；S3:根据每个桩腿的实时下放长度，计算出船体自适应阻尼矩阵；S4:根据S3计算出的船体自适应阻尼矩阵，建立随桩腿下放长度实时更新的自适应观测器动力学模型，采用扩展Kalman滤波算法，计算出实时附加环境干扰载荷；S5:在S3计算出的船体自适应阻尼矩阵的基础上，建立随桩腿下放长度实时更新的自适应控制器动力学模型，采用最优控制算法，计算实时静水工况最优控制力；S6:根据S5计算出的实时静水工况最优控制力，分别对S1中实时桩腿风载荷、S2中实时船体风载荷、S4中实时附加环境干扰载荷进行环境载荷前馈补偿，得到动力定位控制系统的实时控制合力；S7:推力分配模块将动力定位控制系统的实时控制合力生成船舶执行机构的控制指令，驱动执行机构产生推力，使自升式船舶平台以预设艏向保持在预设位置。2.根据权利要求1所述的一种自升式船舶平台的动力定位控制方法，其特征在于：S1中所有桩腿实时风载荷的计算包括以下步骤：D1: 根据每个桩腿的实时下放长度、相对风速、相对风向、桩腿风载荷系数曲线，采用式（1）求解第个桩腿的纵向风载荷及横向风载荷：（1）其中：、分别为第个桩腿的纵向、横向无因次风载荷系数， 为相对风速，为相对风向，为空气密度，
为第个桩腿向上露出桩腿围井的高度，为所有桩腿总长，为被船体和围井包裹的桩腿长度，为第个桩腿下放到水中的长度，为第个桩腿的直径；D2: 根据桩腿安装位置，采用式（2）计算船体坐标系下第个桩腿的实时风载荷：（2）其中：为第个桩腿的安装位置矩阵，、分别为第个桩腿距离船体中心的纵向、横向距离；D3：将D2计算出的所有桩腿的风载荷按照式（3）进行叠加，得到所有桩腿实时风载荷：（3）。3.根据权利要求1所述的一种自升式船舶平台的动力定位控制方法，其特征在于：S2中实时船体风载荷根据式（4）计算求解：（4）其中：、、分别为船体的纵向、横向、艏向风载荷，、和分别为船体纵向、横向、艏向无因次风载荷系数， 为相对风速，为相对风向角，为空气密度， 和分别为船体的正向和侧向风投影面积，为船体总长。4.根据权利要求1所述的一种自升式船舶平台的动力定位控制方法，其特征在于：S3中船体自适应阻尼矩阵的计算包括以下步骤：E1：根据实时的桩腿下放长度
、桩腿流载荷系数曲线、船体纵向速度、船体横向速度、船体旋转角速度，利用式（5）计算第个桩腿的纵向流载荷、横向流载荷：（5）其中，、、、分别为第个桩腿由船体纵向运动引起的纵向流载荷、由船体旋转运动引起的纵向流载荷、由横向运动引起的横向流载荷、由船体旋转运动引起的横向流载荷，、分别为第个桩腿的纵向、横向无因次流载荷系数， 为海水密度，、、分别表示船体纵向速度、横向速度、旋转角速度，为第个桩腿下放到水中的长度，、分别为第个桩腿距离船体中心的纵向、横向距离，为第个桩腿的直径；E2：根据桩腿安装位置，采用式（6）计算出第个桩腿的艏向流载荷：（6）其中，为第个桩腿的艏向流载荷，、和分别为第个桩腿由船体纵向运动、横向运动、旋转运动引起的艏向流载荷分量；E3：将E1、E2计算出的全部桩腿的纵向流载荷、横向流载荷及艏向流载荷进行叠加，并采用式（7）计算船体根据桩腿下放长度而自适应变化的阻尼矩阵：
（7）其中：为桩腿未下放时的船体阻尼矩阵，为桩腿下放引起的船体阻尼矩阵变化量。5.根据权利要求1所述的一种自升式船舶平台的动力定位控制方法，其特征在于：...

【专利技术属性】
技术研发人员：徐凯，赵宾，王小东，王岭，王福，黄炜，
申请(专利权)人：中国船舶集团有限公司第七〇七研究所，
类型：发明
国别省市：