船舶拖缆作业时的循线航行和定点定位控制

摘要/Abstract

摘要： 摘要：针对拖缆作业船舶在进行循线航行和定点定位时受到的海洋环境力和拖缆拉力，建立了船舶、拖缆和拖体三者之间耦合的运动数学模型.因其控制系统具有较强的非线性，单独使用模糊控制效果不够理想，所以设计了FuzzyPID(Proportion Integration Differentiation)合成控制器.该控制器包含3个模块：大误差切换至Fuzzy控制模块；小误差切换至FuzzyI控制模块；微误差切换至FuzzyPID控制模块.仿真给出了船舶在扰动情况下循线拖曳时的拖体轨迹，并通过定点定位控制验证了该控制器具有更强的抗干扰性和鲁棒性，能够实现较高精度的定位控制.

关键词: 拖缆作业, 耦合, 非线性, 定点定位控制

Abstract: Abstract： Considering the marine environment and cable drag force in vessel towing operation when trackkeeping and positioning, the motion model coupling between the vessel, the towed cable and the towed body was built. The control system had a strong nonlinearity and the design FuzzyPID (proportion integration differentiation) controller synthesis for the effect of fuzzy control alone was not satisfactory. The controller contained three modules, i.e., large error used Fuzzy control module, small error used FuzzyI control module, and microerror used FuzzyPID synthesis control module. The simulation result showed the track of towed body when the vessel was under disturbance, and verified the stronger antiinterference and robustness of the controller through point positioning control simulation. This algorithm is able to achieve high accuracy positioning control.

Key words: Key words： towed operation, coupling, non-linear, fixed point and positon control

中图分类号:

P 75
U 675.9

于升杰, 庞师坤, 李英辉, 张裕芳. 船舶拖缆作业时的循线航行和定点定位控制[J]. 上海交通大学学报, 2016, 50(03): 472-478.

YU Shengjie, PANG Shikun, LI Yinghui, ZHANG Yufang. Track-Keeping and Positioning Control in Vessel Towing Operation[J]. Journal of Shanghai Jiao Tong University, 2016, 50(03): 472-478.

参考文献

［1］FOSSEN T I, STRAND J P. Nonlinear passive weather optimal positioning control (WOPC) system for ships and rigs: Experimental results［J］. Automatica, 2001,37(5): 701715. ［2］FOSSEN T I, GROVLEN A. Nonlinear output feedback control of dynamically positioned ships using vectorial observer backstepping［J］. IEEE Transactions on Control Systems Technology, 1998, 6(1): 121128. ［3］FOSSEN T I, Strand J P. Passive nonlinear observer design for ships using Lyapunov methods: Fullscale experiments with a supply vessel［J］. Automatica, 1999.35(1): 316. ［4］FOSSEN T I. Handbook of marine craft hydrodynamic and motion control［M］. Hoboken: John Wiley & Sons, 2011:133183. ［5］FOSSEN T I, PEREZ T. Kalman filtering for positioning and heading control of ships and offshore rigs［J］. IEEE Control Systems Magazine, 2009, 29(6): 3246. ［6］VASSALOS D, HUANG S. Dynamics of smallsagged tautslack marine cables. ［J］. Computers & Structures, 1996, 58(3): 557562. ［7］HUANG S. Stability analysis of the heave motion of marine cablebody systems［J］. Ocean Engineering, 1999 26: 531546. ［8］朱克强,李维扬.带缆遥控潜水器空间运动仿真［J］.中国造船,1996,1(3):98104． ZHU Keqiang, LI Weiyang. Simulation of space motion for tethered remotely operated vehicle［J］. Shipbuilding of China,1996,1(3):98104．［9］王飞,黄国梁，伍生春.水下拖曳系统缆—船耦合运动模拟［J］.上海交通大学学报，2011，45(4):570575.WANG Fei, HUANG Guoliang, WU Yingchun.Dynamic research on the coupling response of cabletowing ship system［J］.Journal of Shanghai Jiaotong University, 2011，45(4): 570575. ［10］朴海国.风电机组偏航FuzzyPID合成控制系统仿真［J］.电工技术学报,2009,24(3):183188. PU Haiguo. Wind turbine yaw FuzzyPID synthesis control system simulation［J］. China Electrotechnical Society, 2009,24(3):183188. ［11］FJ Sun, ZH Zhu, M.LaRosa. Dynamic modeling of cable towed body using nodal position finite element method［J］. Ocean Engineering, 2011 (38):529540. ［12］DOU Z L, CHENG M Z, LING Z B, et al. An adjustable pitch control system in a large wind turbine based on a FuzzyPID controller［C］∥International Symposium on Power Electronics, Electrical Drives, Automation and Motion. Pisa, Italy: IEEE, 2010:391395. ［13］谢业海.海况变化时的船舶定点定位切换自适应控制研究［D］.哈尔滨：哈尔滨工程大学自动化学院,2013.

[1]	闯振菊, 李春郑, 刘社文. 风机叶片结冰对其一体化结构动态响应影响的数值分析[J]. 上海交通大学学报, 2022, 56(9): 1176-1187.
[2]	牛振宇, 刘林芽, 秦佳良, 左志远. 减振垫层温频变动力性能对无砟轨道振动特性影响[J]. 上海交通大学学报, 2022, 56(9): 1238-1246.
[3]	吴庶宸, 戚宗锋, 李建勋. 基于深度学习的智能全局灵敏度分析[J]. 上海交通大学学报, 2022, 56(7): 840-849.
[4]	王沙沙, 张翔宇, 邱国志, 龚景海. 一种分析膜面在积水荷载作用下响应的数值模型[J]. 上海交通大学学报, 2022, 56(6): 730-738.
[5]	吴灌伦, 施光林. 双并联机构耦合连续体机械臂的设计与实现[J]. 上海交通大学学报, 2022, 56(6): 809-817.
[6]	高伯伦, 李剑, 刘瑞恒, 吕硕, 张晓宇, 张庆振. 带终端角度约束的双闭环末制导律研究[J]. 空天防御, 2022, 5(4): 38-46.
[7]	高昌昊, 宋文萍, 韩少强, 路宽, 王跃, 叶坤. 空空导弹过失速重新定向技术研究[J]. 空天防御, 2022, 5(3): 17-26.
[8]	吴王浩, 段旭, 张鑫, 陈丹, 徐振东. 高马赫数钝头体气动/传热一体化计算方法研究[J]. 空天防御, 2022, 5(3): 87-92.
[9]	石慧荣, 王海星, 李宗刚. 考虑非线性刚度的正交切削系统稳定性[J]. 上海交通大学学报, 2022, 56(2): 191-200.
[10]	万慧, 齐晓慧, 李杰. 基于线性矩阵不等式的线性/非线性切换自抗扰控制系统的稳定性分析[J]. 上海交通大学学报, 2022, 56(11): 1491-1501.
[11]	卢武, 丁苒苒, 赵文彬, 黄冬, 王哲铭. 外源性脉冲电磁场干扰下的心脏起搏器“窗口效应”及防护[J]. 上海交通大学学报, 2022, 56(11): 1518-1531.
[12]	王利坡. 复杂系统空间结构的定量表征方法[J]. 上海交通大学学报, 2021, 55(Sup.1): 104-105.
[13]	李元, 姚宗禹. 基于邻域保持嵌入的主多项式非线性过程故障检测[J]. 上海交通大学学报, 2021, 55(8): 1001-1008.
[14]	何金辉, 李明广, 陈锦剑, 夏小和. 考虑动态流体网格的颗粒-流体耦合算法[J]. 上海交通大学学报, 2021, 55(6): 645-651.
[15]	李臻, 许冰青, 李庆波, 鄢雄伟, 李博雅. 基于序列凸优化算法的飞行器轨迹规划[J]. 空天防御, 2021, 4(4): 50-56.