船舶动力定位系统的数学模型
船舶运力定位系统的数学模型
定 义 固定 坐标 系下 船 舶 的位置 和艏摇 角 度 向量
综 合位 置 信息 分 离 出低 频 信 号 然 后 加 以控 制 ， 不 而 对 高 频信 号进 行控 制 。 因此 ， 立一 个完 整 的合 理 的数 学 模 型 是 船 舶 建 动力 定 位 系统 控制 的首要 条 件 。本 文给 出了针 对船 舶动 力定 位控 制 系统 所 应 用 的 船 舶 运 动 模 型 ， 括 包
扰情 况 下 ， 借 助锚 泊 系统 ， 不 利用 自身 的推力 器 系统 使得船 舶 保持 一 定 的位 置 和角 度 ， 者 按 照 预 定 的 或
运 动轨 迹 运 动 。 动 力 定 位 系 统 通 常 包 括 三 个 子 系 统 ：） ａ 机械 、 电子和 声 学装 置 一用 于 测量 船 舶 角度 和 位置 的传感 器 系 统 ； ） 行 机 构 一安 装 于 船 体 各 部 ｂ执 分 的推 进 器 以 产 生 需 要 的推 力 来 推 动 船 舶 运 动 ； ） Ｃ 控 制 器 一根据 由传感 器 系 统所 提 供 的信息 来 选择 合
ｆｏ －ｓ ｃ 一ｓ ｉ ｎ ０ ］
Ｊ ）＝ ｌｉ （ ｎ ｓ
Ｌ ０
ｃｓ ｏ
０
０
ｌ Ｊ
（） ２
境 干扰 力 的风 、 等 数 学 模 型 以 及 考 虑 动 态 特 性 的 流
和 村 工程 ２０ 年 第 ５期 ０２
・７ ２・
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适 的方 法控 制执 行 机构 。从 上个 世纪 ６ ０年 代 以来 ，
系 ＸＥ ￡ 一个 是相 对 于船 舶 的 随船 坐标 系 ＸＯＹ， Ｏｙ ，
两者 的 Ｚ 轴 垂 直 指 向 地 心 ， ＸＹ 平 面 与 静 水 面 重
船舶动力定位系统数学模型参数辨识方法研究
船舶动力定位系统数学模型参数辨识方法研究李文华;杜佳璐;张银东;宋健;孙玉清;陈海泉【摘要】船舶动力定位是深海开发的关键技术之一,随着海上油气生产向深海的发展,对应用于船舶动力定位系统的船舶数学建模也提出更高的要求.首先介绍船舶动力定位系统的意义及其应用的数学模型,然后针对船舶及推进器动力学数学模型的辨识与建立过程进行详细介绍,最后讨论船舶外界环境扰动建模的策略.【期刊名称】《船舶》【年(卷),期】2012(023)003【总页数】5页(P55-59)【关键词】船舶;动力定位系统;数学模型;辨识;环境扰动【作者】李文华;杜佳璐;张银东;宋健;孙玉清;陈海泉【作者单位】大连海事大学轮机工程学院大连116026;大连海事大学信息科学技术学院大连116026;大连海事大学轮机工程学院大连116026;大连海事大学轮机工程学院大连116026;大连海事大学轮机工程学院大连116026;大连海事大学轮机工程学院大连116026【正文语种】中文【中图分类】U661.33船舶动力定位技术是指在不借助锚泊系统的情况下，使船舶利用自身的推进装置抵御风、浪、流等外界扰动的影响，以一定的姿态保持在海面某目标位置或精确地跟踪某一给定轨迹，以完成各种作业功能［1］。
它具有定位成本不随着水深增加而增加，机动性强，操作简便，定位精度高，不破坏海床等优点，故被广泛应用于海洋石油钻井平台以及打捞救助船、工程供应船、消防船等各种船舶上，是维持海洋浮式作业平台和船舶正常工作的关键。
近年来，随着海洋开发不断向着远海、深海扩展，动力定位技术对海洋开发具有越来越重要的现实意义，已受到业界广泛关注［2-3］。
为了提高动力定位船舶的操纵性能与定位精度，必须建立一个尽量精确而全面的数学模型。
应用于动力定位系统的船舶数学模型可以分为船舶及推进器动力学数学模型、船舶外界环境干扰因素环境扰动模型两个部分。
在有风、浪、流共同作用的复杂海况下，无约束的船舶具有六个自由度的运动特征。
船舶动力定位系统模糊PID控制算法研究
Ｒｅ ｅ ｒ ｈ ｏ ｚ ｙ ＰＩ Ｃｏ ｒ ｌＡｌ ｏ ｉｈ ｆ ｓ ａ ｃ ｎ Ｆｕ ｚ Ｄ ｎｔ ｏ ｇ ｒ ｔ ｍ ｏ
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第 ３卷 第 ４期 ２０ ０ ８年 ８月
中 国
舰
船
研
究
Ｖ １３ Ｎ ． ｏ． ｏ ４
Ａｕｇ ２ ０８ ． ０
船 舶动 力定 位系统模糊 Ｐ Ｄ控制算法研究 Ｉ
徐 阳 俞 孟 蕻
江 苏科技 大 学 电子信 息 学院 ， 江苏 镇江 ２ ２ ０ １０３
Ａｆｅ ｎ ｌ ｚｎ ｈ ｈ ｒ ｃｅ ｉｔ ｓｏ Ｄ ｏ ｔｏ ｎ ｕ ｚ ｏ ｔｏ ，ｔ ｅ ｉ ｆ ｎｃ ｆｔ Ｉ ａ ａ ｅ ｔ ｒａ ａｙ ｉ ｇ ｔ ｅ ｃ ａ ａ ｔ ｒｓｉ ｆＰＩ ｃ ｎ ｒ ｌａ ｄ ｆ ｚ ｙ ｃ ｎｒ ｌ ｈ ｎ ｌ ｃ ｕｅ ｅ ｏ ｈｅ Ｐ Ｄ ｐ ｒ ｍ — ｔｒ ｈａ ｇ ｎ ｓ ｓｅ ｐ ｒｏ ｍａ ｃ ｓｃ ｎ ｉ ｅ ｅ ｅ ｇ ｃ ｎ ｅ ｏ ｙ ｔｍ ｅ ｆ ｒ ｎ ｅｗａ ｏ ｓｄ ｒ ｄ． Ｒｅｅ ｒｎ ｏ ｔ ｅ ｉ ｅ ｌｏ ｕ ｚ ｏ ｔｏ ，ｔ ｅｍ ｅｈ ｆ ｒｉｇ ｔ ｈ ｄ ａ ｆｆ ｚｙ ｃ ｎｒ ｌ ｈ ｔ 一
问 题 。
部分 是 船 舶 的高 频 运 动 （ ． ０ ３～１ ６ ｒｄ ｓ ， ． ａ ／ ） 它 统 ， 制器 也 不控 制 这 部 分 的运 动 。因 为这 部 分 控
是 由一 阶波 浪 引起 的 ， 这部 分 运 动 不 反馈 控 制 系 运 动仅 造成 船舶 的振 荡 ， 会造 成船 舶 的位移 ； 不 第 பைடு நூலகம்
船舶动力定位的数学模型和滤波方法
船 舶 动 力 定 位 的数 学 模 型 和 滤 波 方 法
王 宗义 肖 坤 庞 永杰 李殿 璞 ， ， ，
（ ． 尔滨工程 大学 自动化学院 ， １哈 黑龙江 哈 尔滨 １０ ０ ； ． ５ ０ １２ 中国船舶 工业集 团公 司 船 舶 系统 工程 部 ， 北京 １０ ３ ） ０ ０ ６ 摘 要： 分析了船舶动力定 位中 的运动数学 模型和滤波 方法 ， 给出了船舶 动力定位 中所使 用的低频 数学模 型 和
Ｃ Ｓ ｅ ｉ ０ ０ ６ Ｃ ｉａ Ｓ Ｃ Ｂ ｉｎ １０ ３ ． ｈｎ ） ｊｇ Ａｂ ｔａ ｔＴｈ ｌ ａ ｉ ｅｉｇ ｉ ｕ ｅ ｏ ｅｔ ａｅｔ ｅｓ ｗ ａ ｔｏ ｈｐ ｍｏ ｅ ｎ ｓｕ ｅ ｏ ｙ ａ ｉ ｓ ｉ ｓｒ ｃ ： ｅ Ｋａｍ ｎｆｌ ｒ ｓ ｓｄ ｔ ｓｉ ｔ ｈ ｌ ｐ ｒ ｆｓ ｉ ｖ ｍｅ ｔ ｓｄ ｆｒｄ ｎ ｍ ｃ ｈｐ ｔ ｎ ｍ ｏ ｐ ｓｔ ｎ ｎ ，ａ ｄ ｔ ｉ ｅ ｕ ｈ ｉｈ ｆｅ ｕ ｎ ｙ ｍｏ ｅ ｅ ｔａ ｄ ｎ ｉ ．Ａ ｌ ｎ ｆ ｔｒｉ ｐ ｅｅ ｔｄ ｆｒａ ｏ ｉｉ ｉｇ ｏ ｎ ｏｆｌ ｒｏ ｔｔ ｅ ｈｇ ｒｑ ｅ ｃ ｖ ｍ ｎ ｎ ｏｓ ｔ ｅ Ｋａｍａ ｉ ｅ ｓ ｒｓ ｎ ｅ ｏ ｌ ｃ ｒａｎ ｓ ｉ ｏ ｅ．Ｔｈ ｔ ｏ ｒｓ ｎ ｅ ｎ ｔ ｉ ｐ ｐ ｒｉ ｒ ｖ ｄ ｆａ ｉｌ ｎ ｅ ｇ ｎ ｅ ｉｇ ｂ ｙ ａ ｉ ｐ ｓ— ｅｔｉ ｈｐｍ ｄ １ ｅｍｅｈ ｄ ｐ ｅ ｔｄ ｉ ｈｓ ａ ｅ ｓｐ ｏ ｅ ｅ ｓｂｅｉ ｎ ｉｅ ｒｎ ｙ ｄ ｎ ｅ ｍ ｃｏ ｉ ｔ ｎｎ ｉ ｕａ ｉｎ ｔｓｓ ｉ ｉｇ ｓ ｏ ｍ ｌｔ ｅ ｔ． ｏ Ｋｅ ｒ ｓ ｓ ｉ ｎ ｉｅ ｒｎ ｙｗｏ ｄ ：ｈｐ ｅ ｇｎ ｅ ｉｇ；ｄ ｎ ｉ ｏ ｉ ｏ ｉ ｇ ｉｉ ｌ ｉ ｅｉｇ ｙ ａ ｃｐ ｓｔ ｎｎ ；ｄｇｔ ｌ ｒｎ ｍ ｉ ａ ｆｔ
编程语言计算船舶nomoto模型
编程语言计算船舶nomoto模型船舶的Nomoto模型是一种经典的数学模型，用于描述船舶的运动特性。
它通常由三个一阶微分方程组成，分别描述船舶在横向、纵向和转向方向上的运动。
编程语言可以用来模拟和计算这个模型，以便分析船舶在不同条件下的运动行为。
在编程语言中计算船舶的Nomoto模型时，可以采用数值积分的方法来求解微分方程。
常见的编程语言如Python、Matlab、C++等都可以用来实现这个模型。
下面我将从不同角度介绍如何使用Python来计算船舶的Nomoto模型。
首先，我们需要建立三个一阶微分方程，分别描述船舶在横向、纵向和转向方向上的运动。
然后，我们可以利用Python中的数值积分库，比如scipy中的odeint函数，来对这个微分方程组进行数值求解。
通过给定船舶的初始状态和外部环境条件，我们可以得到船舶在不同时间下的位置、速度和姿态等信息。
另外，我们也可以利用Python中的数据可视化库，比如matplotlib，来对模拟结果进行可视化展示。
这样可以更直观地观察船舶在不同条件下的运动特性，比如横摇、纵摇、航向变化等。
除了Python，其他编程语言也可以实现类似的计算。
比如在Matlab中，可以使用ode45函数来进行数值积分求解微分方程。
在C++中，可以利用数值积分库，比如GSL，来实现类似的计算过程。
总之，通过编程语言可以很方便地计算船舶的Nomoto模型，从而帮助工程师和研究人员分析船舶的运动特性，优化船舶设计和控制方案。
希望这个回答能够从多个角度全面地介绍了如何使用编程语言计算船舶的Nomoto模型。
动力定位系统介绍
动力定位系统介绍1、动力定位系统的产生和发展动力定位系统于上世纪70年代后期由美国海军研制成功，起初主要应用于潜水艇支持船、军用海底电缆铺设等作业。
从上世纪80年代初开始，随着北海油田、墨西哥湾油田的大规模开发，动力定位系统被广泛应用于油田守护、平台避碰、水下工程施工、海底管线检修、水下机器人(ROV)跟踪等作业。
尤其是90年代以来，随着海上勘探开发逐步向深水(500m～1500m)和超深水(1500m以上)发展，几乎所有的深水钻井船、油田守护船都装备了动力定位系统。
据初步估计，目前全世界装备动力定位系统的各类船只已超过1 000艘。
2、动力定位系统简述海洋中的船舶因不可避免的受到风、波浪与水流产生的力的影响，船舶在这些环境外力的干扰作用下，将产生六个自由度(纵荡、横荡、升沉、纵摇、横摇、艏摇)运动，而对于定位船舶而言，需要控制的只是水平面内的三个运动，即纵荡(Surge)、横荡(Sway)和艏摇(Yaw)运动。
使用动力定位控制系统能够抵消那些作用在船体上不断变化的阻力，维持操作员指定的位置与航向，或者使船舶沿着需要的轨迹移动。
动力定位控制系统使用来自一个或多个电罗经的数据来控制船舶航向；至少使用一个位置参考系统（如DGPS或声纳）的数据来控制船舶位置，从而进行船舶定位。
风传感可以测量船舶受到的风阻力的大小和方向，但是海流力和波浪力不是测量出来的，而是由船舶数学模型计算得出。
动力定位中的船舶数学模型是由扩展卡尔曼滤波算法建立的，该算法用于估计船舶航向、位置以及在各个方向运动的自由度：纵荡，横荡与艏摇，它合并了估计海洋水流与波浪影响的算法。
但是该数学模型是无法100％准确代表真正的船舶，因此根据位置参考系与传感器的测量值来不断修正该船舶数学模型，这是一个闭环控制过程。
下图是动力定位系统的控制原理图：动力定位系统可以检测与显示船舶的实际航向和位置与期望的航向和位置之间发生偏离的情况，控制器基于这些信息来控制船舶。
船舶运动模型
X m(u v ) Y m(v u ) xG u cos v sin 两坐标系运动关系 N I z
yG u sin v cos
7
X mxG Y0 myG N I z
9 June 2013
二、运动坐标系统下的船舶运动微分方程
3、运动坐标系
O xyz (O G )
4、运动微分方程 u uG 速度关系 v vG xG
力矩关系 惯性矩关系
N NG m(vG uG ) xG
2 I z I zG mxG
G xyz
6 9 June 2013
二、运动坐标系统下的船舶运动微分方程
1、运动坐标系
.
G xyz
. .. ..
t 0
2、运动微分方程
t
X 0 , Y0 , N , xog , yog , xog , y og , I z
. .
X , Y , N , u, v, u, v, I z
X 0 X cos Y sin 两坐标系力关系 Y0 Y cos X sin
X m(u v ) Y m(v u ) xG u cos v sin 两坐标系运动关系 N I z
yG u sin v cos
8
X mxG Y0 myG N I z
11
O xyz (O G )
G xyz
X m(u v ) Y m(v u ) N I z
O x y z
X mxG Y myG N I z
9 June 2013
现代船舶动力定位系统的建模研究
现代船舶动力定位系统的建模研究引言：船舶动力定位系统是一种利用现代技术实现船舶精确定位和自主航行的系统。
它通过多种传感器和设备，结合先进的算法和模型，实现对船舶位置、速度和航向等信息的准确监测和控制。
本文将从船舶动力定位系统的建模角度出发，探讨其研究现状和未来发展方向。
一、船舶动力定位系统的模型构建船舶动力定位系统的建模过程主要包括以下几个方面：船舶动力学模型、环境模型、传感器模型和控制算法模型。
1. 船舶动力学模型船舶动力学模型用于描述船舶在不同工况下的运动特性。
它考虑了船舶的质量、惯性、阻力和推进力等因素，以及外部环境的影响。
通过建立动力学方程，可以模拟船舶的运动过程，为船舶动力定位系统提供基础数据。
2. 环境模型环境模型用于描述船舶周围的海洋环境特征，包括海流、海浪、海况等。
通过收集并处理相关数据，可以建立环境模型，为船舶动力定位系统提供准确的环境信息，以便进行精确的定位和导航。
3. 传感器模型传感器模型用于描述船舶动力定位系统中使用的传感器的性能和特点。
不同类型的传感器可以提供不同的信息，如GPS可以提供位置信息，惯性导航系统可以提供姿态信息。
通过建立传感器模型，可以对传感器的测量误差和精度进行评估，从而提高定位系统的精度和可靠性。
4. 控制算法模型控制算法模型用于描述船舶动力定位系统中的控制策略和算法。
它通过对船舶动力学模型和环境模型进行分析和处理，实现对船舶运动的控制和调整。
通过选择合适的控制算法，可以提高船舶的定位精度和稳定性。
二、船舶动力定位系统的研究现状船舶动力定位系统的研究主要集中在以下几个方面：传感器融合技术、自适应控制算法、多智能体协同定位等。
1. 传感器融合技术传感器融合技术是指将多种传感器的测量数据进行融合，以提高定位系统的精度和可靠性。
常用的传感器包括GPS、惯性导航系统、声纳等。
通过融合这些传感器的数据，可以克服单一传感器存在的局限性，提高船舶的定位精度和鲁棒性。
船舶动力定位的数学模型和滤波方法
X vv v 2 + Fwind x + T x + η Lx ,
( m + m y ) v = Y v v + Y v| ( I z + J z z ) r = N r r + N r|
2 x H3 = x H4 , x H4 = - ω2 x H3 + ηH2 ,ω2 = ηH5 , 2 x H5 = x H6 , x H6 = - ω3 x H5 + ηH3 ,ω3 = ηH6 .
特点是形式简单 、 项数较少 ,除了风与流的环境力 和辅推系统的推力外 , 一般只考虑纵向和横向以 及绕轴的阻尼力项和惯性力项 , 并将忽略的其它 各项作为建模误差归结在噪声项中 . 本文通过对 船的受力分析认为 , 由水动力导数 Y y 、 Y rr 、 Nr、 N vv 等项所决定的水动力项对船的运动影响较 大 , 若将这些项以显式的形式放在受力方程中 , 而 不是简单地归结在噪声项中 , 将在一定程度上改 善对船舶运动的估计 . 为此 , 提出以下低频数学模 型:
第 4 期 王宗义 ,等 : 船舶动力定位的数学模型和滤波方法 ・25 ・
分开处理 ,分别建立相应的数学模型 . 对模型的要 求是 ,既要满足简单性原则 ,又能提供足够的估计 精度 . 本文在这一方面做了一些工作 ,提出了我们 的观点和方法 ,以供参考 .
收稿日期 :2002 - 04 - 05 ; 修订日期 :2002 - 06 - 11. 作者简介 : 王宗义 (1964 - ) ,男 ,副教授 ,博士研究生 ,主要研究方向为舰船导航与控制 .
船舶动力定位非线性预测控制器的设计
上式 中 栅 为推 进 器 推 力 ，
为 环 境 作 用力 ，
为惯量 矩 阵 ， 且 Ｍ ＝ＭＴ ＞０ ； Ｄ 表 示 线 性 水 动 力
阻尼系数 ； Ｅ 是Ｃ ａ ） 的幅值 ， ∞ 。 是零均值 白噪声。高
频运 动部 分采 用 如下模 型 ：
自适应控制 ， 神经网络控制等等。
本 文 采用 非线 性 船 舶 系 统模 型 ， 运用 估 计 滤 波 方 法 和先 进广 义预 测 控 制 （ Ｇ Ｐ Ｃ） 理论 ， 设 计 了船 舶
为描 述 船 舶 的 水 平 运 动 ， 建立坐标 系如 图 ２ 。
其 中 Ｅ 为 固定 坐标 系 ， ｘ ０ ｙ为 随船 坐标 系 ， 随船 坐 标系 以船 舶重 心 ０作 为原 点 。两坐 标 系的相互 转换 关系为 ： ＝Ｊ （ ） 。
（ ３ ）
慢的 ， 环境力模型采用以下估计形式 ：
ｂ＝一Ｔ ｂ＋Ｅ ６ Ｃ ａ ） ６
本文中使用 Ｃ Ａ Ｒ Ｉ Ｍ Ａ模型作为 Ｇ Ｐ Ｃ预测模 型。
即“ Ｃ ｏ ｎ ｔ ｒ ｏ ｌ ｌ ｅ ｄ Ａｕ ｔ ｏ—Ｒｅ ｇ ｒ ｅ ｓ ｓ ｉ ｖ ｅ Ｉ ｎ ｔ ｅ ｇ ｒ ａ ｔ ｅ ｄ Ｍｏ ｖ —
动力定位非线性广 义预测控 制器。经过 系统仿真 验证 ， 控制器具有较 强的鲁棒性 和适 应性 ， 控制效
果 较好 。
１ 非 线性数学模型
船舶在风、 浪、 流， 共 同作 用 下 有 六个 自由度 运
动（ 如图 １ ） 。 由于 纵 摇 ， 横 摇 和 升沉 对 船 舶 水 平 面
２ ０ １ ２年 １ Ｏ月 １ ５日收到 ， ｌ １ 月２ ３日 修改 第一作者简介 ： 王泽远 （ １ ９ ８ ７ 一） ， 男， 河南焦作人 ， 硕 士研究生 ， 主要 研究方 向： 船 舶 动力 定 位 非 线 性 预 测 控 制器 。Ｅ — ｍ ａ ｉ ｌ ： ７ ７ ２ ６ ５ ８ ７ ０ ９
船舶动力定位技术简述
船舶动力定位技术简述船舶动力定位技术简介动力定位技术背景随着船舶作业任务的复杂化，动力定位技术逐渐成为船舶自动化控制领域的研究热点。
目前，国际上主要的动力定位系统制造商有___、___、___等。
动力定位控制系统测量系统是指动力定位系统的位置参考系统和传感器。
位置参考系统主要采用DGPS，水声位置参考系统主要选择超短基线或长基线声呐，微波位置参考系统可选择Artemis Mk 4，张紧索位置参考系统可选择LTW Mk，激光位置参考系统可选择Fanbeam Mk 4，雷达位置参考系统可选择RADius 500X。
罗经、风传感器、运动参考单元等同样选择各专业生产厂家的产品。
控制技术动力定位系统的第一代产品采用经典控制理论来设计控制器，通常采用常规的PID控制规律。
第二代动力定位控制方法是以现代控制理论为基础的控制技术-最优控制和卡尔曼滤波理论相结合。
近年来出现的第三代动力定位系统采用了智能控制理论和方法，使动力定位控制进一步向智能化的方向发展。
智能控制方法主要体现在鲁棒控制、模糊控制、非线性模型预测控制等方面。
2001年5月份，挪威的___推出了一项新产品—绿色动力定位系统(Green DP)，将非线性模型预测控制技术成功地引入到动力定位系统中。
Green DP控制器由环境补偿器和模型预测控制器组成。
环境补偿器的设计是为了提供一个缓慢变化的推力指令来补偿一般的环境作用力。
模型预测控制器是通过不断求解一个精确的船舶非线性动态数学模型，用以预测船舶的预期行为。
模型预测控制算法的计算比一般用于动力定位传统的控制器设计更加复杂且更为耗时，主要有三个步骤:1.从非线性船舶模型预测运动;2.寻找阶跃响应曲线;3.求解最佳推力。
控制器结构如图所示:在20世纪80年代初期，荷兰的Marin确定了推进器和动力定位的研究计划，并进行了动力定位的模型实验。
这些实验包括推进器和推进器之间的相互作用、推进器和船体之间的相互作用以及环境力和船舶的低频运动等内容。
船舶动力定位系统的数学模型
高频的纵荡 、横荡位置和艏摇角度 。
式中矩阵定义为 :
Ai 0 0
0
1
A H = 0 A i 0 A i = - 2ξω0 - ω20
0 0 Ai
(10)
EH = [0 k1 0 k2 0 k3 ] T
(11)
010000
CH = 0 0 0 1 0 0
(12)
000001
2 环境干扰力模
=
s2
+
Kws
2ξω0 s
+ ω20
(8)
式中 ,参数 Kw 与海况有关 , 相对阻尼系数 ξ小于 1. 0 ,一般取 0. 05～0. 3 ,ω0 表示波浪 P2M 谱中的主
要频率 , 与波浪的有义波高有关 。可见参考文献
[5]。
对于式 (8) 将其转化为状态空间形式可得如下
噪声 ;ωL 代表三维扰动变量 。矩阵定义如下 :
AL =
03 ×3 03 ×3
I3 ×3 - M - 1 D ; BL =
03 ×3 ;
M-1
EL =
03 ×3 M-1
; CL
= [ I3 ×3 03 ×3 ]
(7)
1. 3 高频运动模型
船舶的高频运动主要是由于一阶波浪力引起
的 ,并且认为纵荡 、横荡 、和艏摇三个自由度上的高 频运动是没有耦合的 。根据文献[ 1 ] ,这三个自由度 的高频运动可以分别看作是附加了阻尼项的二阶谐
因此 ,建立一个完整的合理的数学模型是船舶 动力定位系统控制的首要条件 。本文给出了针对船 舶动力定位控制系统所应用的船舶运动模型 ,包括 低频运动模型 ,高频运动模型 ,同时还给出了作为环 境干扰力的风 、流等数学模型以及考虑动态特性的
船舶动力定位的快速模型预测控制算法
(5)
式(5)中：≥表示矩阵不等式，即
Q
0
0 R
和
Qf
是一个半正定矩阵；
T
为滚动时域范围。
异。仿真结果表明，该快速 MPC 技术具有一定的实时性和准确性。
关键词：动力定位；模型预测控制（MPC）；快速 MPC 算法；MPC 结构
中图分类号：U664.82
文献标志码：A
文章编号：2095-4069 (2019) 04-0028-06
Fast Model Predictive Control Algorithm for Ship Dynamic Positioning
摘要：动力定位（Dynamic Positioning, DP）系统可使船舶或海洋平台在外界环境干扰下通过足够数量的推进器来
实现位置和航向的控制。为快速计算推进器的近似最优输入，利用模型预测控制（Model Predictive Control, MPC）
问题的稀疏结构，提出一种提高 MPC 求解速度的方法。通过数值算例比较该快速 MPC 算法与传统算法的性能差
1 理论模型
1.1 运动方程 船舶的离散状态动力学模型[6]为
xt 1 Axt Bu t t
(1)
式(1)中：t 为时间，t 0，1，…；x t Rn 为状态；u t Rm 为控制输入； t Rn 为环境干扰；矩阵 A Rnn
和 B Rnm 为已知矩阵，与质量、阻尼和其他流体动力效应有关。对于船舶而言，式(1)包括随体坐标系与
大地坐标系之间的速度转换，有
cos sin 0
Ts
sin
cos
0
(2)
0
0 1
式(2)中： 为航向角。
1.2 模型预测控制
基于模糊控制理论的船舶动力定位系统的研究
船
速度 、 角速度向量； （） １ｎ ｃ ￣ Ｊ７ 一 ｅ １ ｓ ｉ ｏ ｓ
广 一 ∞
ｌ０
０ １
０ Ｊ
０ １ ｊ
化 处理 ， 这种 处理 方 法 会 产生 较 大 的计算 量 并 存
在 误差 。
为 大地 坐标 和 船 体 坐 标 系 间 的转 换 矩 阵 ； — Ｍ
Ｓ ｇｎ （ － ｓ 模 糊 模 型 设 计 动 力 定 位 船 舶 控 制 器 响应 时 问 ， 升 时 间 短 ， 调 率 低 ， 有 一 定 的 抗 干 扰 能 力 ， 较 强 的 ｕ ｅ ｏＴ－ ） 上 超 具 有 鲁 棒 性 ， 有 良好 的 控制 品 质 。 具
关 键 词 船 舶 动 力 定 位 ； ＱＧ； 糊 控 制 ； 棒 性 Ｌ 模 鲁 中 图分 类 号 Ｕ６ ４ ８ ６． １ 文献标志码 Ａ 文章 编 号 １ ７ —８ ０ （ ０ ２ ０ —０ ２ —０ ６ １ １０ ２ １ ）３ ０ ６ ５
使 船舶恢 复 到初始 设置 的 目标 位置 需要 多大 的推
１ 船 舶 动 力 定 位 系统 数 学 模 型
１ １ 低 频 船 舶 动 力 模 型 ．
力， 最后 控制 器还 要 对 船 舶上 各 推 力 器进 行 推 力 分 配并发 出推 力指 令 给 执 行 机构 （ 即推力 器 ） 从 ， 而 使船舶 恢 复到初 始设 置 的 目标位 置［ 。 ２ ］ 早期 动 力定位 控制 系统 常采用 的是 带有 陷波 滤 波 器 或低 通 滤 波器 Ｐ Ｄ 方法 和基 于线 性 最 优 Ｉ 随机控 制理 论 的 Ｌ ＱＧ方 法 。 由于 Ｐ Ｄ控 制存 在 Ｉ
０ ］ １０ Fra bibliotek一ｙ 一ｙ 为阻 尼 矩 阵 ； 线 性 项 ， ｌ 、 为 一
船舶动力定位系统及其控制技术
船舶动力定位系统及其控制技术随着海洋经济时代的到来，人们对海洋资源的需求越来越多。
由于深海环境复杂多变，因而对获取海洋资源的装置定位精度要求也越来越高。
传统的锚泊系统有抛起锚操作过程繁琐、定位精度和机动性差等缺陷，难以符合定位精度的要求；而船舶动力定位系统（以下简称“DP系统”）则在保持航迹或保持位置方面具有突出的优势，已被逐渐应用到海上航行船舶和作业平台上，快速发展的控制理论在DP系统中的应用，取得了很好效果。
1 DP系统概述1.1 定义DP系统是指不依靠外界的辅助，通过固有的动力装置来对船舶或作业平台进行定位的一种闭环控制系统，系统包括控制系统、测量系统和推进系统，控制系统是其核心。
1.2 组成DP系统由控制系统、测量系统和推力系统组成。
控制系统是整个系统的核心，对测得的信息和外界干扰信号进行处理，能够通过计算推算出抵抗外界干扰的推力，并传递给推力系统。
测量系统能够获得船舶運动所需要的信息，其种类有DGPS、电罗经、张紧索系统、水下声呐系统、垂直参考系统、风力传感器等。
推力系统根据控制系统计算出的推力来控制船舶。
1.3 研究状况第1代DP系统的研发始于1960年。
钻井船“Eureka”号是世界上第一艘基于自动控制原理设计的DP船舶。
该船配备的DP模拟系统与外界张紧索系统相连。
该船除装有主推力系统外，在还在船首和船尾装有侧推力系统，在船身底部也安装有多台推进器。
第2代DP系统始于1970年，具有代表性的是“*****5”号船，该船安装有多台推进器，系统的控制器采用kalman滤波等现代控制技术，且控制系统中的元件有冗余，其安全性、稳定性和作业时间均有了较大的改善和提高。
第3代DP系统始于1980年。
系统采用微机处理技术和Muti-bus、Vme等多总线标准的控制系统。
代表性的第3代DP系统有挪威Konsberg公司的AD-P100、AD-P503系列产品和法国的DPS800系列产品。
我国对DP系统的研究开展得较晚，研究力量集中在高校和科研院所。
开题报告-船舶动力定位控制技术研究
开题报告-船舶动力定位控制技术研究开题报告电气工程及自动化船舶动力定位控制技术研究一、综述本课题国内外研究动态，说明选题的依据和意义船舶在海上运行时会遇到风、海浪和海流等海洋环境的干扰，这样船舶就产生了受扰运动。
例如科学考察船在海上进行作业时，需要停在指定的位置上。
但是由于海上环境的影响，考察船不能一直停在指定的位置上。
因此为了确保船舶在海上运作的稳定性，需要对船舶进行定位。
以往，传统的定位方法是锚泊定位。
传统的抛锚定位是将锚扔入海底，利用锚钩住海底的淤泥，从而使船舶抵抗受到的外界的干扰力。
抛锚定位它的优点是，锚是任何船舶上都会备有的定位设备，从而不用另外加装其他的定位设备。
但是这种定位系统有不可避免的缺陷：1、定位不够准确，其精确性与水深成反比；2、抛锚、起锚费时比较麻烦，机动性能差。
一旦抛锚，如果需要重新定位时，需要收锚然后重新抛锚定位，这一过程本身就很繁琐和费时。
3、锚泊系统很容易受海底情况及水深的影响和限制，在一般情况下，它的有效定位的范围是在水深100米左右的区域。
4、对于一些需要在深海作业或者航行的船舶，随着水深的增加，锚泊系统的抓底力会逐渐减小，抛锚的困难程度也会增加，同时还要增加锚链的长度和加强强度，从而导致锚链的重量一下增大，使海上的布链作业将变得复杂。
此外，锚链的价格和安装费用也会猛烈增加。
在实际情况下，当水深达到一定的深度时，多点锚泊系统已经没有多大的用处。
而船舶动力定位系统与传统的定位不同，它不需要借助锚泊系统定位，而是通过测量系统检测出船舶的实际位置与所需要的目标位置的偏差，然后再根据外部环境扰动力的影响来计算出使船舶恢复到目标位置时需要的推力大小，再通过控制船舶上的推力器进行推理分配，从而使推力器产生相对应的推力，尽可能地使船保持在要求的位置上。
动力定位系统的特点是不受海水深度的影响，推力器能在任何水深下提供推力抵抗环境力，动力定位系统的定位成本不会随着水深的增加而增加，同时它具有定位迅速准确，快速响应天气环境的变化和不受海洋环境的影响等优点。
船舶动力定位系统数学模型参数辨识方法研究
（ ． ｏ ｅｅｏ ｒ ｅＥ ｇ ｅ ｒ ｇ Ｄ ｌ ｎＭａ ｔ ｎｖｒｉ ， ａｉ ０ ６ Ｃ ｉａ １ Ｃ ｌ ｇ ｆ ｌ Ｍａｉ ｎ ｉ ｅ ｎ ， ａｉ ｒｉ Ｕ ｉ ｓｙ Ｄ ｌ ｎ １ ６ ２ ， ｈｎ ； ｎ ｎ ｉ ａ ｉ ｍｅ ｅ ｔ ａ １ ２ Ｃ ｌ ｇ ｆ ｎｏｍ ｔ ｎＳ ｉ ｃ ｎ ｅｈ ｏｏｙ Ｄ ｌ ｎＭａ ｔ ｅＵ ｉｅｓｙ Ｄ ｌ ｎ １６ ２ ， ｈｎ ） ． ｏｌ ｅｏ ｆ ａｉ ｃｅ ｅａｄＴ ｃ ｎ ｌｇ ， ａｉ ｒｉ ｎｖｒｉ ， ａｉ ０ ６ Ｃ ｉａ ｅ Ｉ ｒ ｏ ｎ ａ ｉｍ ｔ ａ １
（ ．大连 海事 大 学 轮机 工程 学 院 大 连 １ ６ ２ ； １ １ ０ ６
２ 大连 海 事大 学 信 息科 学技 术 学院 大连 １ ６ ２ ） ． １０ ６
［ 摘 要 ］船 舶 动 力 定 位 是 深 海 开 发 的关 键 技 术 之 一 ， 随着 海上 油气 生产 向深 海 的发 展 ， 应 用 于 船 舶 动力 定 对
第２ ３卷
第 ３期 （ 第 １５期 ） 总 ３
２１ ０ ２年 ６月
船
舶
Ｖｏ ．３ Ｎｏ ３ １ ２ ．
Ｓ Ｐ ＆ Ｂ０ＡＴ ＨＩ
Ｊｎ ２ ２ ｕ ｅ，０１
［ 船舶 电气 ］
船舶动力定位 系统数学模型参数 辨识方法研究
李 文 华 １ 杜 佳 璐 ２ 张银 东 １ 宋 健 － 孙 玉清 － 陈海泉
［ 图分 类 号 】 ６ １ ３ 中 Ｕ ６． ３
船舶动力定位仿真系统设计
船舶动力定位仿真系统设计本文介绍一种船舶动力定位仿真系统的设计。
该系统主要应用于海洋工程、航道疏浚、海洋综合调查等船舶作业场合，用于定位、控制船舶位置，提高作业效率、减少作业风险。
系统设计包括硬件平台和软件平台两个部分，下面将分别介绍。
一、硬件平台硬件平台包括主控板、传感器、显示屏、电源等。
主控板采用STM32F427VIT6处理器，主频为180MHz，拥有256KB SRAM和2MB Flash。
传感器包括GPS/北斗、罗经、MEMS 惯导等。
显示屏采用7寸液晶显示器，分辨率为800*480，支持触摸。
电源采用12V电源适配器和双路3S锂电池，保证系统运行稳定和可靠。
二、软件平台软件平台包括Sensor Driver层、GPS解算层、船舶动力学模型、定位算法和应用层。
下面将分别介绍。
1. Sensor Driver层Sensor Driver层负责驱动传感器数据采集，主要包括GPS/北斗、罗经、MEMS惯导。
采用HAL库进行驱动，保证数据采集的稳定和精度。
2. GPS解算层GPS解算层采集GPS/北斗数据，通过定位算法求解船舶经纬度、速度和方位角。
采用RTK算法和DGPS算法，提高定位精度。
3. 船舶动力学模型船舶动力学模型采用数学模型描述船舶运动状态，包括船舶位置、速度、角度和力学特性等。
采用基于OpenFOAM的CFD 仿真技术，模拟船舶水动力学特性，提高模型精度。
4. 定位算法定位算法采用卡尔曼滤波算法，根据船舶动力学模型和GPS 解算数据，求解船舶位置、速度和方位角，并对测量噪声进行滤波处理，提高算法精度。
5. 应用层应用层负责用户界面、数据显示和控制功能。
主要包括船舶位置和速度显示、船舶目标点设定和控制、历史轨迹回放和数据记录等。
采用Qt框架进行开发，具有友好的用户界面和强大的功能扩展能力。
三、系统实现系统实现分为两个阶段。
第一阶段为仿真阶段，主要用于调试算法和验证系统可行性。
第二阶段为实际应用阶段，主要用于现场实际作业，通过与现场数据对比证明系统的精度和可靠性。
2023华东杯数学建模b题
2023华东杯数学建模b题
2023华东杯数学建模B题
B题：船舶动力定位系统设计
船舶动力定位系统（Dynamic Positioning System，简称DPS）是一种用于控制船舶位置的自动控制系统。
该系统通过自动控制船舶的推进器，使船舶能够保持在特定的位置或航线上，即使在风、浪、流等外部力的作用下也能保持稳定。
问题：
1. 船舶动力定位系统的基本组成和工作原理是什么？
2. 船舶动力定位系统的主要性能指标有哪些？如何评估这些指标？
3. 针对一艘特定的工作船（如海洋资源开发船、海洋调查船、海上风电安装船等），设计一个动力定位系统，并详细说明设计思路和实现方法。
4. 针对设计出的动力定位系统，如何进行测试和验证其性能？
要求：
1. 针对以上问题，给出详细的解答或设计方案。
2. 文字表述清晰，逻辑严谨，数学公式和图表等表达方式可适当使用。
3. 针对问题3和问题4，需要给出具体的实施步骤和方案，具有可操作性。
4. 最终提交的答案应包括所有问题的解答，并按照问题的顺序进行组织。
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中图分类号 U661. 3
0 前 言
随着人们对海洋资源开发 ,海洋探索的范围越 来越广 。人们对深海作业的船舶以及其他浮式生产 系统 (包括半潜平台 , 钻进平台) 的动力定位系统 (Dynamic Positioning System ,简称 DP 系统) 的研究 也日益重视 。DP 系统就是如何在有风 、浪 、流的干 扰情况下 ,不借助锚泊系统 ,利用自身的推力器系统 使得船舶保持一定的位置和角度 ,或者按照预定的 运动轨迹运动 。动力定位系统通常包括三个子系 统 :a) 机械 、电子和声学装置 - 用于测量船舶角度和 位置的传感器系统 ; b) 执行机构 - 安装于船体各部 分的推进器以产生需要的推力来推动船舶运动 ;c) 控制器 - 根据由传感器系统所提供的信息来选择合 适的方法控制执行机构 。从上个世纪 60 年代以来 , 动力定位系统在商业中应用已经有很大的发展 。最 早的 DP 系统是采用传统的 PID 控制器串联低通或 陷波滤波器的方法 。到上世纪七 、八十年代后 ,基于 最优化控制理论和卡尔曼滤波的控制方法被引入到 D P 系统[1 ,2 ,3 ] 。
1. 1 运动学方程 在有风 、浪 、流作用下的复杂海况中 ,无约束的
船舶表现为六自由度的运动 。而在实际的 DP 系统 中 ,只需要考虑三个自由度的运动 :纵荡 、横荡 、艏摇 运动 。为了描述船舶的运动 ,需要建立两个参考坐 标系 (如图 1 所示) ,一个是相对于地球的固定坐标 系 X EO Y E ,一个是相对于船舶的随船坐标系 XO Y , 两者的 Z 轴垂直指向地心 , X Y 平面与静水面重 合 。随船坐标系的原点取在船舶的中心线上 , 离重 心点的距离是 x G 。
的高频运动模型 :
x H = A H x H + EHωH (9)
yH = CH x H
式中 x H = [ξx , x H ,ξy , y H ,ξΨ , ΨH ]分别代表三个自
由度上的位置和速度状态信号 ,ωH = [ωx ,ωy ,ωΨ ]
是零均值的高斯白噪声信号 ,三维向量 y H 分别表示
性化的低频运动模型如下 :
x L = A L x L + B Lτ + ELωL
yL = CL x L +ν
(6)
式中的状态变量 xL = [ηT ,νT ] T , 其中 ηT 代表位置
(纵荡 、横荡 、艏摇) 向量 ; yL 代表三维测量位置向量 (包括纵荡 、横荡 、艏摇角度) ;ν是 3 维测量高斯白
风速和风向 。ν和ω都为零均值高斯白噪声 。
5 参考文献
1 T. Fossen. Guidance and control of ocean vehicles. New
York : Wiley ,1994. 2 Balchen J G. Jenssen N A , Mat hisen E et al. A dynamic
positioning system based on Kalman filtering and optimal
control. Modeling , Identification and Control. 1980 , Vol.
1 ,No. 3 :135263. 3 Fung P T K , Grimble M J . Dynamic ship positioning using a
舶的数学模型 :
x = A x + B u + Eω
z = Hx +ν
(17)
式中
,
x
=
[
x
T L
,
x
T H
,
x
T c
,
x
T w
,τT
]T
为状态变量 ,
u
=
τL +τw 是输入向量 ,输出向量 z = [ z x , z y , zΨ , z ws ,
z w d ]分别表示船舶纵荡位置 、横荡位置 、艏摇角度 、
3 推力器动态模型
推力器系统主要是对安装在船体的各个推力器
(一般不少于 5 个) 进行推力分配 ,并且借助它们得
到相应的推力和力矩 ,以抵抗作用于船的干扰力和
力矩 。关于多推力器的推力分配问题也是一个优化
问题 ,可参见文献[ 4 ,6 ] 。
实际的动力定位系统中 ,推力器的动态特性也
是必须要考虑的一个问题 ,因为它可能导致控制输
波振荡器 :
·28·
h ( s)
=
s2
+
Kws
2ξω0 s
+ ω20
(8)
式中 ,参数 Kw 与海况有关 , 相对阻尼系数 ξ小于 1. 0 ,一般取 0. 05～0. 3 ,ω0 表示波浪 P2M 谱中的主
要频率 , 与波浪的有义波高有关 。可见参考文献
[5]。
对于式 (8) 将其转化为状态空间形式可得如下
因此 ,建立一个完整的合理的数学模型是船舶 动力定位系统控制的首要条件 。本文给出了针对船 舶动力定位控制系统所应用的船舶运动模型 ,包括 低频运动模型 ,高频运动模型 ,同时还给出了作为环 境干扰力的风 、流等数学模型以及考虑动态特性的
推力器的数学模型 。最后提出了一个综合的运动模 型。
1 船舶运动数学模型
船舶在海面上的综合运动很复杂 ,一般分为风 、 流 、二阶波浪力引起的低频运动和由于一阶波浪力 引起的高频运动 。由于高频运动仅仅表现为周期性 的振荡而不会导致平均位置的改变 ,为了避免不必 要的能量浪费和推力器的磨损 ,一般从船舶测得的 综合位置信息分离出低频信号然后加以控制 ,而不 对高频信号进行控制 。
Key words :Ship Dynamically positioning Mat hematical model High f requency motion Low f requency mo t io n
行业信息
沪东中华造船 (集团) 有限公司
沪东中华造船 (集团) 公司近来推广二项新工艺 ,收到了较好的降本增益效果 。其一是对船舶水线水尺的勘划工艺予于 创新 。以往 ,水线水尺的勘划工艺基本停留在较为落后的状态中 ,难以合理地 、有效地确保船体制造精度 。有关技术人员决 定对水线水尺勘划工艺进行新的尝试 :逐渐由船台施工改为平台勘划 。该工艺的创新进一步保证了水线水尺的勘划精度 ,不 仅加快了船体制造进度 ,而且使造船精度跃上了一个新的台阶 。其二是推广实芯 CO2 焊丝应用 。CO2 气体保护焊已经在船 厂中大面积使用 ,其中药芯焊丝在 CO2 焊丝中占有主要地位 。为了有效地降低生产成本 ,沪东中华造船集团积极将实芯 CO2 焊丝在某些生产区域予于推广应用 ,达到了一定程度的突破 。实芯焊丝的价格仅为药芯焊丝的 60 %左右 ,实际应用中抗裂性 能较好 ,无需清渣 ,适合于打底层焊缝及多层多道焊 ,并在坡口间隙较小时同样可以获得满意的背面成型 。 (邵天骏)
(5)
0
- Nv - Nr
由于坐标系转换矩阵 (2) 的存在 ,使得模型 (3) 表现
为非线性的模型 ,我们选择在一定的艏摇角的附近
线性化模型 (3) ,通常在 360°的范围内选择 36 个点
(每 10 度一个点) 线性化模型 。在这里我们可以通
过选择合适的坐标系使得 Ψd = 0 ,这样我们得到线
船舶动力定位系统的数学模型
童进军 硕士 上海交通大学自动化系[ 200030 ] 何黎明 博士 上海交通大学自动化系[ 200030 ] 田作华 教授/ 博导 上海交通大学自动化系[ 200030 ]
摘 要 阐述了船舶动力定位系统的发展 ,给出了完整的动力定位系统的船舶低频与高频运 动 、推力器 、风 、浪 、流等数学模型 ,最后给出了综合运动模型 。
rC
]是流速度向量
,
τ L
是
控
制
力
和
力
矩
,ω L=[ωu ,ωv ,ωr ]是零均值白噪声 , 用于描述船舶未建模
的动态特性和扰动 。惯量矩阵 M (包括水力附加质
量) 满足正定要求 M = M T > 0 如下 :
m - Xu
0
0
M=
0
m - Yv m x G - Y r (4)
0
m x G - Yr Iz - N r
海交通大学博士学位论文 ,1999.
Mathematical Model of Dynamically Positioning System of Ship
——— by Tong J injun , He Liming and Tian Zuohua
Abstract :In t he paper , based on reviewing t he development history of dynamically positioning system , a mat hematical model of dynamically positioning system is established which includes high and low f requency mo2 tion of ship , t hrusters and force of wind , wave and current . And finally , a complete mat h model t hat can be used for cont rolling is given.
J ( Ψ) = sinΨ cosΨ 0
(2)
0
01
船舶工程 2002 年第 5 期
·27·
1. 2 船舶低频运动模型
根据文献[ 1 ] ,可以得知船舶的低频运动模型为
MνL + D (νL - νc)