CN115826606B - 一种自升式船舶平台的动力定位控制方法 - Google Patents

一种自升式船舶平台的动力定位控制方法 Download PDF

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CN115826606B
CN115826606B CN202310107753.1A CN202310107753A CN115826606B CN 115826606 B CN115826606 B CN 115826606B CN 202310107753 A CN202310107753 A CN 202310107753A CN 115826606 B CN115826606 B CN 115826606B
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Abstract

本发明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
Figure ZY_1
；计算出实时船体风载荷
Figure ZY_2
；计算出船体自适应阻尼矩阵
Figure ZY_3
；计算出实时附加环境干扰载荷
Figure ZY_4
；计算实时静水工况最优控制力
Figure ZY_5
；计算出动力定位控制系统的实时控制合力
Figure ZY_6
；推力分配模块将动力定位控制系统的实时控制合力
Figure ZY_7
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。

Description

一种自升式船舶平台的动力定位控制方法
技术领域
本发明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。
背景技术
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。
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。
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。
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。
发明内容
本发明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。
本发明是通过以下技术方案予以实现：
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
Figure SMS_1
、相对风速
Figure SMS_2
、相对风向
Figure SMS_3
、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
Figure SMS_4
，k为船舶平台的桩腿数量；
S2:根据实时相对风速
Figure SMS_5
、相对风向
Figure SMS_6
、船体风载荷系数曲线，计算出实时船体风载荷
Figure SMS_7
；
S3:根据每个桩腿的实时下放长度
Figure SMS_8
，计算出船体自适应阻尼矩阵
Figure SMS_9
；
S4:根据S3计算出的船体自适应阻尼矩阵
Figure SMS_10
，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
Figure SMS_11
；
S5:在S3计算出的船体自适应阻尼矩阵
Figure SMS_12
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
Figure SMS_13
；
S6:根据S5计算出的实时静水工况最优控制力
Figure SMS_14
，分别对S1中实时桩腿风载荷
Figure SMS_15
、S2中实时船体风载荷
Figure SMS_16
、S4中实时附加环境干扰载荷
Figure SMS_17
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
Figure SMS_18
；
S7:推力分配模块将动力定位控制系统的实时控制合力
Figure SMS_19
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。
进一步，S1中所有桩腿实时风载荷
Figure SMS_20
的计算包括以下步骤：
D1:根据每个桩腿的实时下放长度
Figure SMS_21
、相对风速
Figure SMS_22
、相对风向
Figure SMS_23
、桩腿风载荷系数曲线，采用式（1）求解第
Figure SMS_24
个桩腿的纵向风载荷
Figure SMS_25
及横向风载荷
Figure SMS_26
：
Figure SMS_27
（1）
其中：
Figure SMS_29
、
Figure SMS_32
分别为第
Figure SMS_35
个桩腿的纵向、横向无因次风载荷系数，
Figure SMS_33
为相对风速，
Figure SMS_37
为相对风向，
Figure SMS_39
为空气密度，
Figure SMS_40
为第
Figure SMS_28
个桩腿向上露出桩腿围井的高度，
Figure SMS_34
为所有桩腿总长，
Figure SMS_36
为被船体和围井包裹的桩腿长度，
Figure SMS_38
为第
Figure SMS_30
个桩腿下放到水中的长度，
Figure SMS_31
为第
Figure SMS_41
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
Figure SMS_42
个桩腿的实时风载荷
Figure SMS_43
：
Figure SMS_44
（2）
其中：
Figure SMS_45
为第
Figure SMS_46
个桩腿的安装位置矩阵，
Figure SMS_47
、
Figure SMS_48
分别为第
Figure SMS_49
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
Figure SMS_50
：
Figure SMS_51
（3）。
进一步，S2中实时船体风载荷
Figure SMS_52
根据式（4）计算求解：
Figure SMS_53
（4）
其中：
Figure SMS_55
、
Figure SMS_57
、
Figure SMS_60
分别为船体的纵向、横向、艏向风载荷，
Figure SMS_56
、
Figure SMS_58
和
Figure SMS_61
分别为船体纵向、横向、艏向无因次风载荷系数，
Figure SMS_64
为相对风速，
Figure SMS_54
为相对风向角，
Figure SMS_59
为空气密度，
Figure SMS_62
和
Figure SMS_65
为船体的正向和侧向风投影面积，
Figure SMS_63
为船体总长。
进一步，S3中船体自适应阻尼矩阵
Figure SMS_66
的计算包括以下步骤：
E1：根据实时的桩腿下放长度
Figure SMS_67
、桩腿流载荷系数曲线、船体纵向速度
Figure SMS_68
、船体横向速度
Figure SMS_69
、船体旋转角速度
Figure SMS_70
，利用式（5）计算第
Figure SMS_71
个桩腿的纵向流载荷、横向流载荷：
Figure SMS_72
（5）
其中，
Figure SMS_82
、
Figure SMS_76
、
Figure SMS_80
、
Figure SMS_74
分别为第
Figure SMS_78
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，
Figure SMS_81
、
Figure SMS_85
分别为第
Figure SMS_88
个桩腿的纵向、横向无因次流载荷系数，
Figure SMS_89
为海水密度，
Figure SMS_73
、
Figure SMS_77
、
Figure SMS_83
分别表示船体纵向速度、横向速度、旋转角速度，
Figure SMS_84
、
Figure SMS_86
分别为第
Figure SMS_87
个桩腿距离船体中心的纵向、横向距离，
Figure SMS_75
为第
Figure SMS_79
个桩腿的直径；
E2：根据桩腿安装位置，采用式（6）计算出第
Figure SMS_90
个桩腿的艏向流载荷：
Figure SMS_91
（6）
其中，
Figure SMS_92
为第
Figure SMS_93
个桩腿的艏向流载荷，
Figure SMS_94
、
Figure SMS_95
和
Figure SMS_96
分别为第
Figure SMS_97
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
Figure SMS_98
：
Figure SMS_99
（7）
其中：
Figure SMS_100
为桩腿未下放时的船体阻尼矩阵，
Figure SMS_101
为桩腿下放引起的船体阻尼矩阵变化量。
进一步，S4中实时附加环境干扰载荷
Figure SMS_102
的计算包括以下步骤：
F1：基于S3中船体自适应阻尼矩阵
Figure SMS_103
，建立自适应的船体动力学模型式（8）：
Figure SMS_104
(8)
其中，
Figure SMS_120
为大地坐标系下船体的运动位置及艏向状态向量，N、E、
Figure SMS_122
分别表示船体北向位置、东向位置、艏向；
Figure SMS_126
为船体坐标系下船体的运动速度及角速度状态向量，
Figure SMS_106
为北东坐标系和船体坐标系的坐标变换矩阵，且
Figure SMS_110
；
Figure SMS_113
为当前执行机构的控制反馈合力，
Figure SMS_116
、
Figure SMS_118
、
Figure SMS_123
分别表示当前执行机构的纵向合力、横向合力、艏向合力矩
Figure SMS_125
表示船体运动状态的模型噪声幅值，
Figure SMS_128
为零均值单位高斯白噪声三维向量；
Figure SMS_127
为船体惯性矩阵，
Figure SMS_129
，
Figure SMS_130
为船体质量，
Figure SMS_131
为船体转动惯量，
Figure SMS_117
为船体质心纵向坐标，
Figure SMS_119
为纵向水动力加速度导数，
Figure SMS_121
为横向水动力加速度导数，
Figure SMS_124
为艏向对横向的耦合水动力加速度导数，
Figure SMS_105
为横向对艏向的耦合水动力加速度导数，
Figure SMS_108
为艏向水动力加速度导数，
Figure SMS_111
为大地坐标系下实时的未知环境干扰载荷，
Figure SMS_114
、
Figure SMS_107
、
Figure SMS_109
分别为大地坐标系下的北向、东向、艏向的船体环境载荷；
Figure SMS_112
表示船体环境载荷的惯性时间常数；
Figure SMS_115
表示环境干扰力的模型噪声幅值，T为矩阵转置符号；
F2：建立动力定位系统测量模型式（9）：
Figure SMS_132
(9)
其中：
Figure SMS_133
表示测量噪声幅值，
Figure SMS_134
为带噪声的系统实际测量值；
F3：综合F1自适应的船体动力学模型及F2的动力定位系统测量模型，得到随桩腿下放长度实时更新的自适应观测器动力学模型式（10）：
Figure SMS_135
（10）
将式（10）转换为扩展Kalman滤波算法的标准状态空间形式，得到式（11）：
Figure SMS_136
（11）
其中：
Figure SMS_137
为九维状态变量；
Figure SMS_138
为三维控制输入，表示当前执行机构的控制反馈合力；
Figure SMS_139
为九维系统噪声；
Figure SMS_140
为非线性状态转移函数；
Figure SMS_141
为输入系数矩阵；
Figure SMS_142
为噪声系数矩阵；
Figure SMS_143
为观测矩阵；
F4：采用扩展Kalman滤波算法，计算得到九维状态变量
Figure SMS_144
包含船体运动位置及艏向状态
Figure SMS_145
、附加环境干扰载荷
Figure SMS_146
、船体速度及艏向角速度
Figure SMS_147
的实时最佳估计值。
进一步，S5中实时静水工况最优控制力
Figure SMS_148
的计算包括以下步骤：
G1：基于S3计算出的船体自适应阻尼矩阵
Figure SMS_149
，建立自适应的船体动力学模型式（12）：
Figure SMS_150
(12)；
其中，
Figure SMS_156
为大地坐标系下船体的运动位置及艏向状态向量，N、E、
Figure SMS_152
分别表示船体北向位置、东向位置、艏向，T为矩阵转置符号，
Figure SMS_154
为船体坐标系下船体的运动速度及角速度状态向量，
Figure SMS_158
、
Figure SMS_159
、
Figure SMS_162
分别表示船体纵向速度、横向速度、旋转角速度，
Figure SMS_164
为北东坐标系和船体坐标系的坐标变换矩阵，且
Figure SMS_157
，
Figure SMS_160
为船体惯性矩阵，
Figure SMS_151
，
Figure SMS_155
为船体质量，
Figure SMS_163
为船体转动惯量，
Figure SMS_165
为船体质心纵向坐标，
Figure SMS_167
为纵向水动力加速度导数，
Figure SMS_168
为横向水动力加速度导数，
Figure SMS_153
为艏向对横向的耦合水动力加速度导数，
Figure SMS_161
为横向对艏向的耦合水动力加速度导数，
Figure SMS_166
为艏向水动力加速度导数；
G2：将自适应的船体动力学模型转化为线性定常状态空间形式（13）：
Figure SMS_169
（13）
其中，
Figure SMS_170
为船体的运动状态向量；
Figure SMS_171
为系统矩阵，
Figure SMS_172
为输入矩阵，
Figure SMS_173
为输出矩阵，
Figure SMS_174
，
Figure SMS_175
，
Figure SMS_176
；
G3：设定最优化二次型指标式（14），并根据式（15）计算出使最优化二次型指标
Figure SMS_177
取得极小值的实时静水工况最优控制力
Figure SMS_178
：
Figure SMS_179
（14）
Figure SMS_180
（15）
其中，
Figure SMS_182
为Riccati代数方程
Figure SMS_183
的唯一正定解，
Figure SMS_184
为控制误差惩罚矩阵，
Figure SMS_187
为能量消耗惩罚矩阵，
Figure SMS_188
为用户设定的船体位置及艏向指令，
Figure SMS_189
、
Figure SMS_190
、
Figure SMS_181
分别表示船体北向位置指令、东向位置指令、艏向位置指令，
Figure SMS_185
表征控制误差惩罚项，
Figure SMS_186
表征控制过程的能量消耗惩罚项。
进一步，S6中动力定位控制系统的实时控制合力输出
Figure SMS_191
根据式（16）计算得到：
Figure SMS_192
（16）
其中，
Figure SMS_193
为桩腿实时风载荷，
Figure SMS_194
为实时船体风载荷，
Figure SMS_195
为实时附加环境干扰载荷，
Figure SMS_196
为静水工况最优控制力。
发明的有益效果：
本发明提供的一种自升式船舶平台的动力定位控制方法，具有如下优点：
1.本发明针对带有可升降桩腿的自升式船舶平台，提出了一种定制化的动力定位控制方法，充分考虑到了不同桩腿下放状态下，船体水线以上、水线以下外形变化引起的受风、流影响变化，采取了不同的控制补偿措施，能够显著提升动力定位控制精度；
2.在船体风载荷预报的基础上，充分考虑到桩腿下放时船体几何外形变化引起的风载荷变化，对暴露在空气中的变长桩腿的风载荷进行了独立预报，并采用前馈控制对风载荷进行统一补偿，显著提高了控制系统对风干扰的抑制能力；
3.由于桩腿数量多，外形粗大，下放长度不一，在桩腿下放时船体水下部分的几何外形发生显著变化，导致船体的运动特性发生变化，本发明建立了多桩腿下放长度与运动模型阻尼系数矩阵的自适应更新关系，为基于模型的观测器、控制器算法设计奠定了关键基础；
4.本发明将基于桩腿下放长度监测的自适应模型应用到动力定位观测器、控制器中，用于计算当前船体运动状态的最优估计、未知环境干扰载荷、静水工况最优控制力，自适应的船体动力学模型与船体实际状态更加匹配，使计算得到的船体运动状态估计、未知环境干扰载荷、静水工况最优控制力更加准确，能够显著提升控制精度。
附图说明
图1是本发明自升式船舶平台桩腿未下放状态示意图。
图2是本发明自升式船舶平台桩腿下放状态示意图。
图3是本发明自升式船舶平台桩腿下放长度说明示意图。
具体实施方式
自升式船舶平台桩腿未下放状态示意图如附图1所示，自升式船舶平台桩腿下放状态示意图如附图2所示，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
Figure SMS_197
、相对风速
Figure SMS_198
、相对风向
Figure SMS_199
、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
Figure SMS_200
；其中k为船舶平台的桩腿数量，每个桩腿的实时下放长度可以通过测量获得，相对风速
Figure SMS_201
、相对风向
Figure SMS_202
可以通过传感器测量获得，桩腿风载荷系数曲线可通过风洞试验或CFD仿真预先获得，获得方法为现有技术，不做赘述；
S2:根据实时相对风速
Figure SMS_203
、相对风向
Figure SMS_204
、船体风载荷系数曲线，计算出实时船体风载荷
Figure SMS_205
，船体风载荷系数曲线也可通过风洞试验或CFD仿真预先获得，获得方法为现有技术，不做赘述；
S3:根据每个桩腿的实时下放长度
Figure SMS_206
，计算出船体自适应阻尼矩阵
Figure SMS_207
；
S4:根据S3计算出的船体自适应阻尼矩阵
Figure SMS_208
，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
Figure SMS_209
，这里的实时附加环境干扰载荷是指除了风载荷以外其他环境的干扰载荷；
S5:在S3计算出的船体自适应阻尼矩阵
Figure SMS_210
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
Figure SMS_211
；
S6:根据S5计算出的实时静水工况最优控制力
Figure SMS_212
，分别对S1中实时桩腿风载荷
Figure SMS_213
、S2中实时船体风载荷
Figure SMS_214
、S4中实时附加环境干扰载荷
Figure SMS_215
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
Figure SMS_216
；
S7:推力分配模块将动力定位控制系统的实时控制合力
Figure SMS_217
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。
进一步，S1中所有桩腿实时风载荷
Figure SMS_218
的计算包括以下步骤：
D1:根据每个桩腿的实时下放长度
Figure SMS_219
、相对风速
Figure SMS_220
、相对风向
Figure SMS_221
、桩腿风载荷系数曲线，采用式（1）求解第
Figure SMS_222
个桩腿的纵向风载荷
Figure SMS_223
及横向风载荷
Figure SMS_224
：
Figure SMS_225
（1）
其中：
Figure SMS_227
、
Figure SMS_231
分别为第
Figure SMS_235
个桩腿的纵向、横向无因次风载荷系数，
Figure SMS_232
为相对风速，
Figure SMS_236
为相对风向，
Figure SMS_238
为空气密度，
Figure SMS_239
为第
Figure SMS_226
个桩腿向上露出桩腿围井的高度，
Figure SMS_229
为所有桩腿总长，
Figure SMS_233
为被船体和围井包裹的桩腿长度，
Figure SMS_237
为第
Figure SMS_228
个桩腿下放到水中的长度，
Figure SMS_230
为第
Figure SMS_234
个桩腿的直径，自升式船舶平台桩腿下放长度说明如附图3所示；
Figure SMS_240
、
Figure SMS_241
可通过风洞试验或CFD仿真得到；
Figure SMS_242
、
Figure SMS_243
均可以通过风传感器测量得到，
Figure SMS_244
可取固定值1.225kg/ m3。
对一艘特定的自升式船舶平台，各条桩腿的总长
Figure SMS_245
、被船体和围井包裹的桩腿长度
Figure SMS_246
是一致的，第
Figure SMS_247
个桩腿下放到水中的长度
Figure SMS_248
、上端露出桩腿围井的高度
Figure SMS_249
是可变，可以通过测量获得。
D2: 根据桩腿安装位置，采用式（2）计算船体坐标系下第
Figure SMS_250
个桩腿的实时风载荷
Figure SMS_251
：
Figure SMS_252
（2）
其中：
Figure SMS_254
为第
Figure SMS_258
个桩腿的安装位置矩阵，
Figure SMS_260
、
Figure SMS_255
分别为第
Figure SMS_256
个桩腿距离船舶中心的纵向、横向距离，计算得到的
Figure SMS_259
为三维列向量，记作
Figure SMS_262
，
Figure SMS_253
、
Figure SMS_257
和
Figure SMS_261
分别为第
Figure SMS_263
个桩腿在船体坐标系下的纵向、横向、艏向风载荷。
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
Figure SMS_264
：
Figure SMS_265
（3）。
进一步，S2中实时船体风载荷
Figure SMS_266
根据式（4）计算求解：
Figure SMS_267
（4）
其中：
Figure SMS_270
、
Figure SMS_272
、
Figure SMS_277
分别为船体的纵向、横向、艏向风载荷，
Figure SMS_269
、
Figure SMS_275
和
Figure SMS_280
分别为船体纵向、横向、艏向无因次风载荷系数，可以通过风洞试验或CFD仿真得到 ；
Figure SMS_281
为相对风速，
Figure SMS_268
为相对风向角，可通过风传感器测量获得，
Figure SMS_273
为空气密度，
Figure SMS_278
和
Figure SMS_279
为船体的正向和侧向风投影面积，
Figure SMS_271
为船体总长，
Figure SMS_274
、
Figure SMS_276
、
Figure SMS_282
均为定值。
进一步，S3中船体自适应阻尼矩阵
Figure SMS_283
的计算包括以下步骤：
E1：根据实时的桩腿下放长度
Figure SMS_284
、桩腿流载荷系数曲线、船体纵向速度
Figure SMS_285
、船体横向速度
Figure SMS_286
、船体旋转角速度
Figure SMS_287
，利用式（5）计算第
Figure SMS_288
个桩腿的纵向流载荷、横向流载荷：
Figure SMS_289
（5）
其中，
Figure SMS_298
、
Figure SMS_291
、
Figure SMS_295
、
Figure SMS_296
分别为第
Figure SMS_300
个桩腿由船舶纵向运动引起的纵向流载荷、由船舶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、由船舶旋转运动引起的横向流载荷，
Figure SMS_301
、
Figure SMS_307
分别为第
Figure SMS_299
个桩腿的纵向、横向无因次流载荷系数，
Figure SMS_304
、
Figure SMS_290
可通过风洞试验或CFD仿真得到，
Figure SMS_294
为海水密度，
Figure SMS_302
、
Figure SMS_305
、
Figure SMS_306
分别表示船舶纵向速度、横向速度、旋转角速度，
Figure SMS_308
、
Figure SMS_292
分别为第
Figure SMS_293
个桩腿距离船体中心的纵向、横向距离，
Figure SMS_297
为第
Figure SMS_303
个桩腿的直径；
E2：根据桩腿安装位置，采用式（6）计算出第
Figure SMS_309
个桩腿的艏向流载荷：
Figure SMS_310
（6）
其中，
Figure SMS_311
为第
Figure SMS_312
个桩腿的艏向流载荷，
Figure SMS_313
、
Figure SMS_314
和
Figure SMS_315
分别为第
Figure SMS_316
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
Figure SMS_317
：
Figure SMS_318
（7）
其中：
Figure SMS_319
为桩腿未下放时的船体阻尼矩阵，
Figure SMS_320
为桩腿下放引起的船体阻尼矩阵变化量。
进一步，S4中实时附加环境干扰载荷
Figure SMS_321
的计算包括以下步骤：
F1：基于S3中船体自适应阻尼矩阵
Figure SMS_322
，建立自适应的船体动力学模型式（8）：
Figure SMS_323
(8)
其中，
Figure SMS_342
为大地坐标系下船体的运动位置及艏向状态向量，N、E、
Figure SMS_349
分别表示船体北向位置、东向位置、艏向；
Figure SMS_352
为船体坐标系下船体的运动速度及角速度状态向量，
Figure SMS_327
为北东坐标系和船体坐标系的坐标变换矩阵，且
Figure SMS_330
；
Figure SMS_336
为当前执行机构的控制反馈合力，可以通过接口信息得到，
Figure SMS_338
、
Figure SMS_340
、
Figure SMS_343
分别表示当前执行机构的纵向合力、横向合力、艏向合力矩，
Figure SMS_347
表示船体运动状态的模型噪声幅值，为扩展Kalman滤波算法的可调参数，
Figure SMS_351
为零均值单位高斯白噪声三维向量；
Figure SMS_350
为船体惯性矩阵，
Figure SMS_355
，
Figure SMS_356
为船体质量，
Figure SMS_357
为船体转动惯量，c为船体质心纵向坐标，
Figure SMS_334
为纵向水动力加速度导数，
Figure SMS_339
为横向水动力加速度导数，
Figure SMS_344
为艏向对横向的耦合水动力加速度导数，
Figure SMS_346
为横向对艏向的耦合水动力加速度导数，
Figure SMS_324
为艏向水动力加速度导数，
Figure SMS_325
、
Figure SMS_329
、
Figure SMS_331
、c、
Figure SMS_328
、
Figure SMS_333
、
Figure SMS_337
Figure SMS_341
、
Figure SMS_345
均为已知的船舶状态参数，
Figure SMS_348
为大地坐标系下实时的未知环境干扰载荷，
Figure SMS_353
、
Figure SMS_354
、
Figure SMS_326
分别为大地坐标系下的北向、东向、艏向的船体环境载荷；
Figure SMS_332
表示船体环境载荷的惯性时间常数；
Figure SMS_335
表示环境干扰力的模型噪声幅值，为扩展Kalman滤波算法的可调参数，T为矩阵转置符号；
F2：建立动力定位系统测量模型式（9）：
Figure SMS_358
(9)
其中：
Figure SMS_359
表示测量噪声幅值，为扩展Kalman滤波算法的可调参数，
Figure SMS_360
为带噪声的系统实际测量值；
F3：综合F1自适应的船体动力学模型及F2的动力定位系统测量模型，得到随桩腿下放长度实时更新的自适应观测器动力学模型式（10）：
Figure SMS_361
（10）
将式（10）转换为扩展Kalman滤波算法的标准状态空间形式，得到式（11）：
Figure SMS_362
（11）
其中：
Figure SMS_363
为九维状态变量；
Figure SMS_364
为三维控制输入，表示当前执行机构的控制反馈合力；
Figure SMS_365
为九维系统噪声；
Figure SMS_366
为非线性状态转移函数；
Figure SMS_367
为输入系数矩阵；
Figure SMS_368
为噪声系数矩阵；
Figure SMS_369
为观测矩阵；
F4：采用扩展Kalman滤波算法，计算得到九维状态变量
Figure SMS_370
包含船体运动位置及艏向状态
Figure SMS_371
、附加环境干扰载荷
Figure SMS_372
、船体速度及艏向角速度
Figure SMS_373
的实时最佳估计值。
进一步，S5中实时静水工况最优控制力
Figure SMS_374
的计算包括以下步骤：
G1：基于S3计算出的船体自适应阻尼矩阵
Figure SMS_375
，建立自适应的船体动力学模型式（12）：
Figure SMS_384
(12)；
其中，
Figure SMS_379
为大地坐标系下船体的运动位置及艏向状态向量，N、E、
Figure SMS_383
分别表示船体北向位置、东向位置、艏向，T为矩阵转置符号，
Figure SMS_385
为船体坐标系下船体的运动速度及角速度状态向量，
Figure SMS_388
、
Figure SMS_386
、
Figure SMS_389
分别表示船体纵向速度、横向速度、旋转角速度，
Figure SMS_387
为北东坐标系和船体坐标系的坐标变换矩阵，且
Figure SMS_391
，
Figure SMS_376
为船体惯性矩阵，
Figure SMS_382
，
Figure SMS_390
为船体质量，
Figure SMS_393
为船体转动惯量，
Figure SMS_392
为船体质心纵向坐标，
Figure SMS_394
为纵向水动力加速度导数，
Figure SMS_377
为横向水动力加速度导数，
Figure SMS_380
为艏向对横向的耦合水动力加速度导数，
Figure SMS_378
为横向对艏向的耦合水动力加速度导数，
Figure SMS_381
为艏向水动力加速度导数；
G2：将自适应的船体动力学模型转化为线性定常状态空间形式（13）：
Figure SMS_395
（13）
其中，
Figure SMS_396
为船体的运动状态向量；
Figure SMS_397
为系统矩阵，
Figure SMS_398
为输入矩阵，
Figure SMS_399
为输出矩阵，
Figure SMS_400
，
Figure SMS_401
，
Figure SMS_402
；
G3：设定最优化二次型指标式（14），并根据式（15）计算出使最优化二次型指标
Figure SMS_403
取得极小值的实时静水工况最优控制力
Figure SMS_404
：
Figure SMS_405
（14）
Figure SMS_406
（15）
其中，
Figure SMS_409
为Riccati代数方程
Figure SMS_413
的唯一正定解，
Figure SMS_416
为控制误差惩罚矩阵，
Figure SMS_410
为能量消耗惩罚矩阵，
Figure SMS_412
、
Figure SMS_415
均可由用户调节，
Figure SMS_418
为用户设定的船体位置及艏向指令，
Figure SMS_407
、
Figure SMS_411
、
Figure SMS_414
分别表示船体北向位置指令、东向位置指令、艏向位置指令，
Figure SMS_417
表征控制误差惩罚项，
Figure SMS_408
表征控制过程的能量消耗惩罚项。
进一步，S6中动力定位控制系统的实时控制合力输出
Figure SMS_419
根据式（16）计算得到：
Figure SMS_420
（16）
其中，
Figure SMS_421
为桩腿实时风载荷，
Figure SMS_422
为实时船体风载荷，
Figure SMS_423
为实时附加环境干扰载荷，
Figure SMS_424
为静水工况最优控制力。
得到动力定位控制系统的实时控制合力输出
Figure SMS_425
后，推力分配模块将其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到达预设位置。由于实时控制合力输出
Figure SMS_426
不但包含了静水工况最优控制力
Figure SMS_427
，还以前馈方式对桩腿风载荷
Figure SMS_428
、船体风载荷
Figure SMS_429
、未知环境干扰载荷
Figure SMS_430
进行环境载荷补偿，从而可以自动抵御各类干扰，消除误差，实现自升式船舶平台位置和艏向的精准控制。
综上所述，本发明提出的一种自升式船舶平台的动力定位控制方法，针对自升式船舶平台在桩腿下放时船体外形显著变化导致的受风、受流、运动特性变化，分别采取了风载荷预报前馈补偿、模型自适应更新策略，计算桩腿风载荷、船体风载荷、未知环境干扰载荷、静水工况最优控制力，从而得到定制化的、匹配自升式船舶平台插桩作业过程的动力定位控制输出，显著提升了动力定位控制系统的控制精度。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

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
Figure QLYQS_1
、相对风速
Figure QLYQS_2
、相对风向
Figure QLYQS_3
、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
Figure QLYQS_4
，其中k为船舶平台的桩腿数量；
S2:根据实时相对风速
Figure QLYQS_5
、相对风向
Figure QLYQS_6
、船体风载荷系数曲线，计算出实时船体风载荷
Figure QLYQS_7
；
S3:根据每个桩腿的实时下放长度
Figure QLYQS_8
，计算出船体自适应阻尼矩阵
Figure QLYQS_9
；
S4:根据S3计算出的船体自适应阻尼矩阵
Figure QLYQS_10
，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
Figure QLYQS_11
；
S5:在S3计算出的船体自适应阻尼矩阵
Figure QLYQS_12
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
Figure QLYQS_13
；
S6:根据S5计算出的实时静水工况最优控制力
Figure QLYQS_14
，分别对S1中实时桩腿风载荷
Figure QLYQS_15
、S2中实时船体风载荷
Figure QLYQS_16
、S4中实时附加环境干扰载荷
Figure QLYQS_17
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
Figure QLYQS_18
；
S7:推力分配模块将动力定位控制系统的实时控制合力
Figure QLYQS_19
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
Figure QLYQS_20
的计算包括以下步骤：
D1: 根据每个桩腿的实时下放长度
Figure QLYQS_21
、相对风速
Figure QLYQS_22
、相对风向
Figure QLYQS_23
、桩腿风载荷系数曲线，采用式（1）求解第
Figure QLYQS_24
个桩腿的纵向风载荷
Figure QLYQS_25
及横向风载荷
Figure QLYQS_26
：
Figure QLYQS_27
（1）
其中：
Figure QLYQS_29
、
Figure QLYQS_35
分别为第
Figure QLYQS_41
个桩腿的纵向、横向无因次风载荷系数，
Figure QLYQS_30
为相对风速，
Figure QLYQS_33
为相对风向，
Figure QLYQS_37
为空气密度，
Figure QLYQS_40
为第
Figure QLYQS_28
个桩腿向上露出桩腿围井的高度，
Figure QLYQS_32
为所有桩腿总长，
Figure QLYQS_36
为被船体和围井包裹的桩腿长度，
Figure QLYQS_39
为第
Figure QLYQS_31
个桩腿下放到水中的长度，
Figure QLYQS_34
为第
Figure QLYQS_38
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
Figure QLYQS_42
个桩腿的实时风载荷
Figure QLYQS_43
：
Figure QLYQS_44
（2）
其中：
Figure QLYQS_45
为第
Figure QLYQS_46
个桩腿的安装位置矩阵，
Figure QLYQS_47
、
Figure QLYQS_48
分别为第
Figure QLYQS_49
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
Figure QLYQS_50
：
Figure QLYQS_51
（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
Figure QLYQS_52
根据式（4）计算求解：
Figure QLYQS_53
（4）
其中：
Figure QLYQS_55
、
Figure QLYQS_59
、
Figure QLYQS_62
分别为船体的纵向、横向、艏向风载荷，
Figure QLYQS_56
、
Figure QLYQS_61
和
Figure QLYQS_64
分别为船体纵向、横向、艏向无因次风载荷系数，
Figure QLYQS_65
为相对风速，
Figure QLYQS_54
为相对风向角，
Figure QLYQS_58
为空气密度，
Figure QLYQS_60
和
Figure QLYQS_63
分别为船体的正向和侧向风投影面积，
Figure QLYQS_57
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
Figure QLYQS_66
的计算包括以下步骤：E1：根据实时的桩腿下放长度
Figure QLYQS_67
、桩腿流载荷系数曲线、船体纵向速度
Figure QLYQS_68
、船体横向速度
Figure QLYQS_69
、船体旋转角速度
Figure QLYQS_70
，利用式（5）计算第
Figure QLYQS_71
个桩腿的纵向流载荷、横向流载荷：
Figure QLYQS_72
（5）
其中，
Figure QLYQS_81
、
Figure QLYQS_75
、
Figure QLYQS_79
、
Figure QLYQS_82
分别为第
Figure QLYQS_85
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，
Figure QLYQS_84
、
Figure QLYQS_88
分别为第
Figure QLYQS_83
个桩腿的纵向、横向无因次流载荷系数，
Figure QLYQS_89
为海水密度，
Figure QLYQS_76
、
Figure QLYQS_78
、
Figure QLYQS_86
分别表示船体纵向速度、横向速度、旋转角速度，
Figure QLYQS_90
为第
Figure QLYQS_87
个桩腿下放到水中的长度，
Figure QLYQS_91
、
Figure QLYQS_73
分别为第
Figure QLYQS_80
个桩腿距离船体中心的纵向、横向距离，
Figure QLYQS_74
为第
Figure QLYQS_77
个桩腿的直径；
E2：根据桩腿安装位置，采用式（6）计算出第
Figure QLYQS_92
个桩腿的艏向流载荷：
Figure QLYQS_93
（6）
其中，
Figure QLYQS_94
为第
Figure QLYQS_95
个桩腿的艏向流载荷，
Figure QLYQS_96
、
Figure QLYQS_97
和
Figure QLYQS_98
分别为第
Figure QLYQS_99
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
Figure QLYQS_100
：
Figure QLYQS_101
（7）
其中：
Figure QLYQS_102
为桩腿未下放时的船体阻尼矩阵，
Figure QLYQS_103
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：S4中实时附加环境干扰载荷
Figure QLYQS_104
的计算包括以下步骤：
F1：基于S3中船体自适应阻尼矩阵
Figure QLYQS_105
，建立自适应的船体动力学模型式（8）：
Figure QLYQS_106
(8)
其中，
Figure QLYQS_120
为大地坐标系下船体的运动位置及艏向状态向量，N、E、
Figure QLYQS_125
分别表示船体北向位置、东向位置、艏向；
Figure QLYQS_129
为船体坐标系下船体的运动速度及角速度状态向量，
Figure QLYQS_108
为北东坐标系和船体坐标系的坐标变换矩阵，且
Figure QLYQS_110
；
Figure QLYQS_113
为当前执行机构的控制反馈合力，
Figure QLYQS_117
、
Figure QLYQS_121
、
Figure QLYQS_124
分别表示当前执行机构的纵向合力、横向合力、艏向合力矩，
Figure QLYQS_128
表示船体运动状态的模型噪声幅值，
Figure QLYQS_131
为零均值单位高斯白噪声三维向量；
Figure QLYQS_127
为船体惯性矩阵，
Figure QLYQS_130
，
Figure QLYQS_132
为船体质量，
Figure QLYQS_133
为船体转动惯量，
Figure QLYQS_112
为船体质心纵向坐标，
Figure QLYQS_116
为纵向水动力加速度导数，
Figure QLYQS_119
为横向水动力加速度导数，
Figure QLYQS_123
为艏向对横向的耦合水动力加速度导数，
Figure QLYQS_107
为横向对艏向的耦合水动力加速度导数，
Figure QLYQS_115
为艏向水动力加速度导数，
Figure QLYQS_122
为大地坐标系下实时的未知环境干扰载荷，
Figure QLYQS_126
、
Figure QLYQS_109
、
Figure QLYQS_111
分别为大地坐标系下的北向、东向、艏向的船体环境载荷；
Figure QLYQS_114
表示船体环境载荷的惯性时间常数；
Figure QLYQS_118
表示环境干扰力的模型噪声幅值，T为矩阵转置符号；
F2：建立动力定位系统测量模型式（9）：
Figure QLYQS_134
(9)
其中：
Figure QLYQS_135
表示测量噪声幅值，
Figure QLYQS_136
为带噪声的系统实际测量值；
F3：综合F1自适应的船体动力学模型及F2的动力定位系统测量模型，得到随桩腿下放长度实时更新的自适应观测器动力学模型式（10）：
Figure QLYQS_137
（10）
将式（10）转换为扩展Kalman滤波算法的标准状态空间形式，得到式（11）：
Figure QLYQS_138
（11）
其中：
Figure QLYQS_139
为九维状态变量；
Figure QLYQS_140
为三维控制输入，表示当前执行机构的控制反馈合力；
Figure QLYQS_141
为九维系统噪声；
Figure QLYQS_142
为非线性状态转移函数；
Figure QLYQS_143
为输入系数矩阵；
Figure QLYQS_144
为噪声系数矩阵；
Figure QLYQS_145
为观测矩阵；
F4：采用扩展Kalman滤波算法，计算得到九维状态变量
Figure QLYQS_146
包含船体运动位置及艏向状态
Figure QLYQS_147
、附加环境干扰载荷
Figure QLYQS_148
、船体速度及艏向角速度
Figure QLYQS_149
的实时最佳估计值。
6.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：S5中实时静水工况最优控制力
Figure QLYQS_150
的计算包括以下步骤：G1：基于S3计算出的船体自适应阻尼矩阵
Figure QLYQS_151
，建立自适应的船体动力学模型式（12）：
Figure QLYQS_152
(12)；
其中，
Figure QLYQS_163
为大地坐标系下船体的运动位置及艏向状态向量，N、E、
Figure QLYQS_155
分别表示船体北向位置、东向位置、艏向，T为矩阵转置符号，
Figure QLYQS_159
为船体坐标系下船体的运动速度及角速度状态向量，
Figure QLYQS_165
、
Figure QLYQS_168
、
Figure QLYQS_167
分别表示船体纵向速度、横向速度、旋转角速度，
Figure QLYQS_170
为北东坐标系和船体坐标系的坐标变换矩阵，且
Figure QLYQS_164
，
Figure QLYQS_169
为船体惯性矩阵，
Figure QLYQS_153
，
Figure QLYQS_160
为船体质量，
Figure QLYQS_156
为船体转动惯量，
Figure QLYQS_158
为船体质心纵向坐标，
Figure QLYQS_162
为纵向水动力加速度导数，
Figure QLYQS_166
为横向水动力加速度导数，
Figure QLYQS_154
为艏向对横向的耦合水动力加速度导数，
Figure QLYQS_157
为横向对艏向的耦合水动力加速度导数，
Figure QLYQS_161
为艏向水动力加速度导数；
G2：将自适应的船体动力学模型转化为线性定常状态空间形式（13）：
Figure QLYQS_171
（13）
其中，
Figure QLYQS_172
为船体的运动状态向量；
Figure QLYQS_173
为系统矩阵，
Figure QLYQS_174
为输入矩阵，
Figure QLYQS_175
为输出矩阵，
Figure QLYQS_176
，
Figure QLYQS_177
，
Figure QLYQS_178
；
G3：设定最优化二次型指标式（14），并根据式（15）计算出使最优化二次型指标
Figure QLYQS_179
取得极小值的实时静水工况最优控制力
Figure QLYQS_180
：
Figure QLYQS_181
（14）
Figure QLYQS_182
（15）
其中，
Figure QLYQS_184
为Riccati代数方程
Figure QLYQS_187
的唯一正定解，其中，
Figure QLYQS_188
为控制误差惩罚矩阵，
Figure QLYQS_185
为能量消耗惩罚矩阵，
Figure QLYQS_190
为用户设定的船体位置及艏向指令，
Figure QLYQS_191
、
Figure QLYQS_192
、
Figure QLYQS_183
分别表示船体北向位置指令、东向位置指令、艏向位置指令，
Figure QLYQS_186
表征控制误差惩罚项，
Figure QLYQS_189
表征控制过程的能量消耗惩罚项。
7.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：S6中动力定位控制系统的实时控制合力输出
Figure QLYQS_193
根据式（16）计算得到：
Figure QLYQS_194
（16）
其中：
Figure QLYQS_195
为桩腿实时风载荷，
Figure QLYQS_196
为实时船体风载荷，
Figure QLYQS_197
为实时附加环境干扰载荷，
Figure QLYQS_198
为静水工况最优控制力。
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