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IP屬地：廣東 上傳時間：2023-10-16 格式：DOCX 頁數(shù)：4 大?。?9.71KB 積分：25 舉報 版權(quán)申訴

鋪管循跡問題的反步滑?？刂?/p>

0非線性系統(tǒng)輸出跟蹤控制研究隨著工業(yè)的快速發(fā)展，人們對資源的要求越來越高，陸地資源難以滿足發(fā)展的需要。人們將目光投向?qū)Ｑ筚Y源的開發(fā)。資源運輸是資源開采利用過程中不可或缺的必要環(huán)節(jié),如何高效合理地開發(fā)運輸海洋資源一直是海洋工程研究的熱點和難點。海底管道運輸是實現(xiàn)海洋油、氣資源轉(zhuǎn)移的有效手段。鋪管作業(yè)也是海洋工程中愈發(fā)重要的特種作業(yè)。實質(zhì)上,鋪管循跡過程控制是一種輸出跟蹤控制。近年來,人們對輸出跟蹤控制的研究應(yīng)用領(lǐng)域愈發(fā)多樣,相關(guān)控制策略愈發(fā)新穎,控制方法愈發(fā)復(fù)雜。文獻采用前饋加線性反饋的控制結(jié)構(gòu),實現(xiàn)高超聲速飛行器的最大能量爬升。針對系統(tǒng)加速度控制,文獻提出了一種基于ADRC方法,實現(xiàn)了車輛的高性能加速度控制。文獻采用帶有誤差積分補償?shù)妮敵龇答亜討B(tài)控制方案,實現(xiàn)了對直流電機的位置參考魯棒循跡控制。同時,人們近年來對非線性系統(tǒng)輸出跟蹤控制的研究側(cè)重于系統(tǒng)的不確定性和不匹配性。不斷有新的控制算法和控制策略提出,包括極值搜索算法、模型預(yù)測控制、終端滑模循跡控制等。對船舶鋪管作業(yè)的研究,也在不斷發(fā)展深入,尤其是管道建模部分,一直是研究的熱點和難點。文獻運用懸鏈線法對管道建模,并采用傳統(tǒng)PID控制對定位模式下的鋪管船進行控制。在文獻中作者將機械臂建模理論應(yīng)用于鋪管船及管道系統(tǒng)建模,但是模型受限于豎直平面三自由度,并不能給出鋪管循跡作業(yè)時系統(tǒng)的動態(tài)特性。文獻采用有限元法對管道進行建模,得到較精確的管道模型。在海洋中作業(yè)的鋪管船,需要根據(jù)給定的管道期望路徑得到鋪管船的期望路徑;同時作業(yè)船一定會受到海風(fēng)、海浪和海流的環(huán)境干擾,系統(tǒng)具有不確定性。故鋪管循跡問題是特殊的具有不確定性的非線性系統(tǒng)輸出跟蹤問題。對此提出反步滑模輸出跟蹤控制,以增強系統(tǒng)的魯棒性。1模型分析1.1管道的位置和鋪管船期望路徑在鋪管循跡過程中,為將管道鋪設(shè)于期望路徑,要求鋪管船按照一定的路徑行駛,稱之為鋪管船期望路徑。如此一來,管道的循跡問題就轉(zhuǎn)化成了鋪管船的循跡問題,故首先需要由管道的期望路徑得出鋪管作業(yè)船的期望路徑。定義1:管道與海底的接觸點為管道著地點,著地點與船艉部之間在水平面上的長度定義為管道懸跨段距離,記為Ltd。假設(shè)1:張緊器為恒張力控制狀態(tài),可以根據(jù)船舶運動狀態(tài)被動調(diào)節(jié)放管速度,使得管道水下懸跨段形狀基本不變,即管道與海底接觸點與船艉之間的距離Ltd恒定。鋪管作業(yè)十分緩慢,故可以忽略作業(yè)過程中的動態(tài)影響,僅從運動學(xué)的角度出發(fā)考慮問題。在進行直線和曲線循跡時,管道和鋪管船期望路徑之間的關(guān)系如圖1所示:圖中紅色虛線軌跡為作業(yè)船期望路徑,黑色實線軌跡為管道期望路徑。設(shè)ptd(λ)∈2表示管道期望路徑上一點,記為ptd,其中λ是標量。對于直線航跡段,船的位置ptm可以用如下公式計算:其中,是期望的懸跨段距離;αi是直線海底路徑的方向。對于可變曲率海底線段,船的位置用如下公式計算:ptd與路徑相關(guān),χtd是λ處曲線海底路徑的切線角,如圖1所示。1.2基于彈簧和懸鏈線模型的系統(tǒng)模型為討論鋪管循跡問題,建立水平面三自由度的鋪管船非線性模型。北東坐標系及隨船坐標系定義如圖2所示:設(shè)船舶在onxnyn中的位置和姿態(tài)(船舶艏向)表示為,隨船坐標系中的速度和角速度(艏向回轉(zhuǎn)率)表示為。北東坐標系與隨船坐標系間轉(zhuǎn)換矩陣表示為參考文獻,可以得到船舶的運動學(xué)方程和動力學(xué)方程。在此基礎(chǔ)上,采用彈簧和懸鏈線理論求解管道對船作用力,建立J型鋪管船受到管道力作用的模型。綜上得到鋪管船系統(tǒng)模型如下其中M,C(υ),分別表示船體慣性矩陣、船體運動的科里奧利向心力矩陣和線性阻尼矩陣,滿足M=MT>0;τ,P,分別表示推進器提供的推力,即控制輸入量,管道對鋪管船的作用力,以及由風(fēng)、浪、流帶來的海洋環(huán)境干擾力。取,,將模型寫成二階非線性MIMO系統(tǒng)的形式其中假設(shè)2:鋪管作業(yè)選擇在等級較低的海況進行,則海洋環(huán)境干擾模型存在上界,i=1,2,3。由此可見,由于海洋環(huán)境力及管道作用力的存在,海上作業(yè)鋪管船是一個具有不確定性的非線性系統(tǒng)。2期望狀態(tài)指令針對系統(tǒng)(7)中存在的不確定性,設(shè)計反步滑?？刂破?在實現(xiàn)系統(tǒng)循跡控制的同時,保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性。設(shè)系統(tǒng)的期望狀態(tài)指令,定義跟蹤誤差z1=x1-xd,則故其中k=diag[k11,k22,k33],c=diag[c11,c22,c33],且k,c正定。顯然,若滿足δ=0,則有z1=0,z2=0且定義Lyapunov函數(shù)由此,設(shè)計控制律為其中h=diag[h11,h22,h33],且h正定。3解析各起矩陣及營造算法將上節(jié)中設(shè)計的控制律(12)代入式(11),得到表達式因為存在關(guān)系z2TIz1=z1TIz2,則有由式(13)可知L2·≤-zTQz,故當Q為正定矩陣時,才有L2≤0成立。根據(jù)分塊矩陣行列式求解公式,得到其中kT=k。故當滿足cii+kii-0.25h-1>0,i=1,2,3時,Q為正定矩陣,L2≤0成立。根據(jù)李亞普諾夫穩(wěn)定性定義可知,L2沿任意軌跡是連續(xù)減小的,故t→∞時,L2→0,得到s→0,即,e→0,能夠?qū)崿F(xiàn)鋪管循跡控制。4鋪管船循跡仿真針對鋪管船的運動狀態(tài),設(shè)定仿真過程,以時間節(jié)點ti,i=0~4表示:在t0~t1時間段船舶處于直線勻加速狀態(tài),并且在t1時刻達到速度期望值;在t1~t2時間段船舶處于直線勻速行駛狀態(tài);在t2~t3時間段船舶以勻回轉(zhuǎn)速率轉(zhuǎn)艏;在t3~t4時間段船舶處于直線勻減速狀態(tài);在t4時刻船舶速度將為0。其期望加速度和期望速度表示如下選取仿真參數(shù)后計算得到期望速度和時間參數(shù)選取仿真參數(shù)設(shè)置為期望著地距離,管道起始位置(0m,0m),鋪管船起始位置(193.2m,100m),管道在水中比重ω=13662×103(N/m)。仿真環(huán)境為水深d=700m。要求作業(yè)環(huán)境海風(fēng)等級不高于5級海風(fēng),此處取5級風(fēng)最大風(fēng)速10.7m/s,風(fēng)向0°,流速1kn,流向5°。仿真結(jié)果如下所示:鋪管船及管道期望路徑與實際路徑如圖3所示,由局部放大圖可以看出,設(shè)計的控制器效果較好,在環(huán)境干擾存在的情況下,能夠完成路徑跟蹤,根據(jù)圖4所示,船舶在直線段循跡時,幾乎沒有誤差,在t2~t3內(nèi)產(chǎn)生較小的誤差,此誤差為船舶橫蕩和轉(zhuǎn)艏的耦合造成的,可由控制器減小。循跡時船舶三個自由度的誤差如圖5所示,變化范圍較小。設(shè)計反步滑?？刂破鬏敵鋈鐖D6所示。5dp船循跡仿真例及啟示本文針對存在不確定性的鋪管船非線性系統(tǒng)輸出跟蹤問題,分析了其與一般輸出跟蹤問題的不同。設(shè)計了一種反步滑?？刂破?并通過定義Lyapunov函數(shù)對系統(tǒng)的穩(wěn)定性進行了分析,給出了系統(tǒng)穩(wěn)定的充分條件。最后通過DP船循跡的仿真示例,驗證了所提出的控制方法在海洋環(huán)境干擾下,能夠完