动力定位船舶协调编队控制

本书是一部以动力定位船舶为研究对象，研究其相互之间存在通信约束以及受到海洋环境扰动的协调编队控制方法的著作，是作者近年来对动力定位船舶协调控制及其相关领域研究成果的积累和总结，同时吸收了国内外相关参考文献的精华部分。本书通过清晰的章节结构，由浅入深地介绍动力定位船舶的协调编队控制方法，并给出了相应编队控制方法的仿真验证结果，图文并茂地向读者展现了动力定位船舶的协调编队控制技术的精髓。

　　焦建芳：博士，硕士生导师。2014年6月毕业于哈尔滨工程大学自动化学院控制理论与控制工程专业，获得工学博士学位。

　　主要学术成果：近年来一直从事协调编队控制这一热点问题的理论研究及其在海事领域的实际应用，在国内外自动控制权威学术期刊及国际会议上发表论文20篇，其中在SCI收录权威期刊IEEE Transactions on Industrial Electronics， Journal of
the Franklin Institute，ISA transactions， Neurocomputing 等发表论文10余篇，在国内权威期刊《自动化学报》上发表1篇。授权发明专利、实用新型、外观设计等专利6项。主持国家自然科学基金青年基金1项。

目 录
第1章 绪论 1
1.1 动力定位船舶简介 1
1.2 动力定位原理介绍 2
1.3 船舶协调编队的背景和意义 8
1.4 协调编队控制研究现状 10
1.4.1 协调控制概述 10
1.4.2 协调编队的国内外研究现状 11
1.4.3 多船协调编队的国内外研究现状 17
第2章 动力定位船舶数学建模与预备知识 21
2.1 引言 21
2.2 参考坐标系 22
2.3 船舶运动数学模型 26
2.3.1 船舶运动学模型 26
2.3.2 船舶动力学模型 37
2.3.3 仿真研究中的船舶模型 45
2.4 海洋环境模型 48
2.4.1 风要素与载荷模型 48
2.4.2 流要素与载荷模型 52
2.4.3 波浪要素与载荷模型 54
2.5 相关引理和数学基础知识 69
2.5.1 李雅普诺夫稳定性 69
2.5.2 图论 71
第3章 基于虚拟领航者的多DP船无源协调编队控制 73
3.1 引言 73
3.2 基于无源性的协调控制 75
3.2.1 基本定义 75
3.2.2 无源协调控制算法 77
3.2.3 无源协调控制稳定性分析 81
3.3 基于虚拟领航者的多DP船无源协调编队算法 84
3.3.1 协调控制器设计的总体思路 84
3.3.2 导引系统的设计 87
3.3.3 多DP船的协调编队控制器设计 90
3.3.4 稳定性分析 93
3.4 仿真试验 97
第4章 有向通信拓扑下的多DP船无源协调编队控制 106
4.1 引言 106
4.2 有向通信拓扑下的多DP船无源协调编队算法 108
4.2.1 有向图的基本知识 108
4.2.2 欧拉-拉格朗日系统的无源性 110
4.2.3 有向通信下的多DP船无源协调编队控制 113
4.3 有向通信拓扑下的多DP船混杂协调编队算法 122
4.3.1 DP船的多任务模式 122
4.3.2 混杂控制的基本概念 123
4.3.3 多任务模式的DP船混杂协调编队控制 124
4.4 仿真试验 128

第5章 基于虚拟领航者的多DP船鲁棒协调编队控制 135
5.1 引言 135
5.2 基于虚拟领航者的多DP船协调编队控制 136
5.2.1 虚拟领航者的协调策略 136
5.2.2 反步法 139
5.2.3 多DP船的协调编队控制算法 140
5.3 基于虚拟领航者的多DP船鲁棒协调编队算法 146
5.3.1 自适应控制 146
5.3.2 多DP船鲁棒协调编队控制算法 146
5.4 仿真试验 154
第6章 基于交叉耦合同步的多DP船鲁棒协调编队控制 160
6.1 引言 160
6.2 基于交叉耦合同步的多DP船协调编队控制 162
6.2.1 交叉耦合同步方法 162
6.2.2 多DP船的协调编队控制 163
6.2.3 稳定性分析 165
6.3 基于交叉耦合同步的多DP船鲁棒协调编队算法 168
6.3.1 反步滑模控制方法 168
6.3.2 多DP船的鲁棒协调编队控制 172
6.3.3 稳定性分析 178
6.4 仿真试验 184
参考文献 191

前    言

随着对海洋资源的不断开发和利用，现已逐渐从浅海域向深海域跃进，伴随而来的是对海上作业的效率和对海洋资源开发的自动化程度提出了更高的要求。尽管船舶动力定位技术发展迅速，然而单艘船舶的作业能力毕竟有限，并且由于能源的限制，单艘船舶可作业的时间比较短。在实际应用中往往需要多艘船舶相互协调，共同完成复杂的海事任务。另外，相对于单艘船舶，多艘船舶相互协调作业有着许多潜在的优势：可以提高作业的效率，具有容错性强和适应性强等优点。因此，对多艘动力定位船舶的协调编队控制的研究具有重要的实际应用价值。

本书是一部以动力定位船舶为研究对象，研究其协调编队控制方法的著作，是作者近年来对动力定位船舶协调控制及其相关领域的研究成果的积累和总结，同时吸收了国内外相关参考文献的精华部分。本书通过清晰的章节结构，由浅入深地介绍动力定位船舶的协调编队控制方法，并给出了相应编队控制方法的仿真验证结果，图文并茂地向读者展现了动力定位船舶的协调编队控制技术的精髓。

本书共分6章。第1章为绪论，介绍了动力定位船舶的相关定义和原理，并介绍了船舶协调编队控制的背景意义及其研究现状；第2章介绍了动力定位船舶的数学模型、海洋环境模型以及常用的引理和数学基础知识；第3章介绍了基于虚拟领航者的动力定位船舶协调编队控制方法，该方法是基于无源性进行设计的；第4章介绍了以动力定位船舶相互之间的通信为有向拓扑图的协调编队控制方法，并在此基础上针对多种海上作业模式设计了混杂协调编队控制方法；第5章介绍了动力定位船舶受到未知定常海洋环境扰动下的鲁棒协调编队控制方法，该方法是基于自适应反步法设计的；第6章介绍了动力定位船舶受到未知时变海洋环境扰动下的鲁棒协调编队控制方法，该方法是基于交叉耦合同步控制进行设计的。

本书的主要内容由渤海大学焦建芳完成，渤海大学王光、东北石油大学孙行衍以及中船电子科技有限公司顾禹等作者参与了本书部分章节的编写。作者在研究过程中得到了哈尔滨工程大学付明玉教授的认真指导，并对本书提出了很多宝贵意见，在此表示衷心的感谢。

本书可作为协调编队控制领域和船舶控制工程领域的科学工作者和工程技术人员的参考书，也可供自动控制类及船舶工程类的高校师生选用，同时也适合对船舶协调编队控制技术感兴趣的其他专业人员阅读参考。

本书的研究工作得到了国家自然科学基金（编号为61503040）的资助。

由于作者水平有限，书中难免存在一些不足和错误之处，真诚欢迎广大读者批评指正。

 

著  者     

2017年6月