专家PID与SQP算法在动力定位船模试验中的应用

骆寒冰， 李元芳， 谢 芃， 盛世民

(天津大学 船舶与海洋工程系， 天津 300350)

0 引 言

在海洋石油工程施工作业时，采用动力定位施工船舶相对于普通锚泊船舶具有效率高的优势，尤其在深水作业中，动力定位施工船舶的应用越来越多。动力定位系统主要包括控制算法和推力分配算法。常用的控制算法主要有比例-积分-微分(Proportional Integral Differential，PID)算法[1-2]和最优控制与Kalman滤波理论相结合的线性二次型高斯(Linear-Quadratic-Gaussian，LQG)算法[3]等，其中PID算法的控制原理简单、控制效果良好，在工程控制领域应用范围较广。随着对控制算法研究的深入，智能控制开始应用于船舶动力定位控制，如神经网络控制[4]、模糊控制[5]和非线性模型预测控制[6]等算法。在推力分配算法上，LIANG等[7]提出序列二次规划(Sequential Quadratic Programming，SQP)算法，该算法可实现对推力大小和方向的有效控制。也有学者将遗传算法[8]、人工蜂群算法[9]等应用于推力分配算法中。

本文提出专家PID控制算法，结合SQP算法，基于LabView软件和NI硬件，开发动力定位模型试验控制系统，针对某海洋工程施工船舶，在天津大学港口工程试验水池进行动力定位模型试验。

1 动力定位控制系统控制理论

动力定位模型试验控制系统主要由控制算法和推力分配算法构成。其中，控制算法由滤波算法和控制器两大部分构成：通过滤波算法对船舶运动数据进行滤波处理，滤除船舶波频运动和噪声，得到船舶状态(船舶的位置和艏向角)的估计值，以去除船舶的高频运动，使控制器只针对船舶运动的低频部分进行控制，减少动力定位的能耗和机械损耗；……