现代舰船动力定位PDF电子书下载

第1章 概述 1

1.1 动力定位的定义 1

1.2 动力定位的发展史 2

1.2.1 动力定位产生的背景 2

1.2.2 动力定位技术研究现状 4

1.2.3 动力定位控制系统研究现状 8

1.3 技术图谱 9

第2章 现代舰船动力定位系统 10

2.1 动力定位系统工作原理 10

2.2 动力定位系统的基本组成 12

2.2.1 控制系统 12

2.2.2 测量系统 13

2.2.3 推进系统 14

2.2.4 电力系统 16

2.3 动力定位系统的基本功能模式 17

2.3.1 准备模式 17

2.3.2 手动模式 17

2.3.3 自动定位模式 18

2.3.4 自动区域定位模式 18

2.3.5 自动航迹模式 18

2.3.6 自动驾驶仪模式 20

2.3.7 目标跟踪模式 21

2.4 面向作业的现代动力定位系统特种功能 21

2.4.1 起重作业功能 21

2.4.2 铺管作业功能 22

2.4.3 铺缆作业功能 23

2.4.4 海上装载作业的风标操作功能 23

2.4.5 挖沟作业功能 25

2.4.6 挖泥作业功能 25

2.4.7 系泊动力定位作业功能 25

2.5 国际海事组织设计规范中对动力定位系统的功能要求 26

2.5.1 一般规定 27

2.5.2 控制系统 29

2.5.3 测量系统 30

2.5.4 推进系统 31

2.5.5 电力系统 31

2.6 中国船级社设计规范中对动力定位系统的功能要求 32

2.6.1 一般规定 32

2.6.2 系统布置 35

2.6.3 控制系统 38

2.6.4 测量系统 42

2.6.5 推进系统 43

2.6.6 电力系统 44

第3章 动力定位系统总体设计技术 46

3.1 动力定位系统的方案设计步骤 46

3.2 推进器布置 48

3.2.1 简单的推进器布置 48

3.2.2 推进器布置规则 50

3.3 推进器需求负载估算 50

3.3.1 推进器电机功率估计 51

3.3.2 DP工况下的负载计算过程 51

3.3.3 DP工况下的负载估算结果 52

3.4 推进器干涉禁区计算 52

3.4.1 桨—桨干扰概述 52

3.4.2 螺旋桨尾流 53

3.4.3 桨—桨干扰的影响估算 53

3.5 故障模式分析 56

3.6 动力定位能力计算 57

3.6.1 关于动力定位系统能力计算的相关指南 58

3.6.2 海洋环境力计算 59

3.6.3 动力定位能力图 60

3.6.4 基于遗传算法的定位能力计算方法 62

3.7 位置参考系统和传感器的配置设计 66

3.7.1 位置参考系统和传感器相关规范要求 66

3.7.2 位置参考系统配置设计 67

3.7.3 传感器系统配置设计 69

3.8 故障模式与影响分析（FMEA） 69

第4章 动力定位船电力推进 71

4.1 电力推进发展及应用 71

4.1.1 电力推进的发展 71

4.1.2 电力推进功率流和功率效率 72

4.1.3 电力推进的历史 74

4.1.4 应用 76

4.2 电力系统 78

4.2.1 原动机和发电机 79

4.2.2 配电 80

4.2.3 推进系统的驱动电机 81

4.2.4 推进器 84

4.2.5 新设计趋势 85

4.3 功率和推进控制 86

4.3.1 分层控制简介 86

4.3.2 顶层控制 87

4.3.3 底层控制 88

4.4 电力推进变频调速 90

4.4.1 全桥晶闸管整流装置 91

4.4.2 电流型逆变器 92

4.4.3 周波变换器 92

4.4.4 电压型逆变器 93

4.4.5 其他变频控制方法 94

4.5 典型配置 95

4.6 动力定位电站功率系统设计 98

4.6.1 推进负载限制控制 98

4.6.2 推进器功率监控软件设计 99

4.6.3 推进器负载限制及功率监控仿真测试 100

第5章 半实物仿真技术 107

5.1 半实物仿真技术概述 107

5.2 坐标系 108

5.2.1 地球中心惯性坐标系 109

5.2.2 地球中心固定坐标系 109

5.2.3 WGS-84大地坐标系 109

5.2.4 通用横向墨卡托投影坐标系统 110

5.2.5 北东坐标系 112

5.2.6 船体坐标系 113

5.2.7 船体平行坐标系 113

5.3 运动变量定义 114

5.3.1 变量的选取和定义 114

5.3.2 状态变量在北东坐标系的描述 115

5.3.3 变量在船体坐标系的描述 115

5.4 船舶运动数学模型 116

5.4.1 运动学模型 117

5.4.2 动力学模型 118

5.4.3 动力学模型的矢量表达 119

5.5 船舶动力定位应用数学模型 121

5.5.1 船舶六自由度运动非线性数学模型 121

5.5.2 船舶水平面三自由度运动非线性数学模型 123

5.5.3 船舶动力定位线性数学模型 125

5.6 海洋环境数学模型 128

5.6.1 风模型 128

5.6.2 海流模型 132

5.6.3 波浪模型 134

5.7 半实物仿真技术 144

5.7.1 实时仿真系统的配置 144

5.7.2 半实物仿真过程中的DP案例 145

5.8 常微分方程数值解法 147

第6章 动力定位船测量信息处理技术 151

6.1 数据质量检测 151

6.1.1 开窗术 151

6.1.2 数据范围测试 152

6.1.3 方差检验 152

6.1.4 野值检验 153

6.2 冗余测量信号的处理 153

6.2.1 表决 153

6.2.2 加权 154

6.2.3 传感器的使能和不使能 154

6.3 时间对准和空间对准 155

6.3.1 时间对准 155

6.3.2 空间对准 157

6.4 动力定位系统多传感器信息融合算法 160

6.4.1 概述 160

6.4.2 同步多传感器信息最优分布式估计融合算法 163

6.4.3 基于小波分析的异步多传感器信息融合算法 165

6.5 状态估计 172

6.5.1 固定增益观测器 173

6.5.2 最小二乘估计器 174

6.5.3 卡尔曼滤波器 175

6.5.4 扩展卡尔曼（EKF）滤波器 178

6.6 鲁棒强跟踪扩展卡尔曼滤波器 179

6.6.1 问题描述 179

6.6.2 基于强跟踪EKF滤波器设计 182

6.6.3 鲁棒强跟踪EKF滤波器设计 183

6.6.4 仿真案例 185

6.7 自适应滑模无源观测器 187

6.7.1 问题描述 187

6.7.2 自适应滑模无源观测器设计 187

6.7.3 仿真案例 189

第7章 现代动力定位船的先进控制技术 191

7.1 船舶艏向自适应反步控制 191

7.1.1 李雅普诺夫（Lyapunov）稳定性定理 191

7.1.2 反步控制方法 192

7.1.3 艏向自适应反步控制方法 195

7.2 环境最优艏向控制 198

7.2.1 船舶运动数学模型 198

7.2.2 基于反步法的环境最优艏向控制 201

7.2.3 仿真案例 204

7.3 动力定位船任务驱动跟踪控制 205

7.3.1 任务驱动跟踪控制的分层结构 205

7.3.2 任务驱动Petri网模型 206

7.3.3 低速循迹控制及仿真案例 210

7.3.4 特种跟踪（铺缆作业）控制及仿真案例 214

7.3.5 高速循迹控制及仿真案例 216

7.3.6 目标跟踪控制 224

7.4 铺管作业下的动力定位控制 226

7.4.1 铺管作业过程简介 226

7.4.2 动力定位系统与铺管流程的协同 233

7.4.3 管道作用力模型 235

7.4.4 导引系统的设计 239

7.4.5 路径跟踪反步滑模控制器设计 240

7.4.6 系统稳定性分析 242

7.4.7 仿真案例 243

7.5 起重船动力定位控制方法研究 246

7.5.1 起重作业过程分析及建模 247

7.5.2 动态面自抗扰控制方法 252

7.5.3 起重船位置保持动态面自抗扰控制器设计 260

7.5.4 仿真案例 262

7.6 系泊状态下的动力定位控制 265

7.6.1 内转塔式FPSO系泊动力定位系统 265

7.6.2 FPSO系泊缆模型 265

7.6.3 FPSO系泊定位方法 269

7.6.4 FPSO系泊定位仿真案例 270

7.6.5 基于结构可靠性的状态反馈反步控制器设计 274

7.6.6 仿真案例 278

第8章 动力定位船的冗余设计和容错控制 281

8.1 概述 281

8.2 容错与冗余技术概念 284

8.2.1 容错与冗余 284

8.2.2 被动容错控制 285

8.2.3 主动容错控制 285

8.3 动力定位控制系统冗余设计 286

8.3.1 双模冗余系统 286

8.3.2 三模冗余系统 287

8.3.3 控制系统冗余配置方案 289

8.4 基于鲁棒滑模虚拟传感器的容错控制方法 290

8.4.1 重构问题描述 291

8.4.2 虚拟传感器重构设计 295

8.4.3 鲁棒滑模虚拟传感器设计 297

8.4.4 基于鲁棒滑模虚拟传感器的容错控制设计 300

8.4.5 仿真案例 301

8.5 基于鲁棒自适应滑模虚拟执行器的容错控制方法 303

8.5.1 虚拟执行器重构设计 304

8.5.2 鲁棒自适应滑模虚拟执行器设计 306

8.5.3 基于鲁棒自适应滑模虚拟执行器的容错控制设计 309

8.5.4 仿真案例 312

第9章 推力分配 316

9.1 概述 316

9.2 推进器系统数学模型 320

9.2.1 螺旋桨轴动力学模型 320

9.2.2 电机动力学模型 321

9.3 螺旋桨水动力特性 321

9.3.1 螺旋桨敞水特性 322

9.3.2 螺旋桨的四象限敞水特性 324

9.3.3 螺旋桨有效推力与效率 325

9.4 推力分配影响因素分析 326

9.4.1 海洋环境对推力分配的影响 326

9.4.2 操作工况对推力分配的影响 327

9.4.3 推进器约束对推力分配的影响 328

9.5 推力分配问题数学描述 330

9.6 二次规划推力分配 331

9.6.1 功率惩罚函数 331

9.6.2 推进器约束 332

9.6.3 二次规划推力分配算法 336

9.7 分组偏置推力分配 338

9.7.1 推进器偏置的定义 339

9.7.2 分组偏置推力分配算法 339

9.7.3 自适应偏置量设计 340

9.8 仿真案例 341

9.8.1 二次规划推力分配仿真 342

9.8.2 分组偏置推力分配仿真 343

第10章 故障诊断和报警 345

10.1 故障诊断基本概念 345

10.1.1 基于解析模型的故障诊断 345

10.1.2 基于信号处理的故障诊断 346

10.1.3 基于知识的故障诊断 346

10.2 传感器故障检测方法研究 346

10.2.1 基于滤波残差的传感器突变型故障检测 347

10.2.2 基于信息融合的传感器渐变型故障检测 349

10.3 基于支持向量机的船舶动力定位传感器故障诊断方法 350

10.3.1 支持向量机分类原理 351

10.3.2 基于支持向量机的船舶动力定位传感器故障诊断 354

10.3.3 仿真案例 357

10.4 基于有向图和支持向量机的船舶动力定位推进器故障诊断方法 359

10.4.1 基于系统结构的故障诊断问题描述 359

10.4.2 基于有向图和支持向量机的故障诊断设计 363

10.4.3 基于有向图和支持向量机的船舶动力定位推进器故障诊断 365

10.4.4 仿真案例 369

10.5 故障报警的实现 372

10.5.1 故障报警系统的设计 372

10.5.2 故障报警实现流程 374

第11章 动力定位在现代舰船中的应用 378

11.1 概述 378

11.2 潜水支持作业 378

11.3 勘察和ROV支持 379

11.4 海床开沟机作业 380

11.5 铺管作业 381

11.6 倾倒岩石作业 381

11.7 采砂挖泥作业 382

11.8 铺缆与维修作业 383

11.9 起重船作业 383

11.10 移动式海底钻井平台作业 383

11.11 油轮作业 384

11.12 浮式生产储存装载作业 385

11.13 游轮 386

11.14 专用半潜式重货船 386

11.15 军事作业及军舰 386