[發明專利]動力定位船舶的抗干擾控制方法、裝置與電子設備

有效

• 申請號: 201910298731.1
• 申請日: 2019-04-15
• 公開（公告）號: CN109917657B
• 公開（公告）日: 2021-12-31
• 發明（設計）人: 魏新江;魏永麗;岳峻;張慧鳳;由麗宏;胡鑫;韓建
• 申請（專利權）人: 魯東大學
• 主分類號: G05B13/04
• 分類號: G05B13/04
• 代理公司: 北京路浩知識產權代理有限公司 11002
• 代理人: 王慶龍;苗曉靜

1.一種動力定位船舶的抗干擾控制方法，其特征在于，包括：

通過分析所述動力定位船舶的運動特性和動力特征，結合海洋風、浪和流的環境干擾，建立所述動力定位船舶的狀態空間數學模型；

基于所述狀態空間數學模型，設計干擾觀測器，并利用所述干擾觀測器，獲取所述動力定位船舶的外部環境干擾預估量；

基于所述外部環境干擾預估量，設計抗干擾控制器，并基于所述抗干擾控制器、所述狀態空間數學模型和所述外部環境干擾預估量，獲取所述動力定位船舶的抗干擾控制閉環系統；

基于所述抗干擾控制閉環系統，對所述動力定位船舶進行基于干擾補償的抗干擾控制；

其中，所述建立所述動力定位船舶的狀態空間數學模型的步驟具體包括：

通過分析所述動力定位船舶的運動特性，建立所述動力定位船舶的運動學模型，并通過分析所述動力定位船舶的動力特性，建立所述動力定位船舶的動力學模型；

利用一階馬爾科夫過程，模擬所述海洋風、浪和流的環境干擾的作用力，獲取外部環境干擾模型；

基于所述運動學模型、所述動力學模型和所述外部環境干擾模型，獲取所述狀態空間數學模型；

其中，所述建立所述動力定位船舶的運動學模型的步驟具體包括：基于所述動力定位船舶在大地坐標系下的位置信息和艏向角度信息，以及所述動力定位船舶在船舶附體坐標系下的縱蕩速度、橫蕩速度和艏搖角速度，建立所述運動學模型如下：

式中，η＝[x,y,ψ]^T表示所述動力定位船舶在大地坐標系下的位置信息(x,y)和艏向角度信息ψ構成的向量，x、y分別表示所述動力定位船舶在大地坐標系下的橫坐標和縱坐標，υ＝[u,v,r]表示所述動力定位船舶在船舶附體坐標系下的縱蕩速度u、橫蕩速度v和艏搖角速度r構成的向量，R(ψ)表示所述大地坐標系向所述船舶附體坐標系變換的旋轉矩陣；

所述建立所述動力定位船舶的動力學模型的步驟具體包括：若所述動力定位船舶沿所述大地坐標系的x軸，以小于預設閾值的速度勻速航行，則建立所述動力學模型如下：

式中，X_k表示所述動力定位船舶在船舶附體坐標系下的參量k旋轉變換至大地坐標系時沿X軸方向的水動力，k取為u或Y_l,N_l分別表示所述動力定位船舶在船舶附體坐標系下的參量l旋轉變換至大地坐標系時沿Y軸和Z軸方向的水動力，其中l為v、r、或m表示所述動力定位船舶的質量，I_Z表示繞Z軸的慣性矩，ω₁、ω₂、ω₃表示所述海洋風、浪和流的環境干擾作用于所述動力定位船舶船體上的等效時變作用力和力矩，τ₁、τ₂、τ₃分別表示所述動力定位船舶的推進裝置沿著縱蕩方向、橫蕩方向和艏搖方向分別產生的縱蕩力、橫蕩力和艏搖力矩，x_G表示所述動力定位船舶的重心，分別表示所述動力定位船舶在縱蕩方向、橫蕩方向和艏搖方向上的加速度；

將所述動力學模型表示為矩陣形式如下：

其中，

式中，M為包含附加質量的慣性矩陣，D為線性阻尼矩陣；

其中，所述獲取外部環境干擾模型的步驟具體包括：基于所述等效時變作用力和力矩ω₁、ω₂和ω₃構成的干擾向量ω(t)＝[ω₁,ω₂,ω₃]^T，構建如下外部環境干擾模型：

式中，T∈R^3×3為時間常數正定對角矩陣，Ψ∈R^3×3為高斯白噪聲幅值正定對角矩陣，n∈R³為有界的零均值高斯白噪聲向量；

其中所述獲取所述狀態空間數學模型的步驟具體包括：

基于所述運動學模型、所述動力學模型和所述外部環境干擾模型，獲取所述狀態空間數學模型如下：

式中：

X(t)＝[η^T υ^T],C＝[I_3×3 0_3×3]，τ(t)＝[τ₁,τ₂,τ₃]^T表示所述推進裝置沿著縱蕩方向、橫蕩方向和艏搖方向分別產生的縱蕩力τ₁、橫蕩力τ₂和艏搖力矩τ₃構成的補償向量，X(t)表示所述狀態空間數學模型的系統狀態，A、B、E、C分別表示所述狀態空間數學模型的系統矩陣、輸入矩陣、干擾系數矩陣和輸出矩陣；

其中，所述設計干擾觀測器的步驟具體包括：

基于所述狀態空間數學模型，構建所述干擾觀測器如下：

式中，q(t)表示所述干擾觀測器的輔助狀態向量，L表示所述干擾觀測器的增益矩陣，表示所述外部環境干擾預估量，為對所述干擾向量ω(t)的預估值；

其中，所述設計抗干擾控制器的步驟具體包括：

基于所述外部環境干擾預估量構建所述抗干擾控制器如下：

式中，K表示所述抗干擾控制器的增益矩陣；

所述獲取所述動力定位船舶的抗干擾控制閉環系統的步驟具體包括：

定義所述干擾觀測器的觀測誤差為：則可得導數公式：

用dW(t)/dt替換n(t)，獲取所述導數公式的一般等價方程：

de_ω(t)＝(-T^-1-LE)e_ω(t)d(t)+ΨdW(t)；

其中dW(t)為獨立的維納過程；

將所述狀態空間數學模型、所述抗干擾控制器和所述一般等價方程聯合，獲取所述抗干擾控制閉環系統如下：