[發(fā)明專利]一種基于干擾觀測器的船舶動(dòng)力定位系統(tǒng)的抗干擾飽和控制方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 202010392023.7
• 申請日: 2020-05-11
• 公開（公告）號(hào): CN111552182B
• 公開（公告）日: 2022-09-23
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 魏新江;張慧鳳;由麗宏;韓建;胡鑫;劉秀華;朱良寬;韓俊杰
• 申請（專利權(quán)）人: 魯東大學(xué)
• 主分類號(hào): G05B13/04
• 分類號(hào): G05B13/04;G05D1/02
• 代理公司: 哈爾濱市偉晨專利代理事務(wù)所(普通合伙) 23209
• 代理人: 榮玲

一種基于干擾觀測器的船舶動(dòng)力定位系統(tǒng)的抗干擾飽和控制方法，首先考慮了海洋環(huán)境中風(fēng)、流、二階波漂移和未建模動(dòng)態(tài)等慢變環(huán)境干擾，根據(jù)動(dòng)力定位船舶的運(yùn)動(dòng)學(xué)模型和動(dòng)力學(xué)模型，建立動(dòng)力定位船舶的狀態(tài)空間模型；其次設(shè)計(jì)狀態(tài)觀測器估計(jì)動(dòng)力定位船舶的速度和位置，設(shè)計(jì)干擾觀測器估計(jì)并抵消慢變環(huán)境干擾，構(gòu)造魯棒濾波器來濾除海洋環(huán)境中的一階波誘導(dǎo)干擾；最后基于狀態(tài)觀測器和干擾觀測器改進(jìn)的復(fù)合飽和控制器，有效抑制動(dòng)力定位船舶在海洋行駛中的環(huán)境干擾，解決船舶控制器所提供的控制力和力矩受到飽和約束的問題，降低控制器保守性，提高船舶動(dòng)力定位系統(tǒng)的控制精度。本發(fā)明實(shí)施例在保證控制精度和穩(wěn)定性的同時(shí)有效地降低模型復(fù)雜度。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及動(dòng)力定位船舶的技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種基于干擾觀測器的船舶動(dòng)力定位系統(tǒng)的抗干擾飽和控制方法。

背景技術(shù)

船舶動(dòng)力定位系統(tǒng)(Dynamic Positioning System,DPS)是利用所裝備的各類傳感器測出船舶的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)與位置變化，控制推力器系統(tǒng)提供抵抗風(fēng)、浪、流等作用在船上的環(huán)境力，從而使船盡可能地保持在海平面上期望的船位與艏向。隨著陸地上石油、天然氣等資源的日益枯竭及人們對能源的巨大需求，人類對海洋的開發(fā)探索日漸深入。平臺(tái)供應(yīng)船、鉆探船、鉆井平臺(tái)等海洋結(jié)構(gòu)物在深水區(qū)作業(yè)的定位精度愈來愈高。因此，動(dòng)力定位技術(shù)得到了國內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注，成為進(jìn)行海洋開發(fā)探索的關(guān)鍵技術(shù)之一。

安裝有動(dòng)力定位系統(tǒng)的海洋結(jié)構(gòu)物采用衛(wèi)星、GPS等定位手段獲得當(dāng)前的位置，控制器根據(jù)其與設(shè)定位置的偏差計(jì)算出所需要的力和力矩，再由推進(jìn)器系統(tǒng)產(chǎn)生所需要的力和力矩，最終達(dá)到定位作業(yè)的要求。由于作業(yè)中的船舶操縱條件及所處的海洋環(huán)境等時(shí)常發(fā)生變化，船舶動(dòng)態(tài)及所遭受到的環(huán)境擾動(dòng)存在明顯的不確定性。船舶控制器由于物理限制，導(dǎo)致其為船舶提供的控制力和力矩會(huì)受到飽和的約束。通常情況下，船舶的速度可以通過位置的微分得到，但GPS等測量裝置均存在不可忽略的測量噪聲使得微分得到的速度值往往是不準(zhǔn)確的，造成觀測值與實(shí)際值之間存在較大的差距。

目前，為了克服動(dòng)力定位船舶控制器所提供控制力和力矩受飽和限制的影響，學(xué)者們提出了不同的控制方案降低飽和對船舶動(dòng)力定位系統(tǒng)性能的影響。在船舶受到未知常值擾動(dòng)和輸入幅值飽和的情況下，Perez和Donaire將積分作用和抗積分飽和方法引入到動(dòng)力定位控制設(shè)計(jì)中，用積分作用和抗積分飽和方法分別處理常值擾動(dòng)和輸入飽和問題；在船舶受到未知時(shí)變擾動(dòng)和輸入幅值飽和的情況下，Morishita和Souza應(yīng)用觀測器逆推方法及變增益技術(shù)設(shè)計(jì)了動(dòng)力定位魯棒非線性控制律，構(gòu)造了與船舶定位誤差相關(guān)的控制增益矩陣，使動(dòng)力定位控制信號(hào)能夠根據(jù)定位誤差的大小不斷調(diào)整來降低輸入飽和的影響等。

上述方法大多是將海洋環(huán)境中的多源干擾整合成單一等效的干擾來處理，缺乏對多源干擾性能和影響機(jī)理的全面性分析。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是：針對動(dòng)力定位船舶控制器所提供的控制力和力矩達(dá)到飽和從而失效的問題，提出一種基于干擾觀測器的船舶動(dòng)力定位系統(tǒng)抗干擾飽和控制方法。所提方法考慮了受風(fēng)、浪、流等環(huán)境干擾影響的船舶動(dòng)力定位系統(tǒng)，通過設(shè)計(jì)觀測器實(shí)現(xiàn)對船舶所處位置、速度以及慢變環(huán)境干擾的在線估計(jì)，構(gòu)造魯棒濾波器實(shí)現(xiàn)對一階波誘導(dǎo)干擾的濾除。在此基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了一種新的復(fù)合飽和控制器，有效的抑制了船舶在海洋行駛中的環(huán)境干擾，同時(shí)解決了船舶控制系統(tǒng)所提供的控制力和力矩受到飽和約束的問題，降低了控制器的保守性。

本發(fā)明解決上述問題采用的技術(shù)方案為：一種基于干擾觀測器的船舶動(dòng)力定位系統(tǒng)的抗干擾飽和控制方法，包括以下步驟：

步驟一：考慮了海洋環(huán)境中風(fēng)、流、二階波漂移和未建模動(dòng)態(tài)等慢變環(huán)境干擾，根據(jù)動(dòng)力定位船舶的運(yùn)動(dòng)學(xué)模型和動(dòng)力學(xué)模型，建立動(dòng)力定位船舶的狀態(tài)空間模型；

步驟二：設(shè)計(jì)狀態(tài)觀測器估計(jì)動(dòng)力定位船舶的速度和位置；設(shè)計(jì)干擾觀測器估計(jì)并抵消船舶動(dòng)力定位系統(tǒng)中的慢變環(huán)境干擾；在此基礎(chǔ)上，構(gòu)造魯棒濾波器來濾除海洋環(huán)境中的一階波誘導(dǎo)干擾；