[發明專利]一種基于灰狼算法的船舶動力定位自抗擾控制方法

在審

• 申請號: 202111437246.1
• 申請日: 2021-11-29
• 公開（公告）號: CN114137826A
• 公開（公告）日: 2022-03-04
• 發明（設計）人: 吳浩峻;聶群
• 申請（專利權）人: 大連海事大學
• 主分類號: G05B11/42
• 分類號: G05B11/42
• 代理公司: 大連東方專利代理有限責任公司 21212
• 代理人: 姜玉蓉;李洪福

1.一種基于灰狼算法的船舶動力定位自抗擾控制方法，其特征在于，包括如下步驟：

S1、建立慣性坐標系與船體坐標系，并構建船舶的運動學和動力學數學模型；

S2、建立船舶動力定位自抗擾控制系統；

S3、設計灰狼算法；

S4、將設計的灰狼算法嵌入船舶動力定位自抗擾控制系統中，并通過設計的灰狼算法選取最優的參數。

2.根據權利要求1所述的基于灰狼算法的船舶動力定位自抗擾控制方法，其特征在于，所述步驟S1中，建立慣性坐標系與船體坐標系的具體實現過程如下：

假設O_E-X_EY_E為慣性坐標系，X_E軸正向為正東，Y_E軸正向為正北，O-X_BY_B為船體坐標系，O為0時刻船舶重心位置，X_B軸正向指向船艏，Y_B軸正向指向船舶右舷，根據坐標轉換原理，得到慣性坐標系和船體坐標系的轉換矩陣為：

3.根據權利要求1所述的基于灰狼算法的船舶動力定位自抗擾控制方法，其特征在于，所述步驟S1中，構建船舶的運動學和動力學數學模型的具體實現過程如下：

考慮低頻運動受風、二階波浪力、流和推進器的影響，構建船舶的運動學和動力學數學模型，如下：

其中，η為位置向量，η＝[x,y,ψ]^T；v為速度向量，ν＝[u,v,r]^T；M為慣性矩陣；D為阻尼矩陣；τ為控制器輸出，τ＝[τ_x,τ_y,τ_ψ]^T；F為包括風、浪、流等的外界總擾動。

4.根據權利要求1所述的基于灰狼算法的船舶動力定位自抗擾控制方法，其特征在于，所述步驟S2中，建立的船舶動力定位自抗擾控制系統包括微分跟蹤器TD、狀態誤差的非線性反饋律NLSEF、擴張狀態觀測器ESO及擾動觀測補償。

5.根據權利要求4所述的基于灰狼算法的船舶動力定位自抗擾控制方法，其特征在于，所述步驟S2中，建立船舶動力定位自抗擾控制系統的具體實現過程如下：

S21、微分跟蹤器TD利用取小時間常數的慣性環節對輸入信號進行跟蹤，同時通過求解微分方程，近似提取輸入信號的微分信號，其表達式如下：

其中，v₁為輸入信號v₀的跟蹤信號；v₂為v₁的微分信號；r為速度因子，r越大，微分跟蹤器TD跟蹤輸入信號的速度越快，同時跟蹤信號受噪聲污染越嚴重，如r取得過大會導致跟蹤信號與原信號重疊；h為濾波因子，h越大，濾波效果越好，如h取得過大會導致跟蹤信號與輸入信號間的相位差過大；fhan(ν₁-ν₀,ν₂,r,h)為系統的快速控制最優綜合函數，其表達式為：

d＝rh

d₀＝hd

y＝ν₁-ν₀+hν₂

S22、對二階連續形式微分跟蹤器進行離散化處理，得到其離散形式，如下：

S23、擴張狀態觀測器ESO根據系統的輸出與觀測值間的偏差對觀測值進行控制，同時對擴張出的系統總擾動進行估計，對于船舶低頻運動模型，其表達式為：

其中，z₁為跟蹤信號；z₂為微分信號，即所估計的船舶速度；z₃為擴張出的系統總擾動的估計值；β₀₁、β₀₂、β₀₃、b為可調節的參數；

S24、將誤差信號替換成關于誤差信號的非線性函數，其表達式如下：

其中，u₀為控制器輸出的控制量；β₁、β₂為可調節的參數。