[發(fā)明專利]一種基于灰狼算法的船舶動(dòng)力定位自抗擾控制方法

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• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 202111437246.1
• 申請(qǐng)日: 2021-11-29
• 公開（公告）號(hào): CN114137826A
• 公開（公告）日: 2022-03-04
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 吳浩峻;聶群
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 大連海事大學(xué)
• 主分類號(hào): G05B11/42
• 分類號(hào): G05B11/42
• 代理公司: 大連東方專利代理有限責(zé)任公司 21212
• 代理人: 姜玉蓉;李洪福

本發(fā)明提供一種基于灰狼算法的船舶動(dòng)力定位自抗擾控制方法，包括：建立慣性坐標(biāo)系與船體坐標(biāo)系，并構(gòu)建船舶的運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)數(shù)學(xué)模型；建立船舶動(dòng)力定位自抗擾控制系統(tǒng)；設(shè)計(jì)灰狼算法；將設(shè)計(jì)的灰狼算法嵌入船舶動(dòng)力定位自抗擾控制系統(tǒng)中，并通過設(shè)計(jì)的灰狼算法選取最優(yōu)的參數(shù)。本發(fā)明技術(shù)方案解決了動(dòng)力定位系統(tǒng)中自抗擾控制器參數(shù)難以整定的技術(shù)問題，提高了控制器的控制效果，同時(shí)，優(yōu)化后的控制器在保證控制精度和速度的同時(shí)，減少了速度變化頻率，從而減少了舵偏擺動(dòng)的頻率，降低了動(dòng)力裝置機(jī)械結(jié)構(gòu)的損害，且在遭遇外界突增的擾動(dòng)時(shí)偏移量更小，控制器反應(yīng)更加靈敏，并且能夠更快的回到期望位置，增強(qiáng)了動(dòng)力定位系統(tǒng)抵抗外界擾動(dòng)的能力。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及船舶動(dòng)力定位系統(tǒng)控制器技術(shù)領(lǐng)域，具體而言，尤其涉及一種基于灰狼算法的船舶動(dòng)力定位自抗擾控制方法。

背景技術(shù)

近年以來(lái)，伴隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，各國(guó)對(duì)海洋的開發(fā)日益頻繁，海洋工程從沿海發(fā)展到近海，再到現(xiàn)在的遠(yuǎn)海，海洋工程作業(yè)種類也從最早的海洋石油開采發(fā)展為海底電纜鋪設(shè)、海洋救助打撈、海洋生物化學(xué)調(diào)查等，海洋工程作業(yè)對(duì)船舶與平臺(tái)的定位精度及穩(wěn)定性要求相應(yīng)的也越來(lái)越高，傳統(tǒng)的錨泊定位方式只能在淺海域工作、定位精度不高、位置轉(zhuǎn)換靈敏度較差等缺點(diǎn)也越來(lái)越突出，已經(jīng)無(wú)法滿足現(xiàn)代海洋工程作業(yè)的要求，成為了海洋作業(yè)朝深海以及多元化發(fā)展的限制。因此，能夠適應(yīng)海上復(fù)雜多變的環(huán)境，具有更高的定位精度和穩(wěn)定性的船舶動(dòng)力定位系統(tǒng)逐漸代替了傳統(tǒng)錨泊。

控制技術(shù)作為船舶動(dòng)力定位系統(tǒng)的核心，經(jīng)過不斷的升級(jí)與完善，經(jīng)歷了三代，分別是經(jīng)典控制理論、現(xiàn)代控制理論和智能控制理論。第一代船舶動(dòng)力定位控制器采用的是單輸入單輸出PID控制律，為減少高頻運(yùn)動(dòng)對(duì)定位精度的影響，結(jié)合了低通或陷波濾波器來(lái)剔除偏差信號(hào)中的中高頻部分，雖然提高了定位精度，但其引入了相位滯后量，降低了定位的實(shí)時(shí)性，此外，PID的參數(shù)選擇和設(shè)定比較困難，且一旦選定后，無(wú)法做出更改，面對(duì)復(fù)雜多變的海洋環(huán)境帶來(lái)的時(shí)變擾動(dòng)適應(yīng)性較差，控制效果并不十分理想。第二代采用基于模型的線性二次型高斯控制算法、模型參考的自適應(yīng)控制、反步法等。第三代采用魯棒控制、模糊控制、模型預(yù)測(cè)控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等智能算法來(lái)設(shè)計(jì)船舶動(dòng)力定位系統(tǒng)控制器。在當(dāng)前的各種船舶動(dòng)力定位控制技術(shù)中，雖然魯棒性、適應(yīng)性得到了提高，但對(duì)模型的依賴性較強(qiáng)，而在實(shí)際的工程應(yīng)用中，尤其是對(duì)于復(fù)雜的船舶動(dòng)力定位系統(tǒng)，若要通過動(dòng)力抵抗風(fēng)、浪、流等外界環(huán)境的干擾，更加依賴精確的數(shù)學(xué)模型，而風(fēng)、浪、流等精確的數(shù)學(xué)模型往往難以建立，這也給船舶動(dòng)力定位控制系統(tǒng)帶來(lái)了巨大的挑戰(zhàn)。

自抗擾控制器是在非線性PID基礎(chǔ)上針對(duì)不確定系統(tǒng)提出的新型控制技術(shù)，該控制方法，首先通過安排過渡過程來(lái)解決PID算法初始偏差過大，容易引起超調(diào)的問題，通過微分跟蹤器獲得更加準(zhǔn)確的跟蹤信號(hào)和微分信號(hào)，對(duì)跟蹤信號(hào)和微分信號(hào)分別計(jì)算偏差，并由偏差的線性加權(quán)變換為非線性組合，從而求得控制器的控制量。對(duì)于整個(gè)系統(tǒng)的擾動(dòng)，通過擴(kuò)張觀測(cè)器進(jìn)行觀測(cè)，對(duì)控制量進(jìn)行擾動(dòng)部分的補(bǔ)償，這也是自抗擾控制器不依賴于精確數(shù)學(xué)模型的關(guān)鍵所在。所以，自抗擾控制器在保留了經(jīng)典控制理論實(shí)用性的基礎(chǔ)上，解決了經(jīng)典控制理論依賴精確數(shù)學(xué)模型以及對(duì)非線性系統(tǒng)控制效果不佳的問題。自抗擾控制器在改善控制效果的同時(shí)，也引入了更多的參數(shù)，相較于傳統(tǒng)PID控制，微分跟蹤器、非線性組合和擴(kuò)張觀測(cè)器三部分中需要設(shè)計(jì)的參數(shù)成倍增多，大大增加了自抗擾控制器設(shè)計(jì)的難度。目前，整定參數(shù)最常用的方法還是經(jīng)驗(yàn)試湊法，通過不斷試湊來(lái)調(diào)節(jié)參數(shù)，既費(fèi)時(shí)又難以保證最佳的控制效果，而結(jié)合智能算法之后，可通過算法對(duì)參數(shù)進(jìn)行整定，在保證良好控制效果的同時(shí)，大大提高了自抗擾控制器設(shè)計(jì)的效率。

發(fā)明內(nèi)容

根據(jù)上述提出動(dòng)力定位系統(tǒng)中自抗擾控制器參數(shù)難以整定的技術(shù)問題，而提供一種基于灰狼算法的船舶動(dòng)力定位自抗擾控制方法，解決了其參數(shù)難以整定的問題，提高了控制器的控制效果。

本發(fā)明采用的技術(shù)手段如下：

一種基于灰狼算法的船舶動(dòng)力定位自抗擾控制方法，包括如下步驟：

S1、建立慣性坐標(biāo)系與船體坐標(biāo)系，并構(gòu)建船舶的運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)數(shù)學(xué)模型；