一种基于等效干扰补偿的船舶动力定位控制系统的制作方法
【专利摘要】本发明属于定位控制系统领域，具体涉及一种将动力定位船舶低频运动模型中存在的非线性和环境扰动的不确定问题，在等效干扰补偿理论的基础上设计纵向、横向、艏向三个非线性控制器的基于等效干扰补偿的船舶动力定位控制系统。基于等效干扰补偿的船舶动力定位控制系统，包括显控计算机，纵向控制器，横向控制器，艏向控制器，推力系统，动力定位船舶。本发明提出的动力定位船舶低频运动纵向、横向、艏向三个控制器能够分别对船舶三自由度运动进行控制，将耦合项和非线性项以及外部环境扰动当成等效干扰进行处理，通过扩张状态观测器对等效扰动进行估计和补偿，从而更好的控制船舶定位到期望状态。
【专利说明】
一种基于等效干扰补偿的船舶动力定位控制系统
技术领域
[0001] 本发明属于定位控制系统领域，具体涉及一种将动力定位船舶低频运动模型中存 在的非线性和环境扰动的不确定问题，在等效干扰补偿理论的基础上设计纵向、横向、艏向 三个非线性控制器的基于等效干扰补偿的船舶动力定位控制系统。
【背景技术】
[0002] 随着海上资源的不断勘探和开采，配备动力定位控制系统的船舶越来越多。船舶 动力定位控制系统的主要目的是通过控制船舶的驱动设备将船舶控制在指定位置。海洋环 境干扰的不断变化与船舶运动模型中的非线性问题，为船舶运动控制增加了难度。因此，如 何有效抵抗环境干扰以及对船舶运动中的非线性成为动力定位控制系统研究的热点和难 点。
[0003] 目前，船舶动力定位控制系统所采用的非线性控制方法大多是在模型建立的基础 上进行控制的，但是精确的系统模型很难建立。因此，对于船舶运动模型中的非线性问题进 行控制是十分必要的。另外，船舶运动中会受到风、浪、流等各种环境干扰的影响，对于如何 补偿这些干扰的研究具有十分重要的现实意义。本发明的船舶三自由度运动控制系统可以 有效解决船舶运动模型的非线性问题，并将环境干扰以及船舶模型中的不确定项、耦合项、 未知项当成等效干扰进行控制，并对等效干扰进行有效补偿。
[0004] 经文献检索发现，中国专利CN103592849A针对一种船舶动力定位控制方法对船舶 纵向、横向、艏向三个自由度进行控制，运用广义预测控制器通过推力分配模块将纵向、横 向、艏向三个方向的力矩施加到船舶动态运动模型中对船舶运动进行控制，但是该方法没 有充分考虑船舶运动模型的非线性和未知干扰的不确定性。
【发明内容】
[0005] 本发明的目的在于提供一种针对船舶运动控制中存在的模型非线性、耦合和不断 变化的环境干扰，对纵向、横向、艏向三个自由度进行控制并对等效干扰进行补偿和估计来 设计纵向、横向、艏向三个非线性控制器的基于等效干扰补偿的船舶动力定位控制系统。
[0006] 本发明的目的是这样实现的：
[0007] 基于等效干扰补偿的船舶动力定位控制系统，包括显控计算机（1)，纵向控制器 (2)，横向控制器(3)，艏向控制器(4)，推力系统(5)，动力定位船舶(6);其中纵向控制器(2) 包括纵向路径生成器(7)、纵向扩张状态观测器（10)、纵向误差反馈控制器(8)、纵向干扰补 偿因子（11)、纵向干扰补偿器(9);横向控制器⑶包括横向路径生成器（12)、横向扩张状态 观测器（15)、横向误差反馈控制器（13)、横向干扰补偿器（14)、横向干扰补偿因子（16);艏 向控制器(4)包括艏向路径生成器（17)、艏向扩张状态观测器（20)、艏向误差反馈控制器 (18)、艏向干扰补偿器(19)、艏向干扰补偿因子(21);
[0008] 动力定位船舶(6)的GPS (22)和陀螺仪(23)对船舶的实际位姿信息进行采集，将采 集到的实际位姿信息传递给显控计算机、纵向扩张状态观测器、横向扩张状态观测器和艏 向扩张状态观测器;纵向扩张状态观测器、横向扩张状态观测器和艏向扩张状态观测器对 实际位姿信息进行估计得到实际位姿信息估计值以及等效干扰估计值；
[0009] 显控计算机将期望位姿信息同时传送给纵向路径生成器、横向路径生成器和艏向 路径生成器;纵向路径生成器、横向路径生成器和艏向路径生成器对获得的期望位姿信息 进行平滑处理得到平滑的期望位姿信息；
[0010] 纵向误差反馈控制器、横向误差反馈控制器和艏向误差反馈控制器对实际位姿信 息估计值和平滑的期望位姿信息进行误差控制得到标称系统下的纵向控制量、横向控制 量、艏向控制量，
[0011] 纵向干扰补偿器、横向干扰补偿器和艏向干扰补偿器根据纵向干扰补偿因子、横 向干扰补偿因子和艏向干扰补偿因子对纵向误差反馈控制器、横向误差反馈控制器和艏向 误差反馈控制器输出的纵向控制量、横向控制量、艏向控制量进行补偿得到推力系统的纵 向控制输入量、横向控制输入量和艏向控制输入量，所述的纵向干扰补偿因子、横向干扰补 偿因子和艏向干扰补偿因子是纵向干扰补偿器、横向干扰补偿器和艏向干扰补偿器根据纵 向扩张状态观测器、横向扩张状态观测器和艏向扩张状态观测器对等效干扰估计值产生的 干扰项获得的；
[0012] 推力系统根据控制输入量对船舶的执行机构进行控制达到期望的位姿状态；
[0013] 所述的位姿信息包括GPS(22)采集的实际横向、纵向位置x，y，陀螺仪(23)采集的 实际艏向Φ。
[0014] 所述的纵向扩张状态观测器为：
[0015] ^=y-x
[0016] .v = -A
[0017] +
[0018]
[0019] r'=(r,
[0020] 其中，ex为纵向位置估计I与纵向实际位置x的误差，i为速度估计值，?。为上一时 刻的速度估计值，I为加速度估计值，I为纵向等效扰动的估计值，^为扰动估计值产生的 干扰项，ftd为纵向速度误差系数，βχ2为纵向加速度误差系数，βχ3为纵向等效干扰误差系数， αχ为纵向误差饱和函数的参数，h为采样步长，ρχ〇为纵向控制器的补偿因子，τχ为补偿后的 纵向控制量，fal x(ex，ax，h)为纵向误差饱和函数，τχ〇为纵向误差反馈控制器输出的标称系 统下的纵向控制量；
[0021] 所述的横向扩张状态观测器为：
[0022] ev'=y-y
[0023] .(' =九->6>.
[0024] v - Ιτν-βνφ1ν (c>r,a,,/?) + pr(iri(!
[0025] by =-firJair{evM.vjT)
[0026] τ] =(r,
[0027] 其中，ey为横向位置估计{与横向实际位置χ的误差，多为速度估计值，i为上一时 刻的速度估计值，f为加速度估计值，I为横向等效扰动的估计值，&为扰动估计值产生的 干扰项，0yl为横向速度误差系数，βγ2为横向加速度误差系数，βγ3为横向等效干扰误差系数， %为横向误差饱和函数的参数，h为采样步长，pyo为横向控制器的补偿因子，τγ为补偿后的 横向控制量，f aly (ey，ay，h)为横向误差饱和函数，TyQ为横向误差反馈控制器输出的标称系 统下的横向控制量；
[0028]所述的艏向扩张状态观测器为：
[0029] ev =ψ-ψ
[0030] Ψ^Ψα~βψΧ￡ψ
[0031 ] Ψ =?),,_ βυ:Μ,(^,'υ? + Ρ為Q
[0032]
[0033]
[0034] θφ为艏向估计与实际艏向的误差，#为艏向估计，为艏向速度估计，为上一时 刻的艏向速度估计，#为艏向加速度估计，i为艏向等效扰动的估计，f aU( ，αΦ，h)为艏向 饱和函数，PW为艏向控制器的补偿因子，τΦ为艏向扩张状态观测器对标称系统下的输出控 制量进行补偿后的艏向控制量，&艏向扰动估计产生的干扰项，1?为艏向误差反馈控制器 输出的标称系统下的横向控制量，β?为艏向速度误差系数，βΦ2为艏向加速度误差系数， 为艏向等效干扰误差系数，αψ为艏向误差饱和函数的参数；
[0035] 其中，如，蛄分别为艏向路径生成器作用前、后的期望艏向，匕pfe分别为期望艏 向的导数和期望艏向角速度，ω_为艏向路径生成器振荡环节固有频率，ζ Φ为艏向路径生成 器振荡环节相对阻尼比，^为艏向路径生成器的控制输入，δΦ为艏向路径生成器设计参 数；，，，，β Φ1，βΦ2，β?，αΦ为与系统采样步长有关的艏向扩张状态观测器参数，，，； ew为期望艏 向Φ<η与艏向估计#之间的误差，为艏向误差误差反馈控制器输出的控制量，k?，b2为艏 向控制增益，αφ?，α Φ2为艏向误差误差反馈控制器参数，σΦ为与系统的误差范围有关的艏向误 差误差反馈控制器参数。
[0036]所述的纵向路径生成器为
[0037] Xdl = Xd2
[0038] 乂心=- λΑλ! - A 1.? 1? -
[0039] xdlS纵向路径生成器作用后的纵向期望位置，为上一时刻纵向期望速度;xd2为 纵向路径生成器的纵向期望速度，毛 2为纵向路径生成器的纵向期望加速度;Xd为纵向期望 位置；ωηχ纵向路径生成器振荡环节固有频率，ζ χ纵向路径生成器振荡环节相对阻尼比，δχ 为纵向路径生成器设计参数；
[0040] 横向路径生成器为：
[0041] ydx^ydl
[0042 ]九2 = 4 |>v21 )，?/2 - 2(v<wm'>V2
[0043] ydl为横向路径生成器作用后的期望纵向位置，大《为上一时刻的横向期望速度;yd2 为横向路径生成器作用后的横向期望速度，iW为横向路径生成器的期望纵向加速度;yd为 横向期望位置；ω ηγ横向路径生成器振荡环节固有频率，ζγ横向路径生成器振荡环节相对阻 尼比，横向路径生成器设计参数；
[0044] 所述的艏向路径生成器：
[0045] ￥dX=Wd2
[0046] ψ?2 = -5ψ \ψ(Ι1\ψ?η -2ζφωηψψ?1
[0047] Φ<η为艏向路径生成器作用后的期望纵向位置，匕#上一时刻的艏向期望速度;如2 为艏向路径生成器作用后的艏向期望速度，为艏向路径生成器的期望纵向加速度;如为 艏向期望位置；ωηΦ艏向路径生成器振荡环节固有频率，ζ Φ艏向路径生成器振荡环节相对阻 尼比，心为艏向路径生成器设计参数。
[0048]所述的纵向误差反馈控制器为：
[0049]
[0050] exi=xdl-x
[0051 ] τχ0 = kxifalxi (exi，αχ1，δχ) +kx2falx2 (eX2，αχ2，δχ)
[0052] 其中，exl为纵向期望位置站与纵向位置估计$的误差，ex2为纵向期望速度'与纵 向速度估计I的误差，k xl为误差exl的控制增益kX2为误差eX2的控制增益，α χ1为误差exl的控制 参数，αχ2为误差eX2的控制参数，δ χ为纵向反馈控制器参数，€&1\1(6\1，(^1，5〇为误差6\1的饱 和函数，€&]^2(6^，<^2人)为误差6^的饱和函数；
[0053] 所述的横向误差反馈控制器为：
[0054] ->-a-ν
[0055] ^2 = vrfl~/
[0056] τγ0 = kyifalyi (eyi, ayl, oy) +ky2faly2 (ey2, αΥ2, 〇y)
[0057] 其中，eyl为横向期望位置ydi与横向位置估计I的误差，ey2为横向期望速度λπ与横 向速度估计f的误差，k yl为误差eyl的控制增益ky2为误差ey2的控制增益，a yl为误差eyl的控制 参数，ay2为误差ey2的控制参数，δ γ为横向反馈控制器参数，€&1^^1，(^1乂)为误差6^的饱 和函数，€&]^2^2，<^2,3\)为误差6\2的饱和函数 ；
[0058]所述的艏向误差反馈控制器为：
[0059] &η = ψιη-ψ
[0060] ^ψ1·=ψ?Χ-φ
[0061 ] τφ〇 = 1?φ??^1φ?(θφ?，αψι，σφ)+1?φ2?^1φ2(θφ2，αψ2，σψ)
[0062]其中，e?为艏向期望位置Φ<η与艏向位置估计#的误差，叫为艏向期望速度火占 腊向速度估计0的误差，kij)l为误差ΘΦ1的控制增益kij)2为误差ΘΦ2的控制增益，αψ?为误差ΘΦ1的 控制参数，αφ2为误差ΘΦ2的控制参数，δφ为艏向反馈控制器参数，€&11])1(6 1])1，€[1))1，51)))为误差61] )1 的饱和函数，f aU2 (ΘΦ2，αΦ2，δφ)为误差ΘΦ2的饱和函数。
[0063] 所述的动力定位船舶的三自由度低频运动模型为：
[0064] ? = ?Ι(η)..υ
[0065] Μ? = -D (υ) υ - C (υ) υ + bp +1
[0066] 其中，η为船舶位置和艏向向量，n=[x，y，it]，?为船舶位置和艏向向量在地固坐标 系下的速度向量，U为船舶在附体坐标系下的速度向量U = [U，V，r ]，u，V是船舶横向和纵向 速度，r为船舶艏向角速度，J(II)是地固坐标系与附体坐标系之间的转换矩阵；Μ为系统惯 性矩阵;C(u)为与船舶速度有关的科里奥利向心力矩阵;D(u)为与船舶速度有关的阻尼矩 阵；b为低频干扰力，τ为控制向量，τ = [τχ, τγ，τΦ] ; M、C〇)、D〇)的具体形式为
[0067] 其中，mn、m22、m33为船舶纵向、横向、艏向的系统惯性质量，m23、m 32为船舶横向与艏 向耦合的系统惯性质量;c12、c21为船舶纵向与横向耦合的科里奥利向心力，c 13、c31是纵向与 艏向耦合的科里奥利向心力，c23、c32是横向与艏向耦合的科里奥利向心力;dn、d 22、d33为船 舶纵向、横向、艏向的阻尼，d23、d32为船舶纵向与艏向耦合的阻尼；将系统模型M、C(u)、D (u)中的耦合项以及船舶运动模型中的非线性项和外部环境扰动如风、浪、流作为等效干扰 来处理，则船舶模型转化为：
[0068]船舶纵荡运动模型：
[0069]
[0070] .? = ./: (.η，λ-2) + +4
[0071 ]船舶横荡运动模型：
[0072] K = .?
[0073] 爲=./;' (乃，J'2) + d + 夂 [0074]船舶艏摇运动模型：
[0075] =ψ2
[0076] ψ2=.?Ψ{ψνΨ2) + Ρ^Ψ+^ψ
[0077] 其中，Χ1，Χ2为船舶模型转化后的纵向位置、纵向速度，fx( X1，X2)为转化后的与纵向 位置、速度相关的非线性函数，Ρχ为转化后的纵向控制力系数，τ χ为纵向控制力，bx为包含系 统内部耦合和外部环境扰动的纵向等效干扰;yi，y2为船舶模型转化后的横向位置、速度，fy (yi，y2)为转化后的与横向位置、速度相关的非线性函数，py为转化后的横向控制力系数，i y 为横向控制力，by为包含系统内部耦合和外部环境扰动的横向等效干扰;ih，Φ2为船舶模型 转化后的艏向角、艏向角速度，?φ(Φ?，Φ2)为转化后的与艏向角度、角速度相关的非线性函 数，ΡΦ为转化后的艏向控制力系数，τ φ为艏向控制力矩，13Φ为包含系统内部耦合和外部环境 扰动的艏向等效干扰。
[0078]本发明的有益效果在于:本发明提出的动力定位船舶低频运动纵向、横向、艏向三 个控制器能够分别对船舶三自由度运动进行控制，将耦合项和非线性项以及外部环境扰动 当成等效干扰进行处理，通过扩张状态观测器对等效扰动进行估计和补偿，从而更好的控 制船舶定位到期望状态。
【附图说明】
[0079]图1基于等效干扰的船舶动力定位控制系统总体结构图。
【具体实施方式】
[0080]下面结合附图对本发明进行详细描述：
[0081 ]图1中1 一显控计算机;2-纵向控制器;3-横向控制器;4 一腊向控制器;5-推力 系统;6-动力定位船舶;7-纵向路径生成器;8-纵向误差反馈控制器;9 一纵向干扰补偿 器；10-纵向扩张状态观测器；11 一纵向干扰补偿因子；12-横向路径生成器；13-横向反 馈控制器；14 一横向干扰补偿器；15-横向扩张状态观测器；16-横向干扰补偿因子；17- 艏向路径生成器；18-艏向反馈控制器；19 一艏向干扰补偿器;20-艏向扩张状态观测器； 21 -艏向干扰补偿因子;22 - GPS (全球卫星导航系统）；23-陀螺仪。
[0082]本发明涉及一种基于等效干扰补偿的船舶动力定位控制系统。显控计算机能够实 时显示船舶位置和艏向，并将设定的船舶期望位置和艏向传递到纵向、横向、艏向控制器 中；纵向、横向、艏向控制器根据期望位置和艏向对船舶进行非线性控制，从而得到推力系 统中纵向、横向、艏向控制量，进而控制船舶达到期望状态。在对船舶运动模型进行处理的 过程中，将模型中的耦合项、非线性项和外部环境扰动当作等效干扰来处理，对船舶的三个 自由度进行控制。所设计的纵向、横向、艏向三个控制器中的路径生成器根据显控计算机中 设定的船舶期望位姿阶跃信号进行处理，得到平滑的期望位姿和期望速度信息;控制器中 的扩张状态观测器将等效干扰扩张成状态变量并对该变量进行估计和补偿，同时对船舶的 实际位姿和速度信息进行估计，将估计值传送给误差反馈控制器，进而得到推力系统的各 个控制量;而误差反馈控制器对路径生成器输出的期望位姿、期望速度和状态观测器产生 的估计位姿、估计速度进行误差反馈控制，得到标称系统下的控制量;推力系统根据各个自 由度的控制量对执行机构进行推力控制，从而控制船舶达到期望位姿状态。此发明的优点 在于不需要船舶运动的精确数学模型，将模型中的耦合项、不确定项和非线性项当成等效 干扰，利用扩张状态观测器将等效干扰扩张成一个状态并对该状态进行估计和补偿，通过 误差反馈控制器对位置、艏向与速度进行误差反馈控制，进而解决船舶动力定位控制系统 中的耦合、不确定和非线性问题，提高了系统的鲁棒性和控制精度。
[0083]本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
[0084]本发明的基于等效干扰的船舶动力定位控制系统包括显控计算机（1 )，纵向控制 器(2)，横向控制器(3)，艏向控制器(4)，推力系统(5)，动力定位船舶(6)。其中，纵向控制器 (2)包括纵向路径生成器(7)、纵向扩张状态观测器（10)、纵向误差反馈控制器(8)、纵向干 扰补偿器(11)、纵向干扰补偿因子(9);横向控制器(3)包括横向路径生成器（12)、横向扩张 状态观测器（15)、横向误差反馈控制器（13)、横向干扰补偿器（14)、横向干扰补偿因子 (16);艏向控制器(4)包括艏向路径生成器（17)、艏向扩张状态观测器(20)、艏向误差反馈 控制器（18)、艏向干扰补偿器（19)、艏向干扰补偿因子(21);动力定位船舶(6)上的位置和 艏向是通过GPS(22)采集船舶横向和纵向位置，通过陀螺仪(23)采集艏向信息。显控计算机 (1)将设定的船舶期望位置和期望艏向信息传递到纵向控制器(2)、横向控制器(2)和艏向 控制器(3)中，纵向控制器(2)、横向控制器(3)、艏向控制器(4)对纵向、横向位置和艏向信 息进行非线性控制得到推力系统(5)中横向、纵向、艏向控制量，从而对动力定位船舶(6)进 行控制使得船舶能够定位到期望状态。
[0085] 1)显控计算机（1)能够实时显示船舶的横向、纵向位置和艏向信息，并能够将设定 的船舶期望位置和期望艏向信息传递给纵向、横向、艏向控制器。
[0086] 2)纵向控制器(2)对显控计算机(1)中将设定的期望横向位置信息，经过纵向路径 生成器（7)的处理可以得到平滑的期望纵向和期望纵向微分信号；纵向扩张状态观测器 (10)对船舶实际纵向位置信息进行估计得到纵向位置、速度的估计，同时对纵向等效干扰 进行估计和补偿，得到纵向等效干扰的估计值并在纵向补偿器的作用下对标称系统下的纵 向控制量进行补偿，得到纵向控制器的输出控制量，并将其传递给推力系统(5)。纵向反馈 控制器(8)对纵向扩张状态观测器（10)输出的纵荡位置、速度估计信息与纵向路径生成器 (7)输出的期望位置、速度信息进行误差反馈控制得到标称系统下的纵荡控制量。
[0087] 3)横向控制器(3)对显控计算机(1)中将设定的期望横向位置，经过横向路径生成 器(7)的处理可以得到平滑的期望横向和期望横向微分信号;横向状态观测器（15)对船舶 实际横向位置信息进行估计，得到横向期位置、速度的估计，同时对横向等效干扰进行估计 和补偿，得到横向等效干扰的估计值并在横向补偿器的作用下对标称系统下的横向控制量 进行补偿，得到横向控制器的输出控制量，并将其传递给推力系统（5)。横向误差反馈控制 器（13)对横向扩张状态观测器（15)输出的横向位置、速度估计信息与横向路径生成器(7) 输出的期望位置、期望速度信息进行误差反馈控制得到标称系统下的横向控制量。
[0088] 4)艏向控制器(4)对显控计算机（1)中将设定的期望艏向信息经过艏向路径生成 器（17)的处理，得到平滑的期望艏向信息和期望艏向微分信息;艏向扩张状态观测器(20) 对船舶实际艏向信息进行估计得到艏向信息、艏向角速度的估计，同时对艏向等效干扰进 行估计和补偿，得到艏向等效扰动的估计并在艏向补偿器的作用下对标称系统下的艏向控 制量进行补偿。艏向误差反馈控制器（18)对艏向扩张状态观测器(20)输出的艏向角度、角 速度估计信息与艏向路径生成器(17)输出的期望角度、期望角速度信息进行误差反馈控制 得到推力系统(5)的艏向控制量。
[0089] 5)推力系统(5)根据纵向控制器(2)、横向控制器(3)、艏向控制器(4)输出的纵向、 横向、艏向控制量对船舶执行机构进行控制，使得船舶达到期望状态。
[0090] 如图1所示，本发明将考虑动力定位船舶低频运动模型，设计由纵向、横向、艏向三 个控制器组成的船舶运动控制系统包括显控计算机、纵向控制器、横向控制器、艏向控制 器、推力系统、动力定位船。
[0091 ]船舶三自由度(纵荡、横荡、艏摇)低频运动模型为：
[0094]其中，η为船舶位置和艏向向量(n=[x，y，it]，x，y为船舶横向和纵向位置，Φ为船舶 艏向角），?为船舶位置和艏向向量在地固坐标系下的速度向量，u为船舶在附体坐标系下的 速度向量(〇=[11^^]，11^是船舶横向和纵向速度4为船舶艏向角速度），氕11)是地固坐标 系与附体坐标系之间的转换矩阵；Μ为系统惯性矩阵;C(u)为与船舶速度有关的科里奥利 向心力矩阵;D〇)为与船舶速度有关的阻尼矩阵;b为低频干扰力，τ为控制向量(τ = [τχ，τγ, τΦ]，τx，τy为船舶横向、纵向控制力，τφ为艏向控制力矩） ；M、C(υ)、D(υ)的具体形式为
[0095]其中，mn、m22、m33为船舶纵向、横向、艏向的系统惯性质量，m23、m 32为船舶横向与艏 向耦合的系统惯性质量;c12、C21为船舶纵向与横向耦合的科里奥利向心力，C13、C 31是纵向与 艏向耦合的科里奥利向心力，C23、c32是横向与艏向耦合的科里奥利向心力;dn、d 22、d33为船 舶纵向、横向、艏向的阻尼，d23、d32为船舶纵向与艏向耦合的阻尼。如果将系统模型总M、c (u)、D(u)中的耦合项以及船舶运动模型中的非线性项和外部环境扰动如风、浪、流等当成 等效干扰来处理，则船舶模型可以转化为：
[0096] 1)船舶纵荡运动模型：
[0097] -V, =
[0098] i2 = ./； + +?
[0099] 2)船舶横荡运动模型：
[0100] 兔=少2
[0101] + PrTr+b,
[0102] 3)船舶艏摇运动模型：
[0103]
[0104] ^2=4(^,,^2 ) + ^^+%
[0105] 其中，X1，X2为船舶模型转化后的纵向位置、纵向速度，fx( X1，X2)为转化后的与纵向 位置、速度相关的非线性函数，Ρχ为转化后的纵向控制力系数，τ χ为纵向控制力，bx为包含系 统内部耦合和外部环境扰动的纵向等效干扰;yi，y2为船舶模型转化后的横向位置、速度，fy (yi，y2)为转化后的与横向位置、速度相关的非线性函数，py为转化后的横向控制力系数，i y 为横向控制力，by包含系统内部耦合和外部环境扰动的横向等效干扰;ih，Φ2为船舶模型转 化后的艏向角、艏向角速度，?φ(Φ? >2)为转化后的与艏向角度、角速度相关的非线性函数， ΡΦ为转化后的腊向控制力系数，τΦ为腊向控制力矩，bij；为包含系统内部親合和外部环境扰动 的艏向等效干扰。
[0106] 根据得到的基于等效干扰的船舶运动模型分别设计船舶纵向、横向、艏向三个控 制器。
[0107] 1)船舶纵向控制器
[0108] 为了得到显控计算机输出的期望纵向位置Xd的光滑输入曲线，设计了纵向路径生 成器，能够得到平稳、光滑的期望位置XddP其导数+ ￡/1。由于船舶纵荡运动的给定期望位置 信号是阶跃信号，考虑船舶纵荡运动的速度和加速度的有界性，参考模型的带宽必须低于 船舶控制系统的带宽，因此用一阶低通滤波器的低通特性能够满足跟踪性能和稳定性。为 了便于生成平滑的期望路径，利用二阶振荡环节的动态特性进行设计。将一阶低通滤波器 与二阶振荡环节进行串联形成路径生成参考模型，纵向路径生成器的设计如下：
[0109] XM=XJ2
[0110] = co\nrx - co\nxdl - ^ |^21x[/2 - 2ζχωχχ?2
[0111] Xd，xd^别为纵向路径生成器作用前、后的期望纵向位置;七2为船舶纵向加速度 信息；ωχη纵向路径生成器振荡环节固有频率，ζ χ纵向路径生成器振荡环节相对阻尼比，rx 为路径生成器控制输入，心为纵向路径生成器设计参数。
[0112] 为了更好的控制船舶跟踪期望纵向位置，首先将船舶运动模型中的纵向等效干扰 扩张成状态变量bx，对该状态进行估计和补偿，同时需要对动力定位船舶GPS中采集的纵向 位置X进行估计，由于船舶纵荡运动是非线性的，故将纵向扩张状态观测器设计为
[0113] ex = X-x
[0114] i = .r-/?u^
[0115] Λ; - ?\ - f\JutK /^i：!rv
[0116]
[0117]
[0118] 其中，ex为纵向位置估计无与纵向实际位置x的误差，i为加速度估计值，灰为纵向 等效扰动的估计值，&为扰动估计值产生的干扰项，ftd，β χ2，βχ3，αχ为纵荡扩张状态观测器参 数，由系统所用采样步长决定的，pXQ为纵向控制器的补偿因子，falx(ex，a x，h)为与纵向误差 相关的纵向饱和函数，其作用是抑制信号抖振，τχ〇为纵向误差反馈控制器输出的标称系统 下的纵向控制量。
[0119] 纵向误差反馈控制器将纵向路径生成器和纵向扩张状态观测器产生的状态变量 估计进行误差反馈控制，因此纵向误差反馈控制器的设计为
[0120] WX
[0121] ex2=xdl-x
[0122 ] τχ0 = kxifalxi (exi，αχ1，δχ) +kx2falx2 (eX2，αχ2，δχ)
[0123] 其中，exl为纵向期望位置^:与纵向位置估计i的误差，ex2纵向期望速度与纵向 速度估计i的误差，k xl，kx2为控制增益，αχ1，αχ^纵向误差反馈控制器非线性因子，δ χ为纵向 反馈控制器参数，与系统的误差范围有关。
[0124] 2)横向控制器的设计为
[0128] 其中，yd，ydl*别为横向路径生成器作用前、后的期望横向位置，ik,:yd2分别为期望 横向位置的导数和期望横向速度；ω γη为横向路径生成器振荡环节固有频率，ζγ为横向路径 生成器振荡环节相对阻尼比，r y为横向路径生成器的控制输入，δχ为纵向路径生成器设计参 数;ey为横向位置估计与横向实际位置的误差，i为横向位置估计，?为横向速度估计，j)为 横向加速度估计，^为横向等效总扰动的估计，横向扰动估计产生的干扰项，Pyl，Py2，Py3， %为与系统采样步长有关的横向扩张状态观测器参数，faly(ey，ay，h)为横向饱和函数，p y0 为横向控制器的补偿因子，为横向扩张状态观测器对标称系统下的输出控制量进行补偿 后的横向控制量;eyl为横向期望位置yd@横向位置估计#之间的误差，为横向误差反馈 控制器在标称系统下输出的控制量，k yl，ky2为横向控制增益，ayl，％2为横向误差反馈控制器 参数，〇 y为与系统的误差范围有关的横向误差反馈控制器参数。
[0129] 3)艏向控制器的设计为
[0133]其中，分别为艏向路径生成器作用前、后的期望艏向，匕V，-分别为期望艏 向的导数和期望艏向角速度，ω_为艏向路径生成器振荡环节固有频率，ζΦ为艏向路径生成 器振荡环节相对阻尼比，ο为艏向路径生成器的控制输入，δφ为艏向路径生成器设计参数； ΘΦ为艏向估计与实际艏向的误差，#为艏向估计，#为艏向速度估计，#为艏向加速度估计， ^为艏向等效扰动的估计，4艏向扰动估计产生的干扰项，βφ?，βφ2，βφ3，αφ为与系统采样步 长有关的艏向扩张状态观测器参数，faU(e^c^，h)为艏向饱和函数，PW为艏向控制器的补 偿因子，τΦ为艏向扩张状态观测器对标称系统下的输出控制量进行补偿后的艏向控制量； ew为期望艏向恥1与艏向估计#之间的误差，τΦ〇为艏向误差反馈控制器输出的控制量，kw， k·?为艏向控制增益，αΦ1，αΦ2为艏向误差反馈控制器参数，σΦ为与系统的误差范围有关的艏 向误差反馈控制器参数。
[0134] 4)推力系统根据纵向、横向、艏摇控制器输出的纵向、横向、艏向控制量
[0135] ix，Ty，M进行控制得到动力定位船舶各个执行机构的输入量，进而控制船舶达到 期望状态
[0136] 本发明提出的动力定位船舶低频运动纵向、横向、艏向三个控制器能够分别对船 舶三自由度运动进行控制，将耦合项和非线性项以及外部环境扰动当成等效干扰进行处 理，通过扩张状态观测器对等效扰动进行估计和补偿，从而更好的控制船舶定位到期望状 ??τ 〇
【主权项】
1. 一种基于等效干扰补偿的船舶动力定位控制系统，包括显控计算机（1)，纵向控制器 (2)，横向控制器(3)，艏向控制器(4)，推力系统(5)，动力定位船舶(6);其中纵向控制器(2) 包括纵向路径生成器(7)、纵向扩张状态观测器（10)、纵向误差反馈控制器(8)、纵向干扰补 偿因子（11)、纵向干扰补偿器(9);横向控制器⑶包括横向路径生成器（12)、横向扩张状态 观测器（15)、横向误差反馈控制器（13)、横向干扰补偿器（14)、横向干扰补偿因子（16);艏 向控制器(4)包括艏向路径生成器（17)、艏向扩张状态观测器（20)、艏向误差反馈控制器 (18)、艏向干扰补偿器(19)、艏向干扰补偿因子(21);其特征在于： 动力定位船舶(6)的GPS (22)和陀螺仪(23)对船舶的实际位姿信息进行采集，将采集到 的实际位姿信息传递给显控计算机、纵向扩张状态观测器、横向扩张状态观测器和艏向扩 张状态观测器;纵向扩张状态观测器、横向扩张状态观测器和艏向扩张状态观测器对实际 位姿信息进行估计得到实际位姿信息估计值以及等效干扰估计值； 显控计算机将期望位姿信息同时传送给纵向路径生成器、横向路径生成器和艏向路径 生成器;纵向路径生成器、横向路径生成器和艏向路径生成器对获得的期望位姿信息进行 平滑处理得到平滑的期望位姿信息； 纵向误差反馈控制器、横向误差反馈控制器和艏向误差反馈控制器对实际位姿信息估 计值和平滑的期望位姿信息进行误差控制得到标称系统下的纵向控制量、横向控制量、艏 向控制量， 纵向干扰补偿器、横向干扰补偿器和艏向干扰补偿器根据纵向干扰补偿因子、横向干 扰补偿因子和艏向干扰补偿因子对纵向误差反馈控制器、横向误差反馈控制器和艏向误差 反馈控制器输出的纵向控制量、横向控制量、艏向控制量进行补偿得到推力系统的纵向控 制输入量、横向控制输入量和艏向控制输入量，所述的纵向干扰补偿因子、横向干扰补偿因 子和艏向干扰补偿因子是纵向干扰补偿器、横向干扰补偿器和艏向干扰补偿器根据纵向扩 张状态观测器、横向扩张状态观测器和艏向扩张状态观测器对等效干扰估计值产生的干扰 项获得的； 推力系统根据控制输入量对船舶的执行机构进行控制达到期望的位姿状态； 所述的位姿信息包括GPS(22)采集的实际横向、纵向位置x，y，陀螺仪(23)采集的实际 艏向Φ。2. 根据权利要求1所述的一种基于等效干扰补偿的船舶动力定位控制系统，其特征在 于:所述的纵向扩张状态观测器为：其中，ex为纵向位置估计i与纵向实际位置X的误差，圣为速度估计值，；Ια为上一时刻的 速度估计值，I.为加速度估计值，^为纵向等效扰动的估计值，&为扰动估计值产生的干扰 项，ftd为纵向速度误差系数，βχ2为纵向加速度误差系数，βχ3为纵向等效干扰误差系数，α χ为 纵向误差饱和函数的参数，h为采样步长，pxQ为纵向控制器的补偿因子，τχ为补偿后的纵向 控制量，fal x(ex，ax，h)为纵向误差饱和函数，τχ〇为纵向误差反馈控制器输出的标称系统下 的纵向控制量； 所述的横向扩张状态观测器为： .Λ ^ i vyy i f x' .];,J 其中，ey为横向位置估计I与横向实际位置x的误差，I为速度估计值，1?为上一时刻的 速度估计值，j)为加速度估计值，《为横向等效扰动的估计值，4为扰动估计值产生的干扰 项，βγ1为横向速度误差系数，βγ2为横向加速度误差系数，βγ3为横向等效干扰误差系数， ％为 横向误差饱和函数的参数，h为采样步长，pyQ为横向控制器的补偿因子，^为补偿后的横向 控制量，fal y(ey，ay，h)为横向误差饱和函数，TyQ为横向误差反馈控制器输出的标称系统下 的横向控制量； 所述的艏向扩张状态观测器为：θφ为艏向估计与实际艏向的误差，#为艏向估计，f为艏向速度估计，么为上一时刻的 艏向速度估计，^为艏向加速度估计，4^为艏向等效扰动的估计，θφ，αΦ，h)为艏向饱和 函数，PW为艏向控制器的补偿因子，τ Φ为艏向扩张状态观测器对标称系统下的输出控制量 进行补偿后的艏向控制量，首向扰动估计产生的干扰项，τ?为艏向误差反馈控制器输出 的标称系统下的横向控制量，βφ?为艏向速度误差系数，βφ2为艏向加速度误差系数，为艏 向等效干扰误差系数，αφ为艏向误差饱和函数的参数； 其中，分别为艏向路径生成器作用前、后的期望艏向，Ud2分别为期望艏向的导 数和期望艏向角速度，ω_为艏向路径生成器振荡环节固有频率，ζΦ为艏向路径生成器振荡 环节相对阻尼比，^为艏向路径生成器的控制输入，δ Φ为艏向路径生成器设计参数；，，，， βφ?，βφ2，βφ3，αΦ为与系统采样步长有关的艏向扩张状态观测器参数，，，；θφι为期望艏向Φ<η与 艏向估计#之间的误差，TW为艏向误差误差反馈控制器输出的控制量，kw，为艏向控制 增益，αΦ1，αΦ2为艏向误差误差反馈控制器参数，σΦ为与系统的误差范围有关的艏向误差误差 反馈控制器参数。3. 根据权利要求1所述的一种基于等效干扰补偿的船舶动力定位控制系统，其特征在 于:所述的纵向路径生 2: Xdi为纵向路径生肷益忭用佰的朋里悅直，上一叮剡纵向期望速度；Xd2为纵向 路径生成器的纵向期望速度，i(?为纵向路径生成器的纵向期望加速度;Xd为纵向期望位置； ωηχ纵向路径生成器振荡环节固有频率，ζχ纵向路径生成器振荡环节相对阻尼比，δχ为纵向 路径生成器设计参数； 横向路径生成器为：ydlS横向路径生成器作用后的期望纵向位置，λη为上一时刻的横向期望速度;yd2为横 向路径生成器作用后的横向期望速度，九2为横向路径生成器的期望纵向加速度;yd为横向 期望位置；ω ηγ横向路径生成器振荡环节固有频率，ζγ横向路径生成器振荡环节相对阻尼 比，横向路径生成器设计参数； 所述的艏向路径生成器：Φ<η为艏向路径生成器作用后的期望纵向位置，#V,为上一时刻的艏向期望速度;加2为艏 向路径生成器作用后的艏向期望速度，为艏向路径生成器的期望纵向加速度;加为艏向 期望位置；ωηΦ艏向路径生成器振荡环节固有频率，ζφ艏向路径生成器振荡环节相对阻尼 比，心为艏向路径生成器设计参数。4. 根据权利要求1所述的一种基于等效干扰补偿的船舶动力定位控制系统，其特征在 于： 所述的纵向误差反馈控制器为：ΤχΟ - kxlfalxl ( θχ? , 〇xl , δχ) +kx2f&lx2 ( Θχ2 , 〇χ2 , δχ) 其中，exl为纵向期望位置站与纵向位置估计f的误差，ex2为纵向期望速度4与纵向速 度估计i.的误差，kxi为误差exi的控制增益kx2为误差eX2的控制增益，αχι为误差e xi的控制参 数，αχ2为误差eX2的控制参数，δχ为纵向反馈控制器参数，€&1\1(6\1，(^ 1人)为误差6\1的饱和 函数，€&]^2(6^，<^2人)为误差6^的饱和函数； 所述的横向误差反馈控制器为：TyO - kylfalyl ( Gyl, Qyi, Oy) +ky2f&ly2 ( Θγ2 , Cly2 , 〇y) 其中，eyl为横向期望位置ydl与横向位置估计I的误差，ey2为横向期望速度九 1与横向速 度估计f的误差，kyl为误差eyl的控制增益ky2为误差ey2的控制增益，a yl为误差eyl的控制参 数，ay2为误差ey2的控制参数，δ γ为横向反馈控制器参数，€&1^(6^，(^1义)为误差6^的饱和 函数，€&10(60，％2义)为误差 60的饱和函数； 所述的艏向误差反馈控制器为：Τφ〇 = kij)lf alij)l ( Θφ?, 〇φ1, 〇iJ))+kiJ)2f &1φ2 ( Θφ2 , 〇φ2 , 〇φ) 其中，e?为艏向期望位置Φ<η与艏向位置估计#的误差，_为艏向期望速度^与艏向速 度估计#的误差，kw为误差ΘΦ1的控制增益kw为误差θΦ2的控制增益，α Φ1为误差ew的控制参 数，αφ2为误差ΘΦ2的控制参数，δφ为艏向反馈控制器参数，€&1 1])1(61])1，€[1))1，5 1)))为误差61])1的饱和 函数，€&11] )2(61])2，(^2,31)))为误差6 1])2的饱和函数。5.根据权利要求1所述的一种基于等效干扰补偿的船舶动力定位控制系统，其特征在 于： 所述的动力定位船舶的三自由度低频运动模型为：其中，η为船舶位置和艏向向量，n=[x，y，《，?为船舶位置和艏向向量在地固坐标系下 的速度向量，U为船舶在附体坐标系下的速度向量υ = [U，V，r ]，u，V是船舶横向和纵向速度， r为船舶艏向角速度，J(n)是地固坐标系与附体坐标系之间的转换矩阵；Μ为系统惯性矩 阵;C(u)为与船舶速度有关的科里奥利向心力矩阵;D(u)为与船舶速度有关的阻尼矩阵;b 为低频干扰力，τ为控制向量，τ = [ τ χ，τ y，τ Φ ] ; Μ、C ( υ )、D ( υ )的具体形式为其中，mn、m22、m33为船舶纵向、横向、艏向的系统惯性质量，m23、m 32为船舶横向与艏向耦 合的系统惯性质量;c12、c21为船舶纵向与横向耦合的科里奥利向心力，c13、c 31是纵向与艏向 親合的科里奥利向心力，C23、C32是横向与艏向親合的科里奥利向心力;dll、d22、d33为船舶纵 向、横向、艏向的阻尼，d 23、d32为船舶纵向与艏向耦合的阻尼;将系统模型M、C(u)、D(u)中 的耦合项以及船舶运动模型中的非线性项和外部环境扰动如风、浪、流作为等效干扰来处 理，则船舶模型转化为： 船舶纵荡运动模型： ：= X2 船舶横荡运动模型：船舶艏摇运动模型：其中，X1，X2为船舶模型转化后的纵向位置、纵向速度，fx( xl，x2)为转化后的与纵向位 置、速度相关的非线性函数，Px为转化后的纵向控制力系数，τχ为纵向控制力，bx为包含系统 内部耦合和外部环境扰动的纵向等效干扰 ;yi，y2为船舶模型转化后的横向位置、速度，fy (yi，y2)为转化后的与横向位置、速度相关的非线性函数，py为转化后的横向控制力系数，i y 为横向控制力，by为包含系统内部耦合和外部环境扰动的横向等效干扰;ih，Φ2为船舶模型 转化后的艏向角、艏向角速度，?φ(Φ?，Φ2)为转化后的与艏向角度、角速度相关的非线性函 数，ΡΦ为转化后的艏向控制力系数，τ φ为艏向控制力矩，13Φ为包含系统内部耦合和外部环境 扰动的艏向等效干扰。
【文档编号】G05D1/02GK105867382SQ201610312435
【公开日】2016年8月17日
【申请日】2016年5月12日
【发明人】夏国清, 薛晶晶, 刘彩云, 陈兴华
【申请人】哈尔滨工程大学