一种基于环境估计的船舶运动补偿控制方法
【专利摘要】本发明涉及动力定位控制领域，具体涉及一种基于环境估计的船舶运动补偿控制方法。本发明包括：通过船上安装的传感器系统来测量船舶的位置和艏向；利用卡尔曼滤波器滤除掉波浪干扰中的高频部分和测量传感器在测量船舶位置和艏向过程中产生的测量噪声，将得到的满足精度要求的船舶的位置和艏向信息发送给状态反馈控制器；在无风静水的海洋环境下，根据具体设计的控制器的不同调节相应的参数；根据环境估计算法对作用在船舶上的外界环境干扰力进行估计；将控制器得出的控制力与估计出的环境干扰力相减得出船舶推进器推力及转矩，从而控制船舶运动。本发明所设计的船舶运动控制方法，在不同海况下船舶运动控制器无需切换控制器算法及其参数。
【专利说明】
一种基于环境估计的船舶运动补偿控制方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及动力定位控制领域，具体涉及一种基于环境估计的船舶运动补偿控制方法。
【背景技术】
[0002]对海洋进行充分地探索和研究，进行合理而有效的资源开采，对人类社会的发展起着不可估量的作用。随着海洋资源开采不断向深海推进，现如今的一些海上作业平台，比如浮式生产储油轮、海洋钻井平台等，虽然仍可以完成油气开采、铺管铺缆、海洋地质勘探等，但综合考虑效果均不理想。在此背景下，船舶动力定位系统(Dynamic Posit1ningSystem，简称DPS)应运而生。近年来，动力定位系统对获取海洋资源的主导权起着关键性的作用。船舶动力定位系统是一种通过推进系统产生推力以抵抗外界的环境干扰(风、波浪和海流)，从而动态控制船舶定位在某确定的位置或按照一定的预设航线航行的技术。
[0003]海洋环境变化多端，运动过程中船舶要抵抗不同的环境外力。而控制不同环境合外力影响下的船舶运动，需要调整不同的控制器参数，所以在变化不定的海洋环境中，为保证船舶运动的控制精度不是一件易事。目前，较为先进的控制方法是混杂控制，但是船舶运动控制器需要根据海况的变化自动切换控制算法及其相应参数，比较复杂。本专利中所设计的船舶运动控制方法，在不同海况下船舶运动控制器无需切换控制器算法及其参数。目前国内外文献中，尚未出现过采用本方法的船舶运动控制器。
【发明内容】
[0004]本发明的目的是提供一种在海况变化时可以使船舶运动控制器不必调整控制算法参数，而使船舶保持运动精度的基于环境估计的船舶运动补偿控制方法。
[0005]本发明的目的是这样实现的:
[0006]步骤1:通过船上安装的传感器系统来测量船舶的位置和艏向；
[0007]步骤2:利用卡尔曼滤波器滤除掉波浪干扰中的高频部分和测量传感器在测量船舶位置和艏向过程中产生的测量噪声，将得到的满足精度要求的船舶的位置和艏向信息发送给状态反馈控制器；
[0008]步骤3:在无风静水的海洋环境下，根据具体设计的控制器的不同调节相应的参数；
[0009]步骤4:根据环境估计算法对作用在船舶上的外界环境干扰力进行估计；
[0010]步骤5:将控制器得出的控制力与估计出的环境干扰力相减得出船舶推进器推力及转矩，从而控制船舶运动。
[0011]环境干扰力为:
[0012]Tm {?) = β+Κ^Μν
[0013]式中，fenv=[f?nA-,ft?n,.,r,?uV]r为环境作用估计，分别对应环境干扰对船舶的纵向、横向合力和艏向合力矩，K。是一个设定的整定对称常矩阵，β是中间辅助变量:
[0014]β = -Κ0β - K,(-D(V)V-μ + τ+ Κ!ΛΜν)
[0015]环境作用的估计偏差:
[0016]Tenv =Tenv -Tmv
[0017]τ _对应实际的环境干扰对船舶的作用，对应估计出的环境干扰对船舶的作用的微分为:
^env= β+Κ^Μ ^
—-Κ、、β — Ktt(—D(v)v — μ + τ + K11Mv) + KuMM 丨{—D(y)v — μ+τ + Tenv)
= -KJB+KMv-r )
[0018]0 envJ
=Ki^Tcm-{β +KnMv))
= K0(Jenv-^env)
= K0Tenv
[0019]Tenv = iem.— Tmv = Tenv — K0Tenv
O
[0020]控制器计算出的控制力减去估计出的环境力，得出船舶推进器推力及转矩，控制方法中的控制器采用任何可以应用于船舶运动控制的控制算法。
[0021 ] 控制算法为PID算法:
[0022]PID控制器为:
[0023]u = Κρηε + K, ? η-- + Kv 也
J dl
[0024]Kp,K1和Kd为PID算法中的比例系数；Πe为船舶期望目标位置姿态nd和实际位置姿态n之间的偏差，即ne = nd-n, n = [χ,y, ψ]τ，分别对应船舶实际北东位置和艏向角；nd = [xd, yd, vd]T，对应船舶期望北东位置和艏向角，船舶推进器输出推力与力矩为:
[0025]T = U- Tmv
O
[0026]本发明的有益效果在于:
[0027]本发明所设计的船舶运动控制方法，在不同海况下船舶运动控制器无需切换控制器算法及其参数。
【专利附图】
【附图说明】
[0028]图1为本发明方法流程图；
[0029]图2为本发明系统结构方框图。
【具体实施方式】
[0030]下面结合附图对本发明作进一步的描述。
[0031]基于环境估计的船舶运动补偿控制方法，
[0032]步骤1:通过船上安装的传感器系统来测量船舶的位置和艏向；
[0033]步骤2:利用卡尔曼滤波器滤除掉波浪干扰中的高频部分和测量传感器在测量船舶位置和艏向过程中产生的测量噪声，将得到的满足精度要求的船舶的位置和艏向信息发送给状态反馈控制器；
[0034]步骤3:在无风静水的海洋环境下，根据具体设计的控制器的不同调节相应的参数。
[0035]步骤4:根据环境估计算法对作用在船舶上的外界环境干扰力进行估计。
[0036]步骤5:将控制器得出的控制力与估计出的环境干扰力相减得出船舶推进器推力及转矩，从而控制船舶运动。
[0037]步骤2中，卡尔曼滤波器采用强跟踪扩展卡尔曼滤波。
[0038]步骤3中，控制器采用应用最普遍的PID控制器。
[0039]步骤4中，估计出的环境外力由以下公式计算获得:
[0040]τ.ιη(() =/J+K0Mv
[0041]式中，?_=mv]r为环境作用估计，分别对应环境干扰对船舶的纵向、
横向合力和艏向合力矩。K。是一个设定的整定对称常矩阵，β是一个中间辅助变量，可由以下公式计算得到:
[0042]β = -Κ{)β - K(){-D{v)v -μ + τ + KttMv)
[0043]附图1是基于环境估计的船舶运动补偿控制流程图，描述了船舶运动控制器的处理过程。
[0044]本发明的目的按如下步骤实现:
[0045]步骤1:通过船上安装的传感器系统来测量船舶的位置和艏向；
[0046]通过卫星定位系统GPS测得船舶的北东位置，通过电罗经测得船舶的艏向信息，共同构成船舶的位置信息。
[0047]步骤2:通过位置参考系统测得的位置信息包含测量噪声和高频干扰，将测得的位置信息进行滤波，得到滤除测量噪声和高频干扰的船舶位置和艏向
[0048]n = [x, y, ψ]τ
[0049]其中χ为大地坐标系船舶的北向位置，y为大地坐标系下船舶的东向位置，Ψ为船舶的艏向值。
[0050]滤波采用强跟踪扩展卡尔曼滤波器，将得到的船舶位置和艏向信息发送给状态反馈控制器。
[0051]步骤3:在无风静水的海洋环境下，根据具体设计的控制器的不同调节相应的参数；
[0052]本发明中采用的是非常基础和非常实用的PID控制器。PID控制器鲁棒性很强，对被控对象的特性变化不太敏感。在PID控制中，比例环节,积分环节和微分环节的控制是相互影响的，其参数选取的好坏直接影响PID控制器的控制效果。各环节的作用如下:
[0053]比例环节(Kp)的调整，控制器成比例的产生控制作用，达到减小偏差的效果；
[0054]积分环节(Ki)的调整，主要作用为消除静态误差，积分作用不能调节的太强，会导致系统不稳定；
[0055]微分环节(Kd)的调整，影响系统的动态特性，等于是提前引入修正信号，加快系统调整速度。
[0056]根据PID控制器中的三个环节对系统的不同影响及相互之间的影响合理的选取PID的参数。
[0057]步骤4:根据环境估计算法对作用在船舶上的外界环境干扰力进行估计。
[0058]根据环境估计算法对外界环境干扰进行估计。
[0059]令Ktm，LmU为环境作用的估计，其计算表达式如下式所示:
[0060]τ,ιη {1) = β f K0Mv
[0061]式中，Ktl是一个设定的整定对称常矩阵，β是一个中间辅助变量，β由下式计算可以获得。
[0062]/) = - K(、β _ K'、{-D{v、v _ μ + τ + KV}Mv)
[0063]定义环境作用的估计偏差:
「00641 T ~ T —T
LWWT」^env^env
[0065]式中，τ _对应实际的环境干扰对船舶的作用，Lv对应估计出的环境干扰对船舶的作用。
[0066]Tenv的微分为
Iuv^/3+KuMv
~ — Kf)(—D(v)v — ρ + τ + KnM V) + KtyMM 1 (-D(v)v — μ + τ + τ(,ηΛ,)
= -ΚΛβ +Κ,Μν-τ )
[0067]oKF 0額,
= Ky){Tt,llv-1fi + KvMv))
= - U
= K0Tenv
[0068]所以
[0069]Tenv = i_ - Tem.= ienr -K0Ttpv
[0070]通过上式可以很容易证明该环境估计器的稳定性。
[0071]步骤5:控制器计算出的控制力减去估计出的环境力，得出船舶推进器推力及转矩，从而控制船舶的运动。该控制方法中的控制器可以采用任何可以应用于船舶运动控制的控制算法，从步骤3可知本发明中的控制器采用的是最普遍的PID控制算法。
[0072]PID控制器由式表示:
[0073]u = KpIi + K, j η/-- + Kn
[0074]式中，Kp, K1和Kd为PID算法中的比例系数；为船舶期望目标位置姿态！^和实际位置姿态n之间的偏差，即ne = nd-n。其中，n = [χ,y, ψ]τ，分别对应船舶实际北东位置和艏向角；nd = [xd, yd, vd]T，分别对应船舶期望北东位置和艏向角。
[0075]最终，船舶推进器输出推力与力矩为:
[0076]T=U-T
[0077]附图2是基于环境估计的船舶运动补偿控制系统的结构方框图。
【权利要求】
1.一种基于环境估计的船舶运动补偿控制方法，其特征在于: 步骤1:通过船上安装的传感器系统来测量船舶的位置和艏向； 步骤2:利用卡尔曼滤波器滤除掉波浪干扰中的高频部分和测量传感器在测量船舶位置和艏向过程中产生的测量噪声，将得到的满足精度要求的船舶的位置和艏向信息发送给状态反馈控制器； 步骤3:在无风静水的海洋环境下，根据具体设计的控制器的不同调节相应的参数； 步骤4:根据环境估计算法对作用在船舶上的外界环境干扰力进行估计； 步骤5:将控制器得出的控制力与估计出的环境干扰力相减得出船舶推进器推力及转矩，从而控制船舶运动。
2.根据权利要求1所述的一种基于环境估计的船舶运动补偿控制方法，其特征在于: 所述环境干扰力为:
f‘,,? ^t) = β +K0Mv 式中，t,'' =Ltn^tnr,为环境作用估计，分别对应环境干扰对船舶的纵向、横向合力和艏向合力矩，Ktl是一个设定的整定对称常矩阵，β是中间辅助变量:β = -KJ1- K() (-D(v)v-μ + τ + KnMv) 环境作用的估计偏差:
_ Tenv ^env
对应实际的环境干扰对船舶的作用，f￡m对应估计出的环境干扰对船舶的作用，Lv的微分为:
L' =β + Κ()Μν
=-KJ — K0(-D(y)v-μ + τ + KnMv) + KnMM 1 (-D(v)v-μ+τ f r?；1.)
= -Κ{)(β +K0Mv-TeJ
= [u(r?.- U
= K0Tenv
^env = ^env ~^env = ^em- - [0(m.0
3.根据权利要求1所述的一种基于环境估计的船舶运动补偿控制方法，其特征在于:用所述控制器计算出的控制力减去估计出的环境力，得出船舶推进器推力及转矩，控制方法中的控制器采用任何可以应用于船舶运动控制的控制算法。
4.根据权利要求3所述的一种基于环境估计的船舶运动补偿控制方法，其特征在于:所述的控制算法为PID算法: PID控制器为:
U = KpIj1.+K1^ ιι.?+ Kn^- Kp, K1和Kd为PID算法中的比例系数；Π e为船舶期望目标位置姿态Π d和实际位置姿态η之间的偏差，即ne = nd-n, n = [x,y, ψ]τ,分别对应船舶实际北东位置和艏向角；nd= [xd,yd, vd]T，对应船舶期望北东位置和艏向角，船舶推进器输出推力与力矩为:T-U-τ
【文档编号】G05B13/04GK104181815SQ201410407012
【公开日】2014年12月3日 申请日期:2014年8月19日 优先权日:2014年8月19日
【发明者】王元慧, 庹玉龙, 董胜伟, 付明玉, 王修强, 窦向会, 赵大威, 冯华, 陶顺行, 魏飞飞 申请人:哈尔滨工程大学