CN109917657B - 动力定位船舶的抗干扰控制方法、装置与电子设备 - Google Patents

Abstract

本发明实施例提供一种动力定位船舶的抗干扰控制方法、装置与电子设备，其中该方法包括：通过分析所述动力定位船舶的运动特性和动力特征，考虑海洋风、浪和流等的环境干扰，建立所述动力定位船舶的状态空间数学模型；基于所述状态空间数学模型，设计干扰观测器并利用其获取所述动力定位船舶的外部环境干扰预估量；基于所述外部环境干扰预估量，设计抗干扰控制器，并基于所述抗干扰控制器、所述状态空间数学模型和所述外部环境干扰预估量，获取抗干扰控制闭环系统；基于所述抗干扰控制闭环系统，对所述动力定位船舶进行基于干扰补偿的抗干扰控制。本发明实施例在保证控制精度和控制稳定性的同时，有效降低模型复杂度和控制过程计算量。

Description

动力定位船舶的抗干扰控制方法、装置与电子设备

技术领域

本发明实施例涉及船舶定位技术领域，更具体地，涉及一种动力定位船舶的抗干扰控制方法、装置与电子设备。

背景技术

船舶动力定位系统(Dynamic Positioning System,DPS)是指动力定位船舶依靠自身的推进装置产生推力，使得船舶保持一定的姿态或者沿着固定的轨迹航行的控制系统。船舶动力定位系统在钻井平台和供给船等船舶上得到了广泛应用并取得了较好的效果。

然而，船舶在海洋环境中航行会受到来自周围海洋环境干扰的影响，如风、浪、流等不确定海洋环境。目前，为了克服这些影响，针对船舶动力定位系统的控制方法主要有自适应控制、PID控制、反步法控制、神经网络控制，模糊控制等。由于风、浪、流等环境干扰具有难以预测性，对于实际的船舶运动，自适应控制方法并不能有效解决动力定位系统的控制问题，传统的PID控制也无法满足船舶控制精度和稳定性的要求，而反步法控制、神经网络控制，模糊控制等，又对控制对象模型要求较高且计算量大，实用性较差。

发明内容

为了克服上述问题或者至少部分地解决上述问题，本发明实施例提供一种动力定位船舶的抗干扰控制方法、装置与电子设备，用以在保证控制精度和控制稳定性的同时，有效降低模型复杂度和控制过程计算量。

第一方面，本发明实施例提供一种动力定位船舶的抗干扰控制方法，包括：

通过分析所述动力定位船舶的运动特性和动力特征，结合海洋风、浪和流的环境干扰，建立所述动力定位船舶的状态空间数学模型；

基于所述状态空间数学模型，设计干扰观测器，并利用所述干扰观测器，获取所述动力定位船舶的外部环境干扰预估量；

基于所述外部环境干扰预估量，设计抗干扰控制器，并基于所述抗干扰控制器、所述状态空间数学模型和所述外部环境干扰预估量，获取所述动力定位船舶的抗干扰控制闭环系统；

基于所述抗干扰控制闭环系统，对所述动力定位船舶进行基于干扰补偿的抗干扰控制。

第二方面，本发明实施例提供一种动力定位船舶的抗干扰控制装置，包括：

第一建模模型，用于通过分析所述动力定位船舶的运动特性和动力特征，结合海洋风、浪和流的环境干扰，建立所述动力定位船舶的状态空间数学模型；

第二建模模型，用于基于所述状态空间数学模型，设计干扰观测器，并利用所述干扰观测器，获取所述动力定位船舶的外部环境干扰预估量；

第三建模模型，用于基于所述外部环境干扰预估量，设计抗干扰控制器，并基于所述抗干扰控制器、所述状态空间数学模型和所述外部环境干扰预估量，获取所述动力定位船舶的抗干扰控制闭环系统；

控制模块，用于基于所述抗干扰控制闭环系统，对所述动力定位船舶进行基于干扰补偿的抗干扰控制。

第三方面，本发明实施例提供一种电子设备，包括：至少一个存储器、至少一个处理器、通信接口和总线；所述存储器、所述处理器和所述通信接口通过所述总线完成相互间的通信，所述通信接口用于所述电子设备与动力定位船舶设备之间的信息传输；所述存储器中存储有可在所述处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时，实现如上第一方面所述的动力定位船舶的抗干扰控制方法。

第四方面，本发明实施例提供一种非暂态计算机可读存储介质，所述非暂态计算机可读存储介质存储计算机指令，所述计算机指令使所述计算机执行如上第一方面所述的动力定位船舶的抗干扰控制方法。

本发明实施例提供的动力定位船舶的抗干扰控制方法、装置与电子设备，针对受风、浪、流等环境干扰影响的动力定位船舶，通过分析外部环境干扰，建立包含未知环境干扰的船舶数学模型，并基于此分别建立干扰观测器以对外部环境干扰进行估计，建立抗干扰控制器以基于估计的外部环境干扰对实际外部环境干扰进行抑制和补偿，能够有效提高船舶动力定位系统的稳定性和控制精度。同时，由于所设计的模型结构简单，能够有效降低模型复杂度和控制过程计算量。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明一实施例提供的动力定位船舶的抗干扰控制方法的流程示意图；

图2为本发明另一实施例提供的动力定位船舶的抗干扰控制方法的流程示意图；

图3为本发明实施例提供的动力定位船舶的抗干扰控制装置的结构示意图；

图4为本发明实施例提供的电子设备的实体结构示意图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明实施例的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明实施例中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明实施例保护的范围。

本发明实施例针对现有技术中或控制精度不高且稳定性差，或运算复杂计算量大的问题，针对受风、浪、流等环境干扰影响的动力定位船舶，通过分析外部环境干扰，建立包含未知环境干扰的船舶数学模型，并基于此分别建立干扰观测器以对外部环境干扰进行估计，建立抗干扰控制器以基于估计的外部环境干扰对实际外部环境干扰进行抑制和补偿，能够有效提高船舶动力定位系统的稳定性和控制精度。同时，由于所设计的模型结构简单，能够有效降低模型复杂度和控制过程计算量。以下将具体通过多个实施例对本发明实施例进行展开说明和介绍。

图1为本发明一实施例提供的动力定位船舶的抗干扰控制方法的流程示意图，如图1所示，该方法包括：

S101，通过分析动力定位船舶的运动特性和动力特征，结合海洋风、浪和流的环境干扰，建立动力定位船舶的状态空间数学模型。

可以理解为，本发明实施例首先会对待控制的动力定位船舶自身及其所处的海洋环境进行分析。具体的，对于动力定位船舶自身，分别从其运动特性和动力特性两方面进行分析，得到其特性方程。对于包含海洋风、浪和流等的环境干扰，通过模拟其对动力定位船舶的作用力，得到其等效的描述形式。在此基础上，根据海洋风、浪和流的环境干扰的等效描述形式，以及动力定位船舶的运动特性和动力特性方程，对动力定位船舶在外部海洋环境干扰下的状态进行综合建模，得到动力定位船舶包含外部海洋环境干扰的状态空间数学模型。

S102，基于状态空间数学模型，设计干扰观测器，并利用干扰观测器，获取动力定位船舶的外部环境干扰预估量。

可以理解为，在得到动力定位船舶包含外部海洋环境干扰的状态空间数学模型的基础上，通过分析该状态空间数学模型，获知动力定位船舶实际航行中与外部海洋环境干扰相关的关键因素，并基于此设计干扰观测器。然后，用动力定位船舶的状态空间数学模型模拟实际的船舶航行情况，并利用干扰观测器对其进行观测，预估外部海洋环境对动力定位船舶的干扰，也即得到动力定位船舶的外部环境干扰预估量。

S103，基于外部环境干扰预估量，设计抗干扰控制器，并基于抗干扰控制器、状态空间数学模型和外部环境干扰预估量，获取动力定位船舶的抗干扰控制闭环系统。

可以理解为，在根据上述分析得到船舶受外部环境干扰预估量的基础上，根据该预估量设计抗干扰控制器，以准确抑制和补偿动力定位船舶受外部海洋环境干扰的影响。之后，设计本发明实施例的抗干扰控制为闭环系统控制，则需要对该闭环系统进行构建和设置。具体而言，首先基于外部环境干扰预估量，来分析干扰观测器的观测误差，再引入维纳过程控制思路，将动力定位船舶的状态空间数学模型、设计的抗干扰控制器以及干扰观测器的观测误差进行联合，得到动力定位船舶的抗干扰控制闭环系统。

S104，基于抗干扰控制闭环系统，对动力定位船舶进行基于干扰补偿的抗干扰控制。

本发明实施例的最后，在得到动力定位船舶的抗干扰控制闭环系统的基础上，根据该控制闭环系统以及干扰观察器观察到的外部海洋环境干扰，通过设计基于干扰观测器的抗干扰控制器，来对动力定位船舶的实际外部海洋环境干扰进行抑制和补偿，实现对动力定位船舶的抗干扰控制。

本发明实施例提供的动力定位船舶的抗干扰控制方法，针对受风、浪、流等环境干扰影响的动力定位船舶，通过分析外部环境干扰，建立包含未知环境干扰的船舶数学模型，并基于此分别建立干扰观测器以对外部环境干扰进行估计，建立抗干扰控制器以基于估计的外部环境干扰对实际外部环境干扰进行抑制和补偿，能够有效提高船舶动力定位系统的稳定性和控制精度。同时，由于所设计的模型结构简单，能够有效降低模型复杂度和控制过程计算量。

其中，根据上述各实施例可选的，建立动力定位船舶的状态空间数学模型的步骤具体包括：

首先，本发明实施例通过分析动力定位船舶的运动特性，建立动力定位船舶的运动学模型，并通过分析动力定位船舶的动力特性，建立动力定位船舶的动力学模型。也就是说，本发明实施例在建立动力定位船舶的状态空间数学模型时，先分别对动力定位船舶的运动特性和动力特性进行分析，以得到相应特性的数学表达。

具体而言，建立动力定位船舶的运动学模型的步骤具体包括：

先获取动力定位船舶在大地坐标系下的位置信息(x，y)和艏向角度信息ψ，并获取动力定位船舶在船舶附体坐标系下的纵荡速度u、横荡速度v和艏摇角速度r。在此基础上，通过坐标转换，得到船舶附体坐标系下船舶速度到大地坐标系下船舶速度的变换关系，即为获取的动力定位船舶的运动学模型，具体如下：

式中，η＝[x，y，ψ]^T表示位置信息(x，y)和艏向角度信息ψ构成的向量，x、y分别表示动力定位船舶在大地坐标系下的横坐标和纵坐标，υ＝[u，v，r]表示纵荡速度u、横荡速度v和艏摇角速度r构成的向量，R(ψ)表示大地坐标系向船舶附体坐标系变换的旋转矩阵。

具体而言，建立动力定位船舶的动力学模型的步骤具体包括：

将船舶附体坐标系的原点取为舯横剖面和舯纵剖面相交的交线上，则动力定位船舶在水平面的运动方程可表示为：

式中，X_H，Y_H，N_H为大地坐标系下的水动力，其方向分别为动力定位船舶的纵荡方向、横荡方向和艏摇方向。在水平面运动时，它们是船舶受到的最主要的水动力。

其中可选的，若定义标量G为广义水动力，则其可代表上述X_H，Y_H，N_H中任何一个水动力。假定在研究的一个时间段内，流场特性保持相对确定不变，则水面船舶水动力只是船舶运动状态和操作控制量的函数，即

另外，基于上述运动方程，如果船舶沿着轴以速度不变的状态航行，则可以进一步将动力定位船舶的动力学方程整理为如下形式：

其中：

其中，如果船舶沿着X轴以速度不变的状态航行，则选这种船舶运行状态为G泰勒级数展开的基准状态，可得u＝U。

令

则有：

在上述假设的基础上，若动力定位船舶沿大地坐标系的x轴以小于预设阈值的速度匀速航行，也即船舶在低速的运行状态下航行，则二次速度项与其它相比将会很小，可以忽略，因此得动力学模型如下：

式中，X_k表示所述动力定位船舶在船舶附体坐标系下的参量k旋转变换至大地坐标系时沿X轴方向的水动力，k取为u或

Y_l，N_l分别表示动力定位船舶在船舶附体坐标系下的参量l旋转变换至大地坐标系时沿Y轴和Z轴方向的水动力，其中l为v、r、

或

m表示动力定位船舶的质量，I_Z表示绕Z轴的惯性矩，ω₁、ω₂、ω₃表示海洋风、浪和流的环境干扰作用于动力定位船舶船体上的等效时变作用力和力矩，τ₁、τ₂、τ₃分别表示动力定位船舶的推进装置沿着纵荡方向、横荡方向和艏摇方向分别产生的纵荡力、横荡力和艏摇力矩，x_G表示所述动力定位船舶的重心，

分别表示所述动力定位船舶在纵荡方向、横荡方向和艏摇方向上的加速度。

其中，可进一步将动力学模型表示为矩阵形式如下：

其中，

式中，τ＝[τ₁，τ₂，τ₃]^T是由力与力矩组成的三维列向量，分别为推进装置沿着纵荡方向、横荡方向产生和艏摇方向产生的纵荡力、横荡力和艏摇力矩，M为包含附加质量的惯性矩阵，D为线性阻尼矩阵，m是船舶的质量，I_Z是绕Z轴的惯性矩。除此之外，船舶还可以配备控制面和方向舵。

于是，在上述分析的基础上，可得到动力定位船舶的数学模型为：

其次，本发明实施例利用一阶马尔科夫过程，模拟海洋风、浪和流的环境干扰的作用力，获取外部环境干扰模型。

可以理解，对于限制于低频运动的控制应用，可以假设附加惯性为零波频率，即

沿相应轴加速度作用下的浪涌、摇摆和偏航的零频附加质量定义为

由于船舶在海洋水面运行时，会受到波浪漂移和层流表面摩擦的影响，因此会产生线性阻尼矩阵D，是严格正定的。ω＝[ω₁，ω₂，ω₃]^T代表风、浪、流等环境干扰作用于船体上的等效时变作用力和力矩，是一个恒定(或缓慢变化)的偏差项。

则，可基于等效时变作用力和力矩ω₁、ω₂和ω₃构成的干扰向量ω(t)＝[ω₁，ω₂，ω₃]^T，通过利用一阶马尔科夫过程模拟海上环境因素引起的缓慢变化的环境干扰作用力，来描述该缓慢变化环境干扰，得到外部环境干扰模型如下：

式中，T∈R^3×3为时间常数正定对角矩阵，Ψ∈R^3×3为高斯白噪声幅值正定对角矩阵，n∈R³为有界的零均值高斯白噪声向量，记为||n||²≤D₀，D₀为正常数。

最后，本发明实施例基于运动学模型、动力学模型和外部环境干扰模型，获取状态空间数学模型。具体而言，在得到动力定位船舶的运动学模型、动力学模型和外部环境干扰模型的基础上，对三者进行综合，并变换到状态空间，得到动力定位船舶的状态空间数学模型如下：

式中：

X(t)＝[η^T υ^T]，

C＝[I_3×3 0_3×3]，τ(t)＝[τ₁，τ₂，τ₃]^T表示推进装置沿着纵荡方向、横荡方向和艏摇方向分别产生的纵荡力τ₁、横荡力τ₂和艏摇力矩τ₃构成的补偿向量，X(t)表示状态空间数学模型的系统状态，A，B，E，C分别表示状态空间数学模型的系统矩阵、输入矩阵、干扰系数矩阵和输出矩阵。

根据上述各实施例，本发明实施例在得到动力定位船舶包含外部海洋环境干扰的状态空间数学模型的基础上，设计干扰观测器。具体本发明实施例基于状态空间数学模型，设计干扰观测器对船舶动力定位系统外部环境干扰力矩进行实时估计，干扰观测器具体如下：

式中，q(t)表示干扰观测器的辅助状态向量，L表示干扰观测器的增益矩阵，

表示外部环境干扰预估量，为对干扰向量ω(t)的预估值。

根据上述各实施例，本发明实施例在得到船舶受外部环境干扰预估量的基础上，根据该预估量设计抗干扰控制器，以对外部环境干扰进行抑制和补偿。具体的，基于外部环境干扰预估量

构建抗干扰控制器如下：

式中，K表示抗干扰控制器的增益矩阵。

另外，设计本发明实施例的抗干扰控制为闭环系统控制，则需要对该闭环系统进行构建和设置。具体而言：首先定义干扰观测器的观测误差为：

则可得其导数公式：

其次，用dW(t)/dt替换n(t)，获取上述导数公式的一般等价方程为：de_ω(t)＝(-T^-1-LE)e_ω(t)d(t)+ΨdW(t)，其中dW(t)为独立的维纳过程。

最后，将状态空间数学模型、抗干扰控制器和一般等价方程联合，获取抗干扰控制闭环系统如下：

本发明实施例将前馈补偿器和反馈控制器相结合达到补偿干扰的目的，因而具有控制精度高的特点，提升了系统的抗干扰性能与控制精度。

另外，在上述各实施例的基础上，本发明实施例利用极点配置和线性矩阵不等式(Linear Matrix Inequality，LMI)相结合的方法，调节干扰观测器及抗干扰控制器的增益矩阵，以最终实现本发明实施例方法的有效性。具体而言，在获取抗干扰控制闭环系统的步骤之后，本发明实施例的方法还包括：

利用极点配置法，调整干扰观测器的增益矩阵L，以使干扰观测器的跟踪性能和收敛速度满足设定要求，也即提高干扰的跟踪性能，并加快干扰的收敛速度；利用线性矩阵不等式LMI算法，调节抗干扰控制器的增益矩阵K，以对所述动力定位船舶的抗干扰控制进行镇定。例如，假设存在矩阵Q₁＞0，Q₂＞0和R₁，R₂满足：

其中：

则可据此求解抗干扰控制器的增益矩阵K。

本发明实施例通过设计LMI，调节控制增益K，对船舶动力定位系统进行镇定，能够使控制满足稳定性要求。另外本发明实施例很大程度的简化了控制器的设计过程，利用极点配置和LMI相结合的方法，求解干扰观测器及抗干扰控制器的增益矩阵验证方法的有效性，避免了现有方法对控制对象模型要求较高，计算量大的问题。

为进一步说明本发明实施例的技术方案，本发明实施例根据上述各实施例提供如下具体的处理流程，但不对本发明实施例的保护范围进行限制。

如图2所示，为本发明另一实施例提供的动力定位船舶的抗干扰控制方法的流程示意图，该实施例中首先考虑未知时变环境干扰，建立船舶动力定位系统的数学模型，再设计干扰观测器对外部环境干扰力矩进行估计，再基于干扰观测器设计抗干扰控制器，最后调节干扰观测器及抗干扰控制器的增益矩阵，对控制系统进行镇定。具体包括以下处理流程：

首先，考虑风、浪和流等的未知时变环境干扰，根据动力定位船舶的动力学和运动学方程，建立含有未知时变环境干扰的船舶动力定位系统的数学模型，并给出其状态空间形式，确立干扰项。

其次，基于上述数学模型，设计干扰观测器对动力定位船舶外部环境干扰力矩进行实时估计。

再次，设计基于干扰观测器的动力定位船舶的抗干扰控制器，对外部环境干扰进行抑制和补偿。

最后，通过极点配置，调整观测增益L，以使闭环系统满足干扰观测器的性能，并利用线性矩阵不等式LMI，调节船舶动力定位抗干扰控制器的增益矩阵K，以最终验证方法的有效性。

本发明实施例充分考虑了受风、浪、流等外部环境干扰的船舶动力定位系统，完成了船舶动力定位系统数学模型搭建工作，构造干扰观测器估计干扰，并基于干扰观测器的输出，将前馈补偿器和反馈控制器相结合达到补偿干扰的目的，降低了海洋环境中风、浪、流等环境干扰对船舶动力定位系统的影响，提高船舶动力定位系统的鲁棒性，使得船舶在海洋环境中保持一定的姿态。

作为本发明实施例的另一个方面，本发明实施例根据上述各实施例提供一种动力定位船舶的抗干扰控制装置，该装置用于在上述各实施例中实现动力定位船舶的抗干扰控制。因此，在上述各实施例的动力定位船舶的抗干扰控制方法中的描述和定义，可以用于本发明实施例中各个执行模块的理解，具体可参考上述实施例，此处不在赘述。

根据本发明实施例的一个实施例，动力定位船舶的抗干扰控制装置的结构如图3所示，为本发明实施例提供的动力定位船舶的抗干扰控制装置的结构示意图，该装置可以用于实现上述各方法实施例中动力定位船舶的抗干扰控制，该装置包括：第一建模模型301、第二建模模型302、第三建模模型303和控制模块304。其中：

第一建模模型301用于通过分析动力定位船舶的运动特性和动力特征，结合海洋风、浪和流等的环境干扰，建立动力定位船舶的状态空间数学模型；第二建模模型302用于基于状态空间数学模型，设计干扰观测器，并利用干扰观测器，获取动力定位船舶的外部环境干扰预估量；第三建模模型303用于基于外部环境干扰预估量，设计抗干扰控制器，并基于抗干扰控制器、状态空间数学模型和外部环境干扰预估量，获取动力定位船舶的抗干扰控制闭环系统；控制模块304用于基于抗干扰控制闭环系统，对动力定位船舶进行基于干扰补偿的抗干扰控制。

具体而言，第一建模模型301首先对于动力定位船舶自身，分别从其运动特性和动力特性两方面进行分析，得到其特性方程。对于包含海洋风、浪和流的环境干扰，通过模拟其对动力定位船舶的作用力，得到其等效的描述形式。在此基础上，第一建模模型301根据海洋风、浪和流的环境干扰的等效描述形式，以及动力定位船舶的运动特性和动力特性方程，对动力定位船舶在外部海洋环境干扰下的状态进行综合建模，得到动力定位船舶包含外部海洋环境干扰的状态空间数学模型。

之后，第二建模模型302通过分析上述状态空间数学模型，获知动力定位船舶实际航行中与外部海洋环境干扰相关的关键因素，并基于此设计干扰观测器。然后，第二建模模型302用动力定位船舶的状态空间数学模型模拟实际的船舶航行情况，并利用干扰观测器对其进行观测，预估外部海洋环境对动力定位船舶的干扰，也即得到动力定位船舶的外部环境干扰预估量。

再之后，第三建模模型303根据上述外部环境干扰预估量设计抗干扰控制器，以准确抑制和补偿动力定位船舶受外部海洋环境干扰的影响。并且，第三建模模型303设计本发明实施例的抗干扰控制为闭环系统控制，并对对该闭环系统进行构建和设置。具体而言，第三建模模型303首先基于外部环境干扰预估量，来分析干扰观测器的观测误差，再引入维纳过程控制思路，将动力定位船舶的状态空间数学模型、设计的抗干扰控制器以及干扰观测器的观测误差进行联合，得到动力定位船舶的抗干扰控制闭环系统。

最后，控制模块304根据该控制闭环系统以及干扰观察器观察到的外部海洋环境干扰，通过设计基于干扰观测器的抗干扰控制器，来对动力定位船舶的实际外部海洋环境干扰进行抑制和补偿，实现对动力定位船舶的抗干扰控制。

本发明实施例提供的动力定位船舶的抗干扰控制装置，通过设置相应的执行模块，针对受风、浪、流等环境干扰影响的动力定位船舶，通过分析外部环境干扰，建立包含未知环境干扰的船舶数学模型，并基于此分别建立干扰观测器以对外部环境干扰进行估计，建立抗干扰控制器以基于估计的外部环境干扰对实际外部环境干扰进行抑制和补偿，能够有效提高船舶动力定位系统的稳定性和控制精度。同时，由于设计的模型结构简单，能够有效降低模型复杂度和控制过程计算量。

可以理解的是，本发明实施例中可以通过硬件处理器(hardware processor)来实现上述各实施例的装置中的各相关程序模块。并且，本发明实施例的动力定位船舶的抗干扰控制装置利用上述各程序模块，能够实现上述各方法实施例的动力定位船舶的抗干扰控制流程，在用于实现上述各方法实施例中动力定位船舶的抗干扰控制时，本发明实施例的装置产生的有益效果与对应的上述各方法实施例相同，可以参考上述各方法实施例，此处不再赘述。

作为本发明实施例的又一个方面，本实施例根据上述各实施例提供一种电子设备，参考图4，为本发明实施例提供的电子设备的实体结构示意图，包括：至少一个存储器401、至少一个处理器402、通信接口403和总线404。

其中，存储器401、处理器402和通信接口403通过总线404完成相互间的通信，通信接口403用于该电子设备与动力定位船舶设备之间的信息传输；存储器401中存储有可在处理器402上运行的计算机程序，处理器402执行该计算机程序时，实现如上述各实施例所述的动力定位船舶的抗干扰控制方法。

可以理解为，该电子设备中至少包含存储器401、处理器402、通信接口403和总线404，且存储器401、处理器402和通信接口403通过总线404形成相互间的通信连接，并可完成相互间的通信，如处理器402从存储器401中读取动力定位船舶的抗干扰控制方法的程序指令等。另外，通信接口403还可以实现该电子设备与动力定位船舶设备之间的通信连接，并可完成相互间信息传输，如通过通信接口403实现动力定位船舶的抗干扰控制等。

电子设备运行时，处理器402调用存储器401中的程序指令，以执行上述各方法实施例所提供的方法，例如包括：通过分析动力定位船舶的运动特性和动力特征，结合海洋风、浪和流的环境干扰，建立动力定位船舶的状态空间数学模型；基于状态空间数学模型，设计干扰观测器，并利用干扰观测器，获取动力定位船舶的外部环境干扰预估量；基于外部环境干扰预估量，设计抗干扰控制器，并基于抗干扰控制器、状态空间数学模型和外部环境干扰预估量，获取动力定位船舶的抗干扰控制闭环系统；基于抗干扰控制器，对动力定位船舶进行基于干扰补偿的抗干扰控制等。

上述的存储器401中的程序指令可以通过软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。或者，实现上述各方法实施例的全部或部分步骤可以通过程序指令相关的硬件来完成，前述的程序可以存储于一计算机可读取存储介质中，该程序在执行时，执行包括上述各方法实施例的步骤；而前述的存储介质包括：U盘、移动硬盘、只读存储器(Read-Only Memory，ROM)、随机存取存储器(RandomAccess Memory，RAM)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。

本发明实施例还根据上述各实施例提供一种非暂态计算机可读存储介质，该非暂态计算机可读存储介质存储计算机指令，该计算机指令使计算机执行如上述各实施例所述的动力定位船舶的抗干扰控制方法，例如包括：通过分析动力定位船舶的运动特性和动力特征，结合海洋风、浪和流的环境干扰，建立动力定位船舶的状态空间数学模型；基于状态空间数学模型，设计干扰观测器，并利用干扰观测器，获取动力定位船舶的外部环境干扰预估量；基于外部环境干扰预估量，设计抗干扰控制器，并基于抗干扰控制器、状态空间数学模型和外部环境干扰预估量，获取动力定位船舶的抗干扰控制闭环系统；基于抗干扰控制闭环系统，对动力定位船舶进行基于干扰补偿的抗干扰控制等。

本发明实施例提供的电子设备和非暂态计算机可读存储介质，通过执行上述各实施例所述的动力定位船舶的抗干扰控制方法，针对受风、浪、流等环境干扰影响的动力定位船舶，通过分析外部环境干扰，建立包含未知环境干扰的船舶数学模型，并基于此分别建立干扰观测器以对外部环境干扰进行估计，建立抗干扰控制器以基于估计的外部环境干扰对实际外部环境干扰进行抑制和补偿，能够有效提高船舶动力定位系统的稳定性和控制精度。同时，由于所设计的模型结构简单，能够有效降低模型复杂度和控制过程计算量。

可以理解的是，以上所描述的装置、电子设备及存储介质的实施例仅仅是示意性的，其中作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，既可以位于一个地方，或者也可以分布到不同网络单元上。可以根据实际需要选择其中的部分或全部模块来实现本实施例方案的目的。本领域普通技术人员在不付出创造性的劳动的情况下，即可以理解并实施。

通过以上实施方式的描述，本领域的技术人员可以清楚地了解，各实施方式可借助软件加必需的通用硬件平台的方式来实现，当然也可以通过硬件。基于这样的理解，上述技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品可以存储在计算机可读存储介质中，如U盘、移动硬盘、ROM、RAM、磁碟或者光盘等，包括若干指令，用以使得一台计算机设备(如个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行上述各方法实施例或者方法实施例的某些部分所述的方法。

另外，本领域内的技术人员应当理解的是，在本发明实施例的申请文件中，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个......”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

本发明实施例的说明书中，说明了大量具体细节。然而应当理解的是，本发明实施例的实施例可以在没有这些具体细节的情况下实践。在一些实例中，并未详细示出公知的方法、结构和技术，以便不模糊对本说明书的理解。类似地，应当理解，为了精简本发明实施例公开并帮助理解各个发明方面中的一个或多个，在上面对本发明实施例的示例性实施例的描述中，本发明实施例的各个特征有时被一起分组到单个实施例、图、或者对其的描述中。

然而，并不应将该公开的方法解释成反映如下意图：即所要求保护的本发明实施例要求比在每个权利要求中所明确记载的特征更多的特征。更确切地说，如权利要求书所反映的那样，发明方面在于少于前面公开的单个实施例的所有特征。因此，遵循具体实施方式的权利要求书由此明确地并入该具体实施方式，其中每个权利要求本身都作为本发明实施例的单独实施例。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明实施例的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明实施例进行了详细的说明，本领域的技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明实施例各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (5)

1.一种动力定位船舶的抗干扰控制方法，其特征在于，包括：

通过分析所述动力定位船舶的运动特性和动力特征，结合海洋风、浪和流的环境干扰，建立所述动力定位船舶的状态空间数学模型；

基于所述状态空间数学模型，设计干扰观测器，并利用所述干扰观测器，获取所述动力定位船舶的外部环境干扰预估量；

基于所述外部环境干扰预估量，设计抗干扰控制器，并基于所述抗干扰控制器、所述状态空间数学模型和所述外部环境干扰预估量，获取所述动力定位船舶的抗干扰控制闭环系统；

基于所述抗干扰控制闭环系统，对所述动力定位船舶进行基于干扰补偿的抗干扰控制；

其中，所述建立所述动力定位船舶的状态空间数学模型的步骤具体包括：

通过分析所述动力定位船舶的运动特性，建立所述动力定位船舶的运动学模型，并通过分析所述动力定位船舶的动力特性，建立所述动力定位船舶的动力学模型；

利用一阶马尔科夫过程，模拟所述海洋风、浪和流的环境干扰的作用力，获取外部环境干扰模型；

基于所述运动学模型、所述动力学模型和所述外部环境干扰模型，获取所述状态空间数学模型；

其中，所述建立所述动力定位船舶的运动学模型的步骤具体包括：基于所述动力定位船舶在大地坐标系下的位置信息和艏向角度信息，以及所述动力定位船舶在船舶附体坐标系下的纵荡速度、横荡速度和艏摇角速度，建立所述运动学模型如下：

式中，η＝[x,y,ψ]^T表示所述动力定位船舶在大地坐标系下的位置信息(x,y)和艏向角度信息ψ构成的向量，x、y分别表示所述动力定位船舶在大地坐标系下的横坐标和纵坐标，υ＝[u,v,r]表示所述动力定位船舶在船舶附体坐标系下的纵荡速度u、横荡速度v和艏摇角速度r构成的向量，R(ψ)表示所述大地坐标系向所述船舶附体坐标系变换的旋转矩阵；

所述建立所述动力定位船舶的动力学模型的步骤具体包括：若所述动力定位船舶沿所述大地坐标系的x轴，以小于预设阈值的速度匀速航行，则建立所述动力学模型如下：

式中，X_k表示所述动力定位船舶在船舶附体坐标系下的参量k旋转变换至大地坐标系时沿X轴方向的水动力，k取为u或

Y_l,N_l分别表示所述动力定位船舶在船舶附体坐标系下的参量l旋转变换至大地坐标系时沿Y轴和Z轴方向的水动力，其中l为v、r、

或

m表示所述动力定位船舶的质量，I_Z表示绕Z轴的惯性矩，ω₁、ω₂、ω₃表示所述海洋风、浪和流的环境干扰作用于所述动力定位船舶船体上的等效时变作用力和力矩，τ₁、τ₂、τ₃分别表示所述动力定位船舶的推进装置沿着纵荡方向、横荡方向和艏摇方向分别产生的纵荡力、横荡力和艏摇力矩，x_G表示所述动力定位船舶的重心，

分别表示所述动力定位船舶在纵荡方向、横荡方向和艏摇方向上的加速度；

将所述动力学模型表示为矩阵形式如下：

其中，

式中，M为包含附加质量的惯性矩阵，D为线性阻尼矩阵；

其中，所述获取外部环境干扰模型的步骤具体包括：基于所述等效时变作用力和力矩ω₁、ω₂和ω₃构成的干扰向量ω(t)＝[ω₁,ω₂,ω₃]^T，构建如下外部环境干扰模型：

式中，T∈R^3×3为时间常数正定对角矩阵，Ψ∈R^3×3为高斯白噪声幅值正定对角矩阵，n∈R³为有界的零均值高斯白噪声向量；

其中所述获取所述状态空间数学模型的步骤具体包括：

基于所述运动学模型、所述动力学模型和所述外部环境干扰模型，获取所述状态空间数学模型如下：

式中：

X(t)＝[η^T υ^T],

C＝[I_3×3 0_3×3]，τ(t)＝[τ₁,τ₂,τ₃]^T表示所述推进装置沿着纵荡方向、横荡方向和艏摇方向分别产生的纵荡力τ₁、横荡力τ₂和艏摇力矩τ₃构成的补偿向量，X(t)表示所述状态空间数学模型的系统状态，A、B、E、C分别表示所述状态空间数学模型的系统矩阵、输入矩阵、干扰系数矩阵和输出矩阵；

其中，所述设计干扰观测器的步骤具体包括：

基于所述状态空间数学模型，构建所述干扰观测器如下：

式中，q(t)表示所述干扰观测器的辅助状态向量，L表示所述干扰观测器的增益矩阵，

表示所述外部环境干扰预估量，为对所述干扰向量ω(t)的预估值；

其中，所述设计抗干扰控制器的步骤具体包括：

基于所述外部环境干扰预估量

构建所述抗干扰控制器如下：

式中，K表示所述抗干扰控制器的增益矩阵；

所述获取所述动力定位船舶的抗干扰控制闭环系统的步骤具体包括：

定义所述干扰观测器的观测误差为：

则可得导数公式：

用dW(t)/dt替换n(t)，获取所述导数公式的一般等价方程：

de_ω(t)＝(-T^-1-LE)e_ω(t)d(t)+ΨdW(t)；

其中dW(t)为独立的维纳过程；

将所述状态空间数学模型、所述抗干扰控制器和所述一般等价方程联合，获取所述抗干扰控制闭环系统如下：

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在所述获取所述抗干扰控制闭环系统的步骤之后，还包括：

利用极点配置法，调整所述干扰观测器的增益矩阵L，以使所述干扰观测器的跟踪性能和收敛速度满足设定要求；

利用线性矩阵不等式算法，调节所述抗干扰控制器的增益矩阵K，以对所述动力定位船舶的抗干扰控制进行镇定。

3.一种动力定位船舶的抗干扰控制装置，其特征在于，包括：

第一建模模型，用于通过分析所述动力定位船舶的运动特性和动力特征，结合海洋风、浪和流的环境干扰，建立所述动力定位船舶的状态空间数学模型；

第二建模模型，用于基于所述状态空间数学模型，设计干扰观测器，并利用所述干扰观测器，获取所述动力定位船舶的外部环境干扰预估量；

第三建模模型，用于基于所述外部环境干扰预估量，设计抗干扰控制器，并基于所述抗干扰控制器、所述状态空间数学模型和所述外部环境干扰预估量，获取所述动力定位船舶的抗干扰控制闭环系统；

控制模块，用于基于所述抗干扰控制闭环系统，对所述动力定位船舶进行基于干扰补偿的抗干扰控制；

其中，所述建立所述动力定位船舶的状态空间数学模型的步骤具体包括：

通过分析所述动力定位船舶的运动特性，建立所述动力定位船舶的运动学模型，并通过分析所述动力定位船舶的动力特性，建立所述动力定位船舶的动力学模型；

利用一阶马尔科夫过程，模拟所述海洋风、浪和流的环境干扰的作用力，获取外部环境干扰模型；

基于所述运动学模型、所述动力学模型和所述外部环境干扰模型，获取所述状态空间数学模型；

其中，所述建立所述动力定位船舶的运动学模型的步骤具体包括：基于所述动力定位船舶在大地坐标系下的位置信息和艏向角度信息，以及所述动力定位船舶在船舶附体坐标系下的纵荡速度、横荡速度和艏摇角速度，建立所述运动学模型如下：

式中，η＝[x,y,ψ]^T表示所述动力定位船舶在大地坐标系下的位置信息(x,y)和艏向角度信息ψ构成的向量，x、y分别表示所述动力定位船舶在大地坐标系下的横坐标和纵坐标，υ＝[u,v,r]表示所述动力定位船舶在船舶附体坐标系下的纵荡速度u、横荡速度v和艏摇角速度r构成的向量，R(ψ)表示所述大地坐标系向所述船舶附体坐标系变换的旋转矩阵；

所述建立所述动力定位船舶的动力学模型的步骤具体包括：若所述动力定位船舶沿所述大地坐标系的x轴，以小于预设阈值的速度匀速航行，则建立所述动力学模型如下：

式中，X_k表示所述动力定位船舶在船舶附体坐标系下的参量k旋转变换至大地坐标系时沿X轴方向的水动力，k取为u或

Y_l,N_l分别表示所述动力定位船舶在船舶附体坐标系下的参量l旋转变换至大地坐标系时沿Y轴和Z轴方向的水动力，其中l为v、r、

或

m表示所述动力定位船舶的质量，I_Z表示绕Z轴的惯性矩，ω₁、ω₂、ω₃表示所述海洋风、浪和流的环境干扰作用于所述动力定位船舶船体上的等效时变作用力和力矩，τ₁、τ₂、τ₃分别表示所述动力定位船舶的推进装置沿着纵荡方向、横荡方向和艏摇方向分别产生的纵荡力、横荡力和艏摇力矩，x_G表示所述动力定位船舶的重心，

分别表示所述动力定位船舶在纵荡方向、横荡方向和艏摇方向上的加速度；

将所述动力学模型表示为矩阵形式如下：

其中，

式中，M为包含附加质量的惯性矩阵，D为线性阻尼矩阵；

其中，所述获取外部环境干扰模型的步骤具体包括：基于所述等效时变作用力和力矩ω₁、ω₂和ω₃构成的干扰向量ω(t)＝[ω₁,ω₂,ω₃]^T，构建如下外部环境干扰模型：

式中，T∈R^3×3为时间常数正定对角矩阵，Ψ∈R^3×3为高斯白噪声幅值正定对角矩阵，n∈R³为有界的零均值高斯白噪声向量；

其中所述获取所述状态空间数学模型的步骤具体包括：

基于所述运动学模型、所述动力学模型和所述外部环境干扰模型，获取所述状态空间数学模型如下：

式中：

X(t)＝[η^T υ^T],

C＝[I_3×3 0_3×3]，τ(t)＝[τ₁,τ₂,τ₃]^T表示所述推进装置沿着纵荡方向、横荡方向和艏摇方向分别产生的纵荡力τ₁、横荡力τ₂和艏摇力矩τ₃构成的补偿向量，X(t)表示所述状态空间数学模型的系统状态，A、B、E、C分别表示所述状态空间数学模型的系统矩阵、输入矩阵、干扰系数矩阵和输出矩阵；

其中，所述设计干扰观测器的步骤具体包括：

基于所述状态空间数学模型，构建所述干扰观测器如下：

式中，q(t)表示所述干扰观测器的辅助状态向量，L表示所述干扰观测器的增益矩阵，

表示所述外部环境干扰预估量，为对所述干扰向量ω(t)的预估值；

其中，所述设计抗干扰控制器的步骤具体包括：

基于所述外部环境干扰预估量

构建所述抗干扰控制器如下：

式中，K表示所述抗干扰控制器的增益矩阵；

所述获取所述动力定位船舶的抗干扰控制闭环系统的步骤具体包括：

定义所述干扰观测器的观测误差为：

则可得导数公式：

用dW(t)/dt替换n(t)，获取所述导数公式的一般等价方程：

de_ω(t)＝(-T^-1-LE)e_ω(t)d(t)+ΨdW(t)；

其中dW(t)为独立的维纳过程；

将所述状态空间数学模型、所述抗干扰控制器和所述一般等价方程联合，获取所述抗干扰控制闭环系统如下：

4.一种电子设备，其特征在于，包括：至少一个存储器、至少一个处理器、通信接口和总线；

所述存储器、所述处理器和所述通信接口通过所述总线完成相互间的通信，所述通信接口还用于所述电子设备与动力定位船舶设备之间的信息传输；

所述存储器中存储有可在所述处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时，实现如权利要求1至2中任一所述的方法。

5.一种非暂态计算机可读存储介质，其特征在于，所述非暂态计算机可读存储介质存储计算机指令，所述计算机指令使所述计算机执行如权利要求1至2中任一所述的方法。

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