CN110716572A - 基于pch模型的多艘动力定位船鲁棒同时镇定系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了基于PCH模型的多艘动力定位船鲁棒同时镇定系统，涉及船舶控制技术领域。包括动力定位船、传感器模块、虚拟控制器、滤波器、自适应鲁棒同时镇定控制器、推力分配模块和推进器。本发明的有益效果在于：充分考虑海洋干扰和船舶模型不确定问题，使设计的多艘船舶同时镇定系统更加符合船舶海洋运动实际环境，有效解决了现有方法存在的问题。

Description

基于PCH模型的多艘动力定位船鲁棒同时镇定系统

技术领域

本发明涉及船舶控制技术领域，尤其是针对多艘动力定位船自适应鲁棒同时镇定系统控制研究。

背景技术

船舶动力定位技术在海洋开发和研究过程中发挥着举足轻重的作用，特别是随着海洋技术的不断发展，人们的活动范围逐渐从浅海延伸到深海，对运营安全、成本和效率提出了更高的要求；

众所周知，多艘船舶同时作业有提高运营效率，降低成本的优点，其协同作业的冗余特性可以提高整个动力定位系统的鲁棒性，并在执行危险任务时，可保障操作员的生命安全，相对于单艘动力定位船作业时间的有限性以及鲁棒性较差的缺点，多艘动力定位船舶协同作业有效弥补了上述缺陷，而且船舶在执行海底资源探测、海上搜救、在航补给、破冰护航等危险作业时，都需考虑多艘船舶同时镇定问题；

现有的方法针对单艘船镇定控制器的技术研究成果较为成熟，但该技术不能同时镇定多艘船，虽然有部分现有技术能同时镇定多艘船，但是设计的多艘船控制策略较为复杂，需分别对每艘船设计控制器，存在资源浪费、运行效率低等问题；

此外船舶模型本身存在不确定性、船舶运行过程中会产生参数摄动、海洋环境复杂多样等因素，鉴于以上实际问题，有必要对多艘动力定位船自适应鲁棒同时镇定系统进行研究。

发明内容

本发明的目的在于提供基于PCH模型的多艘动力定位船鲁棒同时镇定系统，能够充分考虑海洋干扰和船舶模型不确定问题，使设计的多艘船舶同时镇定系统更加符合船舶海洋运动实际环境，有效解决了现有方法存在的问题。

本发明为实现上述目的，通过以下技术方案实现：

基于PCH模型的多艘动力定位船鲁棒同时镇定系统，包括动力定位船、传感器模块、虚拟控制器、滤波器、自适应鲁棒同时镇定控制器、推力分配模块和推进器，包括如下步骤，

S1、设计多艘动力定位船自适应鲁棒同时镇定系统控制过程框，以获得船舶状态量的信息；

S2、建立动力定位船的三自由度运动学和低频动力学方程：

其中，式(1)中η是船舶在北东坐标系下的位置向量，

分别表示为纵荡位移、横荡位移、艏摇角度，v＝[μ,υ,r]是随船坐标系下的速度向量，分别表示纵荡速度，横荡速度和艏摇角速度，τ∈R^3×3表示为控制量。M∈R^3×3是船体惯性矩阵，D∈R^3×3是线性水阻尼矩阵，并且w为外界干扰，海洋环境变化缓慢，视为定常干扰，

是坐标转换矩阵，满足:

为满足所设计观测器系统稳定要求，引入虚拟控制器，将模型(1)转换为：

其中

S3、根据S2所建立方程，依据系统的能量结构，基于能量实现方法将方程等价为船舶PCH模型：

S4、根据S3所建立PCH模型和Hamilton系统同时镇定理论，设置多艘动力定位船的PCH系统：

把上述M个系统分成两组，

进一步的设计同时镇定控制器，

且系统满足R_a(X₁)+K₁₁(X₁,X₁)>0，R_b(X₂)-K₂₂(X₂,X₂)>0

其中

S5、考虑船舶模型运行过程中产生的参数摄动等不确定因素，设置多艘动力定位船的PCH系统变为：

其中，p_a,p_b分别表示两艘船PCH模型中结构参数不确定性的参数向量，

进一步设计自适应同时镇定控制器为：

其中θ代表未知常数向量p_a,p_b，

是θ的估计值，Q>0为自适应增益矩阵且是一个正定常数矩阵。

在自适应同时镇定控制器(10)作用下，系统(8)、(9)是渐进稳定的，并且系统满足：

(i)

(ii)[J_i(x_i,p_i)-R_i(x_i,p_i)]△H_i(x_i,p_i)＝g_i(x_i)Φθ,(i＝1,2,...,M) (12)

其中

Φ>0是正定矩阵；

S6、考虑船舶海洋环境干扰因素，设置多艘动力定位船的PCH系统变为：

进一步设计自适应鲁棒同时镇定控制器为

将控制器(15)代入到系统(13)、(14)得到：

构造罚函数z,系统的L₂增益(由w到z)不大于给定的γ，并且当w＝0时，系统(13)、(14)可同时镇定；

S7、对自适应鲁棒同时镇定控制器进行仿真验证，进一步验证准确性。

对比现有技术，本发明的有益效果在于：

1、基于成熟的Hamilton同时镇定控制理论，直接从非线性角度出发，并考虑船舶运行过程中会产生参数摄动以及受到海洋环境干扰的影响，设计单一的同时镇定控制器，使其控制多艘船，从而提高多艘船舶之间的运行效率以及鲁棒性。

2、在该控制律下多艘动力定位船可以稳定到期望位置且艏摇角速度、纵向速度、横向速度都收敛到零。

附图说明：

图1为本发明多艘动力定位船自适应鲁棒同时镇定系统控制过程框图。

图2为本发明三自由度动力定位船运动模型示意图。

图3为本发明三艘动力定位船纵荡位置的变化曲线。

图4为本发明三艘动力定位船横荡位置的变化曲线。

图5为本发明三艘动力定位船艏向角度的变化曲线。

图6为本发明三艘动力定位船纵荡速度的变化曲线。

图7为本发明三艘动力定位船横荡速度的变化曲线。

图8为本发明三艘动力定位船艏向角速度的变化曲线。

具体实施方式

如图所示，下面结合具体实施例，阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所限定的范围。

实施例：

如图1所示，本发明所述是基于PCH模型的多艘动力定位船鲁棒同时镇定系统，包括动力定位船、传感器模块、虚拟控制器、滤波器、自适应鲁棒同时镇定控制器、推力分配模块和推进器，动力定位船所受合力由环境干扰力和推进器所提供的推力两部分组成，传感器是由GPS、罗经和速度传感器组成，所述GPS采集船舶的位置，所述罗经艏向角，所述速度传感器采集速度信息，将采集到的船舶状态量输入到虚拟控制器中，此时输出的状态量为x₁、x₂，由于虚拟控制器输出的信息存在噪声，因此不能直接反馈到控制器系统中，需经过滤波器的去噪处理，才能将船舶运动状态量信息反馈到控制器系统中，由于船舶运行过程中会产生参数摄动以及受到海洋环境干扰因素，因此需要设置自适应鲁棒同时镇定控制器，根据预先设定的期望状态值以及多艘船的运动状态量来对推力分配模块进行控制，从而对多艘船舶姿态的控制，实现多艘船同时镇定的效果，包括如下步骤，

S1、设计多艘动力定位船自适应鲁棒同时镇定系统控制过程框，以获得船舶状态量的信息；

S2、建立动力定位船的三自由度运动学和低频动力学方程：

其中，式(1)中η是船舶在北东坐标系下的位置向量，

分别表示为纵荡位移、横荡位移、艏摇角度，v＝[μ,υ,r]是随船坐标系下的速度向量，分别表示纵荡速度，横荡速度和艏摇角速度，τ∈R^3×3表示为控制量。M∈R^3×3是船体惯性矩阵，D∈R^3×3是线性水阻尼矩阵，并且w为外界干扰，海洋环境变化缓慢，视为定常干扰，

是坐标转换矩阵，满足:

为满足所设计观测器系统稳定要求，引入虚拟控制器，将模型(1)转换为：

其中

S3、根据S2所建立方程，依据系统的能量结构，基于能量实现方法将方程等价为船舶PCH模型：

S4、根据S3所建立PCH模型和Hamilton系统同时镇定理论，设置多艘动力定位船的PCH系统：

把上述M个系统分成两组，

进一步的设计同时镇定控制器，

且系统满足R_a(X₁)+K₁₁(X₁,X₁)>0，R_b(X₂)-K₂₂(X₂,X₂)>0

其中

S5、考虑船舶模型运行过程中产生的参数摄动等不确定因素，设置多艘动力定位船的PCH系统变为：

其中，p_a,p_b分别表示两艘船PCH模型中结构参数不确定性的参数向量，

进一步设计自适应同时镇定控制器为：

其中θ代表未知常数向量p_a,p_b，是θ的估计值，Q>0为自适应增益矩阵且是一个正定常数矩阵。

在自适应同时镇定控制器(10)作用下，系统(8)、(9)是渐进稳定的，并且系统满足：

(i)

(ii)[J_i(x_i,p_i)-R_i(x_i,p_i)]△H_i(x_i,p_i)＝g_i(x_i)Φθ,(i＝1,2,...,M) (12)

其中Φ>0是正定矩阵；

S6、考虑船舶海洋环境干扰因素，设置多艘动力定位船的PCH系统变为：

进一步设计自适应鲁棒同时镇定控制器为

将控制器(15)代入到系统(13)、(14)得到：

构造罚函数z,系统的L₂增益(由w到z)不大于给定的γ，并且当w＝0时，系统(13)、(14)可同时镇定；

S7、对自适应鲁棒同时镇定控制器进行仿真验证，进一步验证准确性。

本发明仿真采用的是三艘全驱动动力定位船舶模型Cybership II，在仿真时考虑船舶运行过程中会产生参数摄动、船舶模型不确定以及船舶受海洋干扰因素，对于三艘船的的期望位置均为(0m/s,0m/s,0°),船1的初始位置(10m,5m,5°)，船1的初始速度(1m/s,0.8m/s,2rad/s)。船2的初始位置(12m,8m,7°),船2的初始速度(1.2m/s,1m/s,3rad/s)。船3的初始位置(15m,10m,9°),船3的初始速度(1.5m/s,1.2m/s,4rad/s)。

如图3至图8所示，通过对仿真曲线和数据分析可以看出，本发明所提出的一种基于PCH模型的多艘动力定位船自适应鲁棒同时镇定系统控制器设计方法，能够在存在海洋环境干扰以及船舶模型参数不确定的情况下，使两艘船在短时间内趋于期望的位置，速度也都同时趋向于0，达到了同时镇定的效果。

Claims (1)

1.基于PCH模型的多艘动力定位船鲁棒同时镇定系统，包括动力定位船、传感器模块、虚拟控制器、滤波器、自适应鲁棒同时镇定控制器、推力分配模块和推进器，其特征在于：包括如下步骤，

S1、设计多艘动力定位船自适应鲁棒同时镇定系统控制过程框，以获得船舶状态量的信息；

S2、建立动力定位船的三自由度运动学和低频动力学方程：

其中，式(1)中η是船舶在北东坐标系下的位置向量，

分别表示为纵荡位移、横荡位移、艏摇角度，v＝[μ,υ,r]是随船坐标系下的速度向量，分别表示纵荡速度，横荡速度和艏摇角速度，τ∈R^3×3表示为控制量。M∈R^3×3是船体惯性矩阵，D∈R^3×3是线性水阻尼矩阵，并且w为外界干扰，海洋环境变化缓慢，视为定常干扰，是坐标转换矩阵，满足:

为满足所设计观测器系统稳定要求，引入虚拟控制器，将模型(1)转换为：

其中

S3、根据S2所建立方程，依据系统的能量结构，基于能量实现方法将方程等价为船舶PCH模型：

S4、根据S3所建立PCH模型和Hamilton系统同时镇定理论，设置多艘动力定位船的PCH系统：

把上述M个系统分成两组，

进一步的设计同时镇定控制器，

且系统满足R_a(X₁)+K₁₁(X₁,X₁)>0，R_b(X₂)-K₂₂(X₂,X₂)>0

其中

S5、考虑船舶模型运行过程中产生的参数摄动等不确定因素，设置多艘动力定位船的PCH系统变为：

其中，p_a,p_b分别表示两艘船PCH模型中结构参数不确定性的参数向量，

进一步设计自适应同时镇定控制器为：

其中θ代表未知常数向量p_a,p_b，是θ的估计值，Q>0为自适应增益矩阵且是一个正定常数矩阵。

在自适应同时镇定控制器(10)作用下，系统(8)、(9)是渐进稳定的，并且系统满足：

(i)

(ii)[J_i(x_i,p_i)-R_i(x_i,p_i)]△H_i(x_i,p_i)＝g_i(x_i)Φθ,(i＝1,2,...,M) (12)

其中

Φ>0是正定矩阵；

S6、考虑船舶海洋环境干扰因素，设置多艘动力定位船的PCH系统变为：

进一步设计自适应鲁棒同时镇定控制器为

将控制器(15)代入到系统(13)、(14)得到：

构造罚函数z,系统的L₂增益(由w到z)不大于给定的γ，并且当w＝0时，系统(13)、(14)可同时镇定；

S7、对自适应鲁棒同时镇定控制器进行仿真验证，进一步验证准确性。

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