CN110794843B - 基于观测器的非线性船舶时滞动力定位船鲁棒镇定系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了基于观测器的非线性船舶时滞动力定位船鲁棒镇定系统，涉及船舶控制技术领域。包括海洋干扰力、动力定位船、GPS、罗经、信号处理模块、船舶速度观测器、鲁棒镇定控制器、执行信号检测模块、推力分配模块、推进器、响应信号检测模块、时间间隔测量模块、时滞补偿器。本发明的有益效果在于：能够同时考虑船舶系统时滞和海洋干扰问题，使设计的观测器系统更加符合船舶海洋实际运动环境，有效解决了现有方法存在的问题。

Description

基于观测器的非线性船舶时滞动力定位船鲁棒镇定系统

技术领域

本发明涉及船舶控制技术领域，尤其是针对非线性船舶动力定位系统在有时滞和外部干扰情况下，基于观测器的鲁棒镇定系统设计。

背景技术

船舶动力定位系统(DP系统)利用其螺旋桨装置抵抗外界环境的干扰，使其在目标位置保持稳定，或在低速下跟踪预定的航迹，多数被应用于危险性较高的海洋工程作业中。国际海事组织及各国船级社规范中均要求动力定位船舶按所入船级等级配备相应种类和数量的位置参考和传感器系统，因此如何有效利用各种传感器的测量信息实现对船舶运动状态的准确估计进而提高动力定位系统的安全性、可靠性和作业性能成为一个亟待解决的问题；

观测器可以有效减少控制系统中传感器的数量，通过提高系统的冗余量来提高系统的安全性，并且在船舶未安装测速装置的情况下，观测器可为动力定位系统提供准确的速度估计以保证其通用性，同时观测器可以更好的镇定船舶系统。

通常情况下，船舶配备GPS和罗经用来测量船舶位置和艏向角，但在实际船舶运动过程中速度信息不容易得到，并且在船舶系统中存在时滞现象，由于存在时滞，船舶系统的响应时间会增加，超调量也会增加，并且在航行过程中，船舶会受到外界环境的干扰，观测值与实际值之间存在较大的差距，不能为鲁棒镇定控制器提供较为精确的速度估计值，使得DP系统不稳定，介于以上实际问题，对基于观测器的船舶时滞动力定位系统鲁棒镇定控制器设计问题进行研究，然而，由于船舶DP系统是一个非线性时滞系统，现有技术中并不存在关于非线性时滞系统的观测器设计理论。

发明内容

本发明的目的在于提供基于观测器的非线性船舶时滞动力定位船鲁棒镇定系统，能够同时考虑船舶系统时滞和海洋干扰问题，使设计的观测器系统更加符合船舶海洋实际运动环境，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：

1、基于观测器的非线性船舶时滞动力定位船鲁棒镇定系统，包括海洋干扰力、动力定位船、GPS、罗经、信号处理模块、船舶速度观测器、鲁棒镇定控制器、执行信号检测模块、推力分配模块、推进器、响应信号检测模块、时间间隔测量模块、时滞补偿器。进一步设计基于观测器的船舶时滞动力定位系统鲁棒镇定控制器，有如下步骤：

S1、设计基于观测器的船舶动力定位系统过程框，以获得船舶状态量的信息。

S2、建立三自由度动力定位船的非线性时滞运动学和动力学方程；

动力定位船舶的三自由度低频运动模型为：

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，引入虚拟控制变量，将模型(1)转换为：

根据时间间隔测量模块传来的时间信息，此时时滞时间常数h已知，从而建立时滞动力定位船舶的三自由度低频运动模型为：

S3,基于能量函数H(x(t))，将系统(4)等价为船舶PCH(Port-ControlledHamiltonian)模型，有如下形式：

S4、根据所建立的船舶PCH模型，设计如下观测器：

其中,

u代表系统的鲁棒镇定控制器，当受环境干扰时引入β(t)。

依据Hamilton观测器设计理论，将系统(5)和(6)扩维可得：

分析系统(7)在无干扰时的稳定性，此时w＝0,β(t)＝0,可将系统转化为：

基于李雅普诺夫方法，分别从时滞无关和时滞相关两个方面验证系统(8)的稳定特性，为验证系统的无干扰时的稳定性，分别选取时滞无关的李雅普诺夫函数：

和时滞相关的李雅普诺夫函数：

其中P,Q,Z∈R^12×12，为符合系统稳定的待定正定矩阵，P＝P^T,Q＝Q^T,Z＝Z^T。

S5、研究船舶时滞动力定位系统在受海洋环境干扰时的稳定性，为满足系统(7)基于观测器的鲁棒控制要求，引入罚函数

ρ>0是权重矩阵，并设计基于观测器的鲁棒镇定控制器：

其中，

S6、根据步骤S5，将所设计的基于观测器的鲁棒镇定控制器(11)代入到系统(5)、(6)中，利用扩维技术可得：

通过选取时滞无关的李雅普诺夫函数(9)和时滞相关的李雅普诺夫函数(10)，可得系统(12)在所设计的鲁棒镇定控制器(11)下满足系统鲁棒性要求,同时当w＝0时，系统(12)满足系统稳定性要求。

S7、仿真测试，验证设计方案的有效性。

对比现有技术，本发明的有益效果在于：

1、本发明提供基于观测器的船舶时滞动力定位系统鲁棒镇定控制器技术方案，充分考虑实际系统中存在的突出问题，即船舶系统存在时滞问题，本发明中设计了含有非线性和时滞的船舶动力定位系统观测器的技术方案，有效避免现有设计方法过于理想化的问题，能够最大程度的符合船舶海洋实际运动环境，因此本发明所设计的观测器为鲁棒镇定控制器提供了较为精确的速度估计值，从而提升了系统的稳定性。

2、本发明还基于该非线性时滞系统模型，给出了基于能量方法设计观测器的新思路，有利于后期将观测器设计方法应用于其它领域。

附图说明：

图1为本发明基于观测器的船舶动力定位系统工作结构框图。

图2为本发明三自由度动力定位船运动模型示意图。

图3为本发明基于观测器的非线性船舶时滞动力定位船鲁棒镇定系统流程图。

图4为本发明船舶纵荡速度的实际值(实线)与观测器估计值(虚线)的变化曲线。

图5为本发明船舶横荡速度的实际值(实线)与观测器估计值(虚线)的变化曲线。

图6为本发明船舶艏摇角速度的实际值(实线)与观测器估计值(虚线)的变化曲线。

图7为本发明船舶纵荡位移的变化曲线。

图8为本发明船舶横荡位移的变化曲线。

图9为本发明船舶艏摇角度的变化曲线。

附图中所示标号：

1、海洋干扰力；2、动力定位船；3、GPS；4、罗经；5、信号处理模块；6、船舶速度观测器；7、鲁棒镇定控制器；8、执行信号检测模块；9、推力分配模块；10、推进器；11、响应信号检测模块；12、时间间隔测量模块；13、时滞补偿器。

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，本发明所述是基于观测器的非线性船舶时滞动力定位船鲁棒镇定系统，所述的船舶时滞问题是指：控制器发出控制指令，推进器响应时间存在延时，而导致船舶系统存在时滞现象，本发明包括海洋干扰力1、动力定位船2、GPS3、罗经4、信号处理模块5、船舶速度观测器6、鲁棒镇定控制器7、执行信号检测模块8、推力分配模块9、推进器10、响应信号检测模块11、时间间隔测量模块12、时滞补偿器13，所述动力定位船2所受的合力由海洋干扰力1提供的环境干扰力和推进器10提供的推力两部分组成，所述GPS3和罗经4组成传感器系统，所述GPS3用于采集船舶的位置，所述罗经4用于采集艏向角，经过信号处理模块5处理后，将获得的信息传递到船舶速度观测器6，当时间间隔测量模块12检测到执行信号检测模块8与响应信号检测模块11之间存在时间差，那么此时推进器10发生时滞，时间间隔测量模块12测出时滞时间常数h，并经过时滞补偿器13，得到带有时滞项的位置和速度信号，将其传递到鲁棒镇定控制器7，以消除因时滞对象信息反馈不及时而出现的超调和振荡现象。

所述鲁棒镇定控制器7根据船舶状态量的设定值和控制系统反馈的状态量来调节推力分配模块9，从而实现对船舶系统的镇定控制，包括如下步骤，

S1、设计基于观测器的船舶动力定位系统过程框，以获得船舶状态量的信息。

S2、建立三自由度动力定位船的非线性时滞运动学和动力学方程；

动力定位船舶的三自由度低频运动模型为：

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，引入虚拟控制变量，将模型(1)转换为：

根据时间间隔测量模块传来的时间信息，此时时滞时间常数h已知，从而建立时滞动力定位船舶的三自由度低频运动模型为：

S3,基于能量函数H(x(t))，将系统(4)等价为船舶PCH模型，有如下形式：

S4、根据所建立的船舶PCH模型，设计如下观测器：

其中,

u代表系统的鲁棒镇定控制器，当受环境干扰时引入β(t)。

根据所建立的船舶PCH模型，将系统(5)和(6)扩维可得：

分析系统(7)在无干扰时的稳定性，此时w＝0,β(t)＝0,可将系统转化为：

基于李雅普诺夫方法，分别从时滞无关和时滞相关两个方面验证系统(8)的稳定特性，为验证系统的无干扰时的稳定性，分别选取时滞无关的李雅普诺夫函数：

和时滞相关的李雅普诺夫函数：

其中P,Q,Z∈R^12×12，为符合系统稳定的待定正定矩阵，P＝P^T,Q＝Q^T,Z＝Z^T。

S5、研究船舶时滞动力定位系统在受海洋环境干扰时的稳定性，为满足系统(7)基于观测器的鲁棒控制要求，引入罚函数

ρ>0是权重矩阵，并设计基于观测器的鲁棒镇定控制器：

其中，

S6、根据步骤S5，将所设计的基于观测器的鲁棒镇定控制器(11)代入到系统(5)、(6)中，利用扩维技术可得：

通过选取时滞无关的李雅普诺夫函数(9)和时滞相关的李雅普诺夫函数(10)，可得系统(12)在所设计的鲁棒镇定控制器(11)下满足系统鲁棒性要求,同时当w＝0时，系统(12)满足系统稳定性要求。

S7、仿真测试，验证设计方案的有效性。

本发明仿真采用的是海洋石油299号动力定位船舶模型，在仿真时，充分考虑船舶受海洋环境干扰以及推进器10存在时滞现象、船舶初始位置、期望位置、初始速度、初始速度估计值。

如图4至图6所示，当加入海洋环境干扰力，并在系统在推进器10发生时滞现象时，所述观测器提供了较为精确地速度估计值，并且鲁棒镇定控制器7使系统快速收敛，船舶到达期望的位置，通过对仿真曲线可以看出，本发明所设计的控制系统达到了较好的控制效果。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，而这些不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或者替换，仍在本发明各实施例技术方案的保护范围以内。

Claims (1)

1.基于观测器的非线性船舶时滞动力定位船鲁棒镇定系统，包括海洋干扰力、动力定位船、GPS、罗经、信号处理模块、船舶速度观测器、鲁棒镇定控制器、执行信号检测模块、推力分配模块、推进器、响应信号检测模块、时间间隔测量模块、时滞补偿器，其特征在于：包括如下步骤，

S1、设计基于观测器的船舶动力定位系统过程框，以获得船舶状态量的信息。

S2、建立三自由度动力定位船的非线性时滞运动学和动力学方程；

动力定位船舶的三自由度低频运动模型为：

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，引入虚拟控制变量，将模型(1)转换为：

根据时间间隔测量模块传来的时间信息，此时时滞时间常数h已知，从而建立时滞动力定位船舶的三自由度低频运动模型为：

S3,基于能量函数H(x(t))，将系统(4)等价为船舶PCH(Port-ControlledHamiltonian)模型，有如下形式：

S4、根据所建立的船舶PCH模型，设计如下观测器：

其中,

u代表系统的鲁棒镇定控制器，当受环境干扰时引入β(t)。

依据Hamilton观测器设计理论，将系统(5)和(6)扩维可得：

分析系统(7)在无干扰时的稳定性，此时w＝0,β(t)＝0,可将系统转化为：

基于李雅普诺夫方法，分别从时滞无关和时滞相关两个方面验证系统(8)的稳定特性，为验证系统的无干扰时的稳定性，分别选取时滞无关的李雅普诺夫函数：

和时滞相关的李雅普诺夫函数：

其中P,Q,Z∈R^12×12，为符合系统稳定的待定正定矩阵，P＝P^T,Q＝Q^T,Z＝Z^T。

S5、研究船舶时滞动力定位系统在受海洋环境干扰时的稳定性，为满足系统(7)基于观测器的鲁棒控制要求，引入罚函数

ρ>0是权重矩阵，并设计基于观测器的鲁棒镇定控制器：

其中，

S6、根据步骤S5，将所设计的基于观测器的鲁棒镇定控制器(11)代入到系统(5)、(6)中，利用扩维技术可得：

通过选取时滞无关的李雅普诺夫函数(9)和时滞相关的李雅普诺夫函数(10)，可得系统(12)在所设计的鲁棒镇定控制器(11)下满足系统鲁棒性要求,同时当w＝0时，系统(12)满足系统稳定性要求。

S7、仿真测试，验证设计方案的有效性。

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