CN112416005A - 基于领航者策略的多模块船自抗扰动态面协同控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种基于领航者策略的多模块船自抗扰动态面协同控制方法，步骤一：根据推进能力安排合理的过渡过程，给各船跟踪位置误差；步骤二：设计DSC控制率，引入三阶积分链式微分器平滑虚拟速度并估计其微分信号；步骤三：根据自抗扰控制原理设计扩张状态观测器，进行扰动动态补偿，从而完成中间船领队的三艘动力定位船的协同控制。本发明根据推进器所能承受的能力和设定值，安排合理的过渡过程，使得控制输出平稳有界，从而使得控制率对调节参数变得不敏感，提高系统的鲁棒性；改善了DSC控制算法对噪声放大的不足并能够同时求取微分信号，根据自抗扰原理设计扩张状态观测器观测出未知扰动，进而进行输入补偿，提高了系统快速反应能力。

Description

基于领航者策略的多模块船自抗扰动态面协同控制方法

技术领域

本发明涉及一种多模块船自抗扰动态面协同控制方法，尤其涉及一种基于领航者策略的多模块船自抗扰动态面协同控制方法，特别是面向MOB作业时多个模块船间的配合，使其完成一个共同目标的协调控制。

背景技术

海上移动平台(MOB)其相关技术有很大的应用前景。如多条船的协调控制策略可以应用在浮式生产储油轮和石油平台的协调作业、补给船和母船的之间的协调控制以及水下机器人编队等；MOB在进行作业时，需要多个模块船的配合完成，因此涉及协调控制问题。

协调动力定位控制器以单模块船控制器为基础，动态面DSC控制器对满足匹配条件的不确定性具有较强的鲁棒性。但该方法依赖精确的数学模型，且DSC控制算法中采用一阶跟踪微分器对噪声由放大作用，如果控制系统含有测量噪声或其他噪声，这些信号经过一阶跟踪微分器后，噪声会放大，进而影响控制效果甚至不可控。引入自抗扰改进后的动态面(DSC)控制算法最突出的特征就是将作用于被控对象的所有不确定性因素都归结为未知扰动并用被控对象的输入输出数据进行观测并予以补偿。

本发明针对多模块船的协调动力定位控制提出了一种基于领航者策略的多模块船自抗扰动态面协同控制算法，完成了三艘船舶的协同动力定位控制。

发明内容

本发明提出了一种基于领航者策略的多模块船自抗扰动态面协同控制算法，目的在于解决MOB作业时多个模块船间的协调控制问题。

本发明的目的是这样实现的：

一种基于领航者策略的多模块船自抗扰动态面协同控制方法，包括如下步骤：

步骤一：根据推进能力安排合理的过渡过程，给各船跟踪位置误差；

步骤二：设计DSC控制率，引入三阶积分链式微分器平滑虚拟速度并估计其微分信号；

步骤三：根据自抗扰控制原理设计扩张状态观测器，进行扰动动态补偿，从而完成中间船领队的三艘动力定位船的协同控制

本发明还包括这样一些特征：

所述步骤一具体为：

过渡过程为：

中间领航船的目标位置：η_d＝[x_d，y_d，ψ_d]，则目标位置经过渡过程进一步表示为：

式中，上标表示船的标号；

定义领航船的位置跟踪误差为：

定义第一条跟随船的位置跟踪误差为：

式中前两项表示船之间的实际距离，

是考虑到船长以及避碰问题，设置的经过渡过程后的相对位置；

定义第三条跟随船的位置跟踪误差为：

式中前两项表示船之间的实际距离，

是考虑到船长以及避碰问题，设置的经过渡过程后的相对位置。

所述步骤二具体为：

三阶积分链式微分器选取：

选择此三阶积分链式微分器应用于三艘动力定位船上，第一条船选取x₁＝η¹，

第二条船选取x₁＝η²，

第三条船选取x₁＝η³，

从而得到三艘船的速度

以及其微分信号

所述步骤三具体为：由船舶数学模型得：

为三艘船的标号

式中：u＝τⁱ-Cvⁱ

令Kⁱ＝M^-1ωⁱ，

(i＝1，2，3)则系统可扩张为：

对DP系统建立非线性观测器：

式中i＝1，2，3是三艘船的标号，z₃＝M^-1ωⁱ，从而系统未知干扰观测值ωⁱ可表示为：ωⁱ＝Mz₃，对观测出的未知干扰进行前馈补偿，则得基于自抗扰DSC的三艘动力定位船的控制率为：

i＝1，2，3为三艘船的标号。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

本发明根据推进器所能承受的能力和设定值，安排合理的过渡过程，使得控制输出平稳有界，符合实际情况，从而使得控制率对调节参数变得不敏感，提高系统的鲁棒性；改善了DSC控制算法对噪声放大的不足并能够同时求取微分信号，根据自抗扰原理设计扩张状态观测器观测出未知扰动，进而进行输入补偿，提高了系统快速反应能力。

附图说明

图1采用领队策略的多模块船自抗扰动态面协同控制工作原理图；

图2三条模块船协同控制过程中北向位置变化曲线；

图3三条模块船协同控制过程中东向位置变化曲线；

图4三条模块船协同控制过程中艏向变化曲线；

图5第一条船实际北向位置与期望北向位置对比曲线；

图6第一条船实际东向位置与期望东向位置对比曲线；

图7第一条船实际艏向与期望艏向对比曲线；

图8第三条船实际北向位置与期望北向位置对比曲线；

图9第三条船实际东向位置与期望东向位置对比曲线；

图10第三条船实际艏向与期望艏向对比曲线。

具体实施方式

下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步详细描述。

一种基于领航者策略的多模块船自抗扰动态面协同控制算法，主要包括安排使输出平稳有界的过渡过程、具有抑制噪声同时求取信号导数作用的三阶积分链式跟踪微分器、能够观测未知扰动的扩张状态观测器。

根据权利要求1所述的基于领航者策略的多模块船自抗扰动态面协同控制算法，根据推进能力安排合理的过渡过程，给各船跟踪位置误差。

本发明选择过渡过程为：

中间领航船的目标位置：η_d＝[x_d，y_d，ψ_d]，则目标位置经过渡过程进一步表示为：

式中，上标表示船的标号。

定义领航船的位置跟踪误差为：

定义第一条跟随船的位置跟踪误差为：

式中前两项表示船之间的实际距离，

是考虑到船长以及避碰问题，设置的经过渡过程后的相对位置。

定义第三条跟随船的位置跟踪误差为：

式中前两项表示船之间的实际距离，

是考虑到船长以及避碰问题，设置的经过渡过程后的相对位置。

设计DSC控制率，引入三阶积分链式微分器平滑虚拟速度并估计其微分信号

DSC算法中所采用的一阶线性跟踪微分器对信号的噪声有放大的作用，而积分链式微分器中，扰动仅存在于最后一个微分方程中，并且通过每一层的积分作用，扰动能够充分的被抑制，因而当测量的信号中含有噪声时，采用三阶积分链式跟踪微分器可以起到良好的滤波效果，另外，该微分跟踪器能够快速地对原始信号的微分信号进行估计。

三阶积分链式微分器选取：

本发明选择此三阶积分链式微分器应用于三艘动力定位船上，第一条船选取x₁＝η¹，

第二条船选取x₁＝η²，

第三条船选取x₁＝η³，

从而得到三艘船的速度

以及其微分信号

根据自抗扰控制原理设计扩张状态观测器，进行扰动动态补偿

由船舶数学模型可得：

(i＝1，2，3)为三艘船的标号

式中：u＝τⁱ-Cvⁱ

令Kⁱ＝M^-1ωⁱ，

(i＝1，2，3)则系统可扩张为：

对DP系统建立非线性观测器：

式中i＝1，2，3是三艘船的标号，z₃＝M^-1ωⁱ，从而系统未知干扰观测值ωⁱ可表示为：ωⁱ＝Mz₃，对观测出的未知干扰进行前馈补偿，则可得基于自抗扰DSC的三艘动力定位船的控制率为：

i＝1，2，3为三艘船的标号。

1.根据推进能力安排合理的过渡过程，给出各船跟踪位置误差

根据系统的承受能力，被控量的合理性和系统提供控制的能力，根据设定值，安排合适的过渡过程，使得输出平稳有界，符合实际情况，并且可以使得控制率对调节参数变得不敏感，提高系统的鲁棒性。

2.设计DSC控制率，引入三阶积分链式微分器平滑虚拟速度并估计其导数信号

DSC算法中采用的一阶线性跟踪微分器对虚拟速度信号进行跟踪，但是其缺点是对噪声有放大的作用。而积分链式微分器中，扰动仅存在于最后一个微分方程中，并且通过每一层的积分作用，扰动能够充分的被抑制，因而当测量的信号中含有噪声时，采用三阶积分链式跟踪微分器可以起到良好的滤波效果，另外，该微分跟踪器能够快速地对原始信号的微分信号进行估计。

3.根据自抗扰控制原理设计扩张状态观测器，进行扰动动态补偿

多模块船在运动过程中收到外界环境力的干扰，其中浪和流是无法用传感器准确测得进行前馈补偿，另外船舶模型中存在未建模动态，这两方面因素使得控制效果降低。通过设计扩张状态观测器，利用原系统的输入输出，估计出对象的状态信号和总扰动信号，进行输入补偿，提高系统的快速反应能力。

步骤一、建立各模块动力定位船舶非线性数学模型

首先建立北东坐标系描述船舶在水平面的位置和艏向变化，然后建立船体坐标系，描述船舶运动速度和姿态变化。然后进一步分析船舶受到水的动力，风、浪、流等环境因素的阻力，以及船舶推进系统的力。分别研究各个力和力矩的受力情况，然后建立各模块动力定位船水平面非线性数学模型：

其中i＝1，2，3表示各船的标号，η表示大地坐标系下船舶位置和姿态，v表示船体坐标系下线速度和角速度矩阵；，M_RB船舶惯性矩阵；C_RB(v)是船舶科里奥利向心力矩阵；τ是船舶所受到推进器力和力矩，ω是环境力和力矩，M＝M_RB+M_A，C(v)＝C_RB(v)+C_A(v)，M_RB船舶惯性矩阵；M_A是广义附加质量惯性矩阵；C_RB(v)是船舶科里奥利向心力矩阵；C_A(v)是附加科里奥利向心力矩阵。

步骤二、根据推进能力安排合理的过渡过程，给出各船跟踪位置误差

中间船领队策略思想为由中间船确定目标位置，另外两条船跟随中间船的位置，中间船根据自身的位置和目标位置进行自动调整，另外两条船根据自身位置和中间船的位置进行自动调整，不关心目标位置。

本发明选择过渡过程为：

中间船的目标位置：η_d＝[x_d，y_d，ψ_d]，则目标位置经过渡过程进一步表示为：

式中，上标表示船的标号。

定义中间船的位置跟踪误差为：

定义第一条船的位置跟踪误差为：

式中前两项表示船之间的实际距离，

是考虑到船长以及避碰问题，设置的经过渡过程后的相对位置。

定义第三条船的位置跟踪误差为：

式中前两项表示船之间的实际距离，

是考虑到船长以及避碰问题，设置的经过渡过程后的相对位置。本案例中各船初始状态为：

领航船的期望轨迹及期望的相对位置向量选择如下：

步骤三、设计DSC控制率，引入三阶积分链式微分器平滑虚拟速度并估计其导数信号

动态面控制(DSC)的思想源于反步法，但反步法需要利用递归算法对虚拟控制量进行求导，这可能引起方程项的大增，即出现“计算膨胀”的问题，而DSC控制在反步法的基础之上引入了一阶动态滤波器来估计相应的导数，从而避免了“计算膨胀”问题，但是一阶微分器的引入使得噪声放大，为了弥补这一不足，本发明采用三阶积分链式微分器来平滑虚拟速度并估计其导数信号。

船舶DSC控制率设计过程为：首先定义位置跟踪误差

接着对位置跟踪误差

进行微分，并设计虚拟控制速度

使得位置跟踪误差

趋近于0。然后定义速度跟踪误差

利用三阶积分链式微分器平滑滤波虚拟控制速度

和估计其导数

最后定义李雅普诺夫函数，求导使其导数负定，得到控制率

式中K_D为使系统渐进稳定的合适的增益矩阵。

积分链式微分器中，其形式：

对于非线性微分器，存在如下结论，存在γ＞0，ργ＞0和Γ＞0，对t≥εΓ，满足x_i-v^i-1(t)＝(ε^ργ-i+1)，i＝1，…，n其中，ε＞0是摄动参数，并且O(ε^ργ-i+1)表示x_i与v^i-1(t)误差是ε^ργ-i+1阶近似的。而且

(i＝1，...，n)满足sⁿ+a_ns^n-1+…+a₂s+a₁＝0是Hurwitz的。

考虑如下不确定系统：

其中f(t)为不确定项，θ_d为参考轨迹，δ为噪声。

则三阶积分链式微分器选取：

本发明选择此三阶积分链式微分器应用于三艘动力定位船上，第一条船选取x₁＝η¹，

第二条船选取x₁＝η²，

第三条船选取x₁＝η³，

从而得到三艘船的速度

以及其微分信号

步骤四、根据自抗扰控制原理设计扩张状态观测器，进行扰动动态补偿

模块船数学模型可写成如下形式：

式中：u＝τⁱ-Cvⁱ

令Kⁱ＝M^-1ωⁱ，

(i＝1，2，3)则系统可扩张为：

设计非线性扩张观测器如下：

式中i＝1，2，3是三艘船的标号，z₃＝M^-1ωⁱ，从而系统未知干扰观测值ωⁱ可表示为：ωⁱ＝Mz₃，对观测出的未知干扰进行前馈补偿，则可得基于自抗扰DSC的三艘动力定位船的控制率为：

i＝1，2，3为三艘船的标号。

综上所述：本发明公开了一种基于领航者策略的多模块船自抗扰动态面协同控制算法。主要提出了一种采用中间船领队策略实现三艘船舶的协调动力定位控制方法，通过自抗扰的思想并结合分析DSC控制算法，提出了一种自抗扰动态面协同控制算法。首先，根据推进器所能承受的能力和设定值，安排合理的过渡过程，使得控制输出平稳有界，符合实际情况，从而使得控制率对调节参数变得不敏感，提高系统的鲁棒性。由于DSC算法中所采用的一阶线性微分器对信号的噪声有放大的作用，所以接着设计了一种三阶积分链式微分器，改善了DSC控制算法对噪声放大的不足并能够同时求取微分信号。另外，考虑到模块船存在风浪流外界干扰以及系统模型中还存在未建模动态，因此根据自抗扰原理设计扩张状态观测器观测出未知扰动，进而进行输入补偿，提高了系统快速反应能力。最后根据反步法原理，结合观测器的扰动补偿，设计合理的李雅普诺夫函数，得出控制率，完成中间船领队的三艘动力定位船的协同控制。

Claims (4)

1.一种基于领航者策略的多模块船自抗扰动态面协同控制方法，其特征是，包括如下步骤：

步骤一：根据推进能力安排合理的过渡过程，给各船跟踪位置误差；

步骤二：设计DSC控制率，引入三阶积分链式微分器平滑虚拟速度并估计其微分信号；

步骤三：根据自抗扰控制原理设计扩张状态观测器，进行扰动动态补偿，从而完成中间船领队的三艘动力定位船的协同控制。

2.根据权利要求1所述的基于领航者策略的多模块船自抗扰动态面协同控制方法，其特征是，所述步骤一具体为：

过渡过程为：

中间领航船的目标位置：η_d＝[x_d,y_d,ψ_d]，则目标位置经过渡过程进一步表示为：

式中，上标表示船的标号；

定义领航船的位置跟踪误差为：

定义第一条跟随船的位置跟踪误差为：

式中前两项表示船之间的实际距离，

是考虑到船长以及避碰问题，设置的经过渡过程后的相对位置；

定义第三条跟随船的位置跟踪误差为：

式中前两项表示船之间的实际距离，

是考虑到船长以及避碰问题，设置的经过渡过程后的相对位置。

3.根据权利要求1所述的基于领航者策略的多模块船自抗扰动态面协同控制方法，其特征是，所述步骤二具体为：

三阶积分链式微分器选取：

选择此三阶积分链式微分器应用于三艘动力定位船上，第一条船选取x₁＝η¹,

第二条船选取x₁＝η²，

第三条船选取x₁＝η³,

从而得到三艘船的速度

以及其微分信号

4.根据权利要求1所述的基于领航者策略的多模块船自抗扰动态面协同控制方法，其特征是，所述步骤三具体为：

由船舶数学模型得：

(i＝1,2,3)为三艘船的标号

式中：u＝τⁱ-Cvⁱ

令Kⁱ＝M^-1ωⁱ，

(i＝1,2,3)则系统可扩张为：

对DP系统建立非线性观测器：

式中i＝1,2,3是三艘船的标号，z₃＝M^-1ωⁱ,从而系统未知干扰观测值ωⁱ可表示为：ωⁱ＝Mz₃，对观测出的未知干扰进行前馈补偿，则得基于自抗扰DSC的三艘动力定位船的控制率为：

i＝1,2,3为三艘船的标号。

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