CN113671977A - 一种海上作业船状态同步稳定鲁棒控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种海上作业船状态同步稳定鲁棒控制方法，涉及船舶与海洋工程控制技术领域，包括如下步骤：根据动力定位船动力定位任务中的动力学特性，建立动力定位船的运动学模型和动力定位船的动力学模型；根据所述运动学模型和所述动力学模型，建立考虑模型不确定性和外部干扰的欧拉‑拉格朗日模型；设置基于单位方向向量的符号函数；针对系统的不确定项设计干扰观测器；根据所述时间同步稳定滑模面和所述干扰观测器，设计各状态量随时间同步收敛的动力定位船动力定位控制器。本发明的控制方法具有鲁棒性强，控制精度高，能耗低等特性，适合应用于存在系统不确定项且各状态同步稳定的动力定位船动力定位控制任务中。

Description

一种海上作业船状态同步稳定鲁棒控制方法

技术领域

本发明涉及船舶与海洋工程控制技术领域，尤其涉及一种海上作业船状态同步稳定鲁棒控制方法。

背景技术

海洋资源的开发和勘探推动了动力定位技术的发展，动力定位系统在海洋钻井船、科学考察船、深海救生船等方面得到了应用。动力定位是海洋工程船舶的一种定位方法。动力定位法不受水深限制的优势，使其适合于深水海域使用。动力定位系统设计是根据测量所得到的船舶运动信息和环境信息，通过产生一定的控制推力和力矩，以实现预定的姿态控制，定位控制以及运动控制。

在现有技术中，反步控制方法，模型预测控制方法等先进控制设计已被应用到动力定位系统的设计中，但这些控制方法构造较为复杂，导致其计算量随着数据增加变大。已有的反步有限时间控制方法和滑模有限时间控制方法中，有限时间的计算依赖于初值的选择，固定时间的设计不需要考虑初值的影响。有限时间动力定位的设计研究较少，并且设计控制系统时，只考虑了有限时间内船舶状态的稳定性设计，没有进一步考虑船舶的位置和艏向同时到达稳定状态的情况，使得船舶在风、浪、流等环境力的作用下依旧可能处于不稳定的状态。综上所述，有待发明一种可以解决海上作业船存在动力学模型不确定及外界干扰的情况下的位姿同步稳定的问题的海上作业船控制方法。

发明内容

本发明提供一种海上作业船状态同步稳定鲁棒控制方法，解决了海上作业船存在动力学模型不确定及外界干扰的情况下的位姿同步稳定的问题。

为达到以上目的，本发明采取的技术方案是：

一种海上作业船状态同步稳定鲁棒控制方法，包括如下步骤：

根据动力定位船动力定位任务中的动力学特性，建立动力定位船的运动学模型和动力定位船的动力学模型；

根据所述运动学模型和所述动力学模型，建立考虑模型不确定性和外部干扰的欧拉-拉格朗日模型；

设置基于单位方向向量的符号函数；

根据所述基于向量方向的符号函数设计时间同步稳定滑模面；

针对系统的不确定项设计干扰观测器；

根据所述时间同步稳定滑模面和所述干扰观测器，设计各状态量随时间同步收敛的动力定位船动力定位控制器。

优选地，所述运动学模型为：

所述动力学模型为：

其中：R(η(t))表示坐标系变换矩阵，η＝[x,y,ψ]^T表示动力定位船的位置和艏向角；υ＝[u,v,r]^T表示动力定位船速度和角速度；M₀表示动力定位船质量和转动惯量；C₀(ν)表示科里奥利向心力矩阵，D₀(ν)表示阻尼系数矩阵；τ表示控制力与控制力矩；τ_w表示环境扰动力；

所述欧拉-拉格朗日动力学模型为：

式中，M(η(t))＝R(η(t))M₀R^-1(η(t))，

优选地，所述基于向量方向的符号函数为：

其中，

为任意n维向量，0_n为n维零向量；

所述时间同步稳定滑模面为s，

其中，

式中，

和k₁＞0,k₂＞0,γ₁＞0,γ₂＞0,为滑模面参数，约束条件

阈值ε＞0。

优选地，所述干扰观测器为：

其中，l₁,l₂,l₃,l₄＞0为观测器增益系数，ω₀和ω₁分别为对

和τ_w的观测估计值，

和

分别为ω₀和ω₁关于时间的导数。

优选地，所述动力定位船动力定位控制器为：

其中，控制器增益k₃,k₄为正常数。

本发明的有益效果在于：

本发明与传统的有限时间控制方法相比，基于方向向量的符号函数的滑模控制设计使得海上作业船系统各个状态能够实现有限时间的同步收敛；

本发明基于方向符号函数构建的控制器，能有效地提高控制性能，优化船舶轨迹，该方法的显著地减小控制能耗。

附图说明

为了更清楚的说明本发明的实施例或现有技术的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅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为本发明流程图。

图2为本发明动力定位轨迹曲线图。

图3为使用本发明设计的控制方法得到的位曲线图。

图4为本发明动力定位过程中的速度曲线图。

图5为使用本发明的控制方法得到的控制力矩输出曲线。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。

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，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本发明及其应用或使用的任何限制。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、数字表达式和数值不限制本发明的范围。同时，应当清楚，为了便于描述，附图中所示出的各个部分的尺寸并不是按照实际的比例关系绘制的。对于相关领域普通技术人员己知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为授权说明书的一部分。在这里示出和讨论的所有示例中，任何具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制。因此，示例性实施例的其它示例可以具有不同的值。应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步讨论。

在本发明的描述中，需要理解的是，方位词如“前、后、上、下、左、右”、“横向、竖向、垂直、水平”和“顶、底”等所指示的方位或位置关系通常是基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，在未作相反说明的情况下，这些方位词并不指示和暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位或者以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明保护范围的限制：方位词“内、外”是指相对于各部件本身的轮廓的内外。

为了便于描述，在这里可以使用空间相对术语，如“在……之上”、“在……上方”、“在……上表面”、“上面的”等，用来描述如在图中所示的一个器件或特征与其他器件或特征的空间位置关系。应当理解的是，空间相对术语旨在包含除了器件在图中所描述的方位之外的在使用或操作中的不同方位。例如，如果附图中的器件被倒置，则描述为“在其他器件或构造上方”或“在其他器件或构造之上”的器件之后将被定位为“在其他器件或构造下方”或“在其位器件或构造之下”。因而，示例性术语“在……上方”可以包括“在……上方”和“在……下方”两种方位。该器件也可以其他不同方式定位(旋转90度或处于其他方位)，并且对这里所使用的空间相对描述作出相应解释。

此外，需要说明的是，使用“第一”、“第二”等词语来限定零部件，仅仅是为了便于对相应零部件进行区别，如没有另行声明，上述词语并没有特殊含义，因此不能理解为对本发明保护范围的限制。

本发明提供一种技术方案：如图1所示，一种海上作业船状态同步稳定鲁棒控制方法，包括如下步骤：

根据动力定位船动力定位任务中的动力学特性，建立动力定位船的运动学模型和动力定位船的动力学模型；

根据运动学模型和动力学模型，建立考虑模型不确定性和外部干扰的欧拉-拉格朗日模型；

设置基于单位方向向量的符号函数；

根据基于向量方向的符号函数设计时间同步稳定滑模面；

针对系统的不确定项设计干扰观测器；

根据时间同步稳定滑模面和所述干扰观测器，设计各状态量随时间同步收敛的动力定位船动力定位控制器。

实施例

下面通过一个具体的实施例子对本发明提供的一种海上作业船状态同步稳定鲁棒控制方法的具体实施进行详细说明。

第一步：建立动力定位船的运动学和动力学模型：

其中：R(η(t))表示坐标系变换矩阵，η＝[x,y,ψ]^T表示动力定位船的位置和艏向角；υ＝[u,v,r]^T表示动力定位船速度和角速度；M₀表示动力定位船质量和转动惯量；C₀(ν)表示科里奥利向心力矩阵，D₀(ν)表示阻尼系数矩阵；τ表示控制力与控制力矩；τ_w表示环境扰动力。位置和速度向量的初始值分别设置为

ν(0)＝[0,0,0]^T。

然后结合(1)和(2)并考虑系统的外界干扰与未建模信息，可以得到如下的欧拉-拉格朗日动力学模型:

式中，

表示动力学系统的未建模信息和外部干扰，其具体形式可以设置为

其中，t为系统运行时间，动力学系统的其他部分可以重新写成：

M(η(t))＝R(η(t))M₀R^-1(η(t)) (4)

第二步，设计一种新型的方向符号函数，具体形式定义如下：

其中，

为任意n维向量，0_n为n维零向量。该符号函数的指数幂可以定义为如下形式：

其中，p为幂指数。

基于以上符号函数可以构建一种新型的时间同步稳定滑模面

为：

其中，

式中，

和k₁＝0.1,k₂＝0.1,γ₁＝0.5,γ₂＝0.5,为滑模面参数，约束条件

阈值ε＝0.0001。

第三步，针对系统的不确定项设计干扰观测器，设计为如下形式：

其中，l₁＝10,l₂＝50,l₃＝100,l₄＝200为观测器增益系数，ω₀和ω₁分别为对

和τ_w的观测估计值，

和

分别为ω₀和ω₁关于时间的导数。通过以上干扰观测器的设计，可以实现对动力学系统的未建模信息和外部干扰τ_w的在线估计，并为控制器的设计奠定基础。

第四步，基于第二、三步中的滑模面和干扰观测器，设计各状态量随时间同步收敛的动力定位船动力定位控制器为如下形式：

其中，控制器增益k₃＝0.05,k₄＝0.05。

基于以上实施方法可以获得动力定位船三维姿态同步收敛稳定控制的仿真结果如图2-5所示。图2是动力定位轨迹曲线；图3中为使用本发明设计的控制方法得到的位曲线，可以看出其三个分量在同一时刻到达稳定状态；

图4是动力定位过程中的速度曲线；图5是使用本发明的控制方法得到的控制力矩输出曲线；上述仿真结果充分说明，本方法可以在系统存在未建模信息的情况下，可以实现高精度的有限时间状态同步收敛控制。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种海上作业船状态同步稳定鲁棒控制方法，其特征在于，包括如下步骤：

根据动力定位船动力定位任务中的动力学特性，建立动力定位船的运动学模型和动力定位船的动力学模型；

根据所述运动学模型和所述动力学模型，建立考虑模型不确定性和外部干扰的欧拉-拉格朗日模型；

设置基于单位方向向量的符号函数；

根据所述基于向量方向的符号函数设计时间同步稳定滑模面；

针对系统的不确定项设计干扰观测器；

根据所述时间同步稳定滑模面和所述干扰观测器，设计各状态量随时间同步收敛的动力定位船动力定位控制器。

2.根据权利要求1所述的海上作业船状态同步稳定鲁棒控制方法，其特征在于：

所述运动学模型为：

所述动力学模型为：

其中：R(η(t))表示坐标系变换矩阵，η＝[x,y,ψ]^T表示动力定位船的位置和艏向角；υ＝[u,v,r]^T表示动力定位船速度和角速度；M₀表示动力定位船质量和转动惯量；C₀(ν)表示科里奥利向心力矩阵，D₀(ν)表示阻尼系数矩阵；τ表示控制力与控制力矩；τ_w表示环境扰动力；

所述欧拉-拉格朗日动力学模型为：

式中，M(η(t))＝R(η(t))M₀R^-1(η(t))，

3.根据权利要求2所述的海上作业船状态同步稳定鲁棒控制方法，其特征在于：所述基于向量方向的符号函数为：

其中，

为任意n维向量，0_n为n维零向量；

所述时间同步稳定滑模面为s，

其中，

式中，

和k₁＞0,k₂＞0,γ₁＞0,γ₂＞0,为滑模面参数，约束条件

阈值ε＞0。

4.根据权利要求3所述的海上作业船状态同步稳定鲁棒控制方法，其特征在于：所述干扰观测器为：

其中，l₁,l₂,l₃,l₄＞0为观测器增益系数，ω₀和ω₁分别为对

和τ_w的观测估计值，

和

分别为ω₀和ω₁关于时间的导数。

5.根据权利要求4所述的海上作业船状态同步稳定鲁棒控制方法，其特征在于：所述动力定位船动力定位控制器为：

其中，控制器增益k₃,k₄为正常数。

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