CN118012041A - 基于事件触发的多动力定位船协同控制系统设计 - Google Patents

Abstract

本发明提供的是一种基于事件触发的多动力定位船协同控制方法。包括第艘动力定位船、第艘动力定位船、分布式协同定位控制器、传感器系统、自适应神经网络估计器、事件触发机制、辅助动态系统。本发明设计的事件触发机制可以解决由于执行器频繁响应导致的机械磨损等问题，也可以缓解分布式协同定位控制器的传输和计算压力。为了提高定位系统的性能，同时考虑了时变海洋环境干扰和模型参数不确定性、推进器输入饱和问题对控制系统的影响。

Description

基于事件触发的多动力定位船协同控制系统设计

技术领域

本发明涉及船舶动力定位控制技术领域，具体涉及一种基于事件触发的多动力定位船协同控制系统。

背景技术

随着人类社会的快速发展，能源需求量逐年增大，陆地上的资源逐渐枯竭。根据《2019年世界能源统计评审》报告中所阐述，全球总的石油量大概还可以使用50年，不仅如此，化石能源的使用和开发对环境造成严重影响，包括气候变化、空气和水污染等。因此，为了满足人类能源需求并降低对环境的影响，人类开始转向海洋能源的开发。

然而，海洋能源的开发和利用却面临一些挑战。海洋环境复杂、海上施工条件艰苦、设备耐久性要求高等因素增加了海洋能源的开发成本。为了加速海洋能源的开发进程，人类加大了对海洋装备的研究和投资，动力定位技术应运而生。动力定位技术是一种使用推进器和螺旋桨等动力装置，使作业船舶或钻井平台保持在期望位置或沿着期望轨迹运行的一种技术。

在现有的动力定位理论中，推进系统需要持续接收控制器的控制信号而执行动作，长期如此可能会造成推进系统的机械磨损。又因控制器持续传输信号，通信通道也可能会因此拥堵而造成船舶稳定性下降。另外，面对一些复杂的作业，单一的动力定位船可能难以满足开发需求。随着多智能体控制技术的发展，由单一的动力定位船舶作业逐渐向多动力定位船舶协同作业转变。因此多动力定位船的协同定位控制成为当前该领域的重要研发方向之一。

发明内容

一、发明目的：

本发明的目的在于设计一种抗干扰能力好、定位精度高的多动力定位船协同控制系统，利用事件触发机制，设计的控制器还可以提高系统的资源利用率。

二、发明内容：

1.本发明的基于事件触发的多动力定位船协同定位控制系统，包括第i艘动力定位船、第j艘动力定位船、传感器系统、自适应神经网络估计器、辅助动态系统、分布式协同定位控制器、事件触发机制。其特征在于，包括以下步骤：

步骤1：第i艘动力定位船的传感器系统实时采集第i艘动力定位船的位姿信息η_i。

步骤2：第j艘动力定位船的传感器系统实时采集第j艘动力定位船的速度信息v_j及其位姿信息η_j并传输给第i艘动力定位船。

步骤3：自适应神经网络估计器对由时变海洋干扰和模型参数不确定性构成的复合干扰进行估计，并将得到复合干扰的估计值传送给分布式协同定位控制器。

步骤4：辅助动态系统对推进器输入饱和问题进行信号补偿，并将补偿信号传递给分布式协同定位控制器。

步骤5：分布式协同定位控制器根据第i艘动力定位船的误差信号矢量e_i1,e_i2以及与临船j的相对期望位置信息σ_ij(σ_ij＝σ_j-σ_i)、复合干扰估计值和辅助动态系统输出信号Γ_i进行动态面控制，得到分布式协同定位控制器的输出信号τ_ic。

步骤6：根据事件触发机制中是事件触发阈值决定分布式协同定位控制器的输出信号是否被更新，如果满足事件触发条件，则将分布式协同定位控制器的输出信号更新为w_ic(tⁱ _k+1)，否则，将保持为上一次的输出信号w_ic(tⁱ _k)。

步骤7：第i艘动力定位船(i＝1,2,3)接收通过事件触发机制和输入饱和模块的信号τ_ip对动力定位船舶进行定位作业。

2.根据权利要1所述的一种基于事件触发的多动力定位船协同定位控制系统，其特征在于，同时考虑到时变海洋环境干扰、推进器输入饱和、系统模型参数不确定性问题，建立第i艘动力定位船的三自由度数学模型为：

其中，η_i＝[x_i,y_i,ψ_i]^T是第i艘动力定位船在大地坐标系下的位姿信息，包含船舶在大地坐标系下的位置(x_i,y_i)和艏向角ψ_i；υ_i＝[u_i,v_i,r_i]^T是第i艘动力定位船在船体坐标系下的速度向量，u_i为纵向速度，v_i为横向速度，r_i为艏摇角速度；M_i是正定的惯性质量矩阵；D_i(v_i)是阻尼矩阵；τ_ip∈R³表示由于船舶推进器系统的物理限制而产生的约束控制信号(τ_ip＝sign(τ_ic)τ_iM，其中，τ_ic∈R³为待设计的控制信号，τ_iM∈R³为推进器系统能够产生的最大力矩值)；f_i(v_i)＝d_i(t)+ω_i是包含模型参数不确定和时变海洋环境干扰的复合干扰，d_i(t)表示未知时变海洋环境干扰，ω_i表示模型参数不确定，包括系统的未建模动态和误差，且R_i(ψ_i)是旋转矩阵。

3.根据权利要1所述的一种基于事件触发的多动力定位船协同定位控制系统，其特征在于，步骤3中设计的自适应神经网络估计器具体形式为：

其中，L_i2,ρ_i∈R^3×3是待设计的正定对角矩阵；向量定义为其中，/>是速度v_i的估计值，/>是理想权值的估计值。设计的自适应更新率为：

其中，γ_ik和k_iw是待设计的正常数。

4.根据权利要1所述的一种基于事件触发的多动力定位船协同定位控制系统，其特征在于，步骤4中设计的辅助动态系统具体形式为：

其中，θ_i>0；K_iΓ＝K_iΓ ^T∈R^3×3是待设计的正定对角矩阵；Γ_i∈R³是常向量；△τ_i＝τ_ip-τ_ic。τ_ip∈R³是由推进器输入饱和输出的约束控制信号，τ_ic∈R³是待设计的控制信号。

5.根据权利要1所述的一种基于事件触发的多动力定位船协同定位控制系统，其特征在于，步骤5中设计的第i艘动力定位船的定位控制律具体形式为：

其中，L_i2∈R^3×3和K_is∈R^3×3是待设计的正定矩阵；v_i＝[u_i v_i r_i]^T是第i艘动力定位船在船体坐标系下的速度向量，/>是一阶滤波器的输出；/>是有界的高斯基函数。

6.根据权利要1所述的一种基于事件触发的多动力定位船协同定位控制系统，其特征在于，步骤6中设计的事件触发机制的具体形式为：

t_k+1＝inf{t>t_k||e_iδ(t)|≥κ_i1|τ_ic|+κ_i2}

其中，e_iδ(t)＝ω_ic(t)-τ_ic(t)表示测量误差矢量；κ_i1和κ_i2是正常数且满足0<κ_i1<1和κ_i2>0。

附图说明

图1大地坐标系与船体坐标系；

图2多动力定位船舶通信拓扑图；

图3系统结构图；

具体实施方法

本发明的基于事件触发的多动力定位船协同控制系统，包括第i艘动力定位船、第j艘动力定位船、传感器系统、分布式协同定位控制器、自适应神经网络估计器、事件触发机制、辅助动态系统几部分。

下面结合附图对本发明的基于事件触发的多动力定位船协同控制系统做出更详细的说明：

1.根据图1所示的O_E-X_EY_E大地坐标系与O_B-X_BY_B船体坐标系。同时考虑到时变海洋环境干扰、推进器输入饱和、系统模型参数不确定性问题，建立第i艘动力定位船的三自由度数学模型为：

其中，η_i＝[x_i,y_i,ψ_i]^T是第i艘动力定位船在大地坐标系下的位置和艏向，包含船舶在大地坐标系下的位置(x_i,y_i)和艏向角ψ_i；υ_i＝[u_i,v_i,r_i]^T是第i艘动力定位船在船体坐标系下的速度向量，u_i为纵向速度，v_i为横向速度，r_i为艏摇角速度；M_i是正定的惯性质量矩阵；D_i(v_i)是阻尼矩阵；τ_ip∈R³表示由于船舶推进器系统的物理限制而产生的约束控制信号(τ_ip＝sign(τ_ic)τ_iM，其中，τ_ic∈R³为待设计的控制信号，τ_iM∈R³为推进器系统能够产生的最大力矩值)；f_i(v_i)＝d_i(t)+ω_i是包含模型参数不确定和时变海洋环境干扰的复合干扰，d_i(t)表示未知干扰，其中包括风、浪和海流产生的海洋干扰，ω_i表示模型参数不确定，包括系统的未建模动态和误差，且R_i(ψ_i)是旋转矩阵且其表达式为：

为方便后续控制系统的设计，将式(1)重新描述为：

2.自适应神经网络估计器对由时变海洋干扰和未建模动态所构成的复合干扰进行估计，并将得到的复合干扰估计值传递给分布式协同定位控制器，设计的估计器为：

其中，L_i2,ρ_i∈R^3×3是待设计的正定对角矩阵；向量定义为其中，/>是速度v_i的估计值；/>是理想权值的估计值；是高斯基函数，具体形式为：

其中，c_ij∈Rⁿ和正常数b_j分别是隐含层第j个高斯函数的中心向量和第j个节点的宽度。

设计的自适应更新率为：

其中，γ_ik和k_iw是待设计的正常数；

3.为了解决推进器输入饱和对定位系统的影响，设计了一种辅助动态系统，具体形式为：

其中，θ_i>0；K_iΓ＝K_iΓ ^T∈R^3×3是待设计的正定对角矩阵；Γ_i∈R³是常向量；△τ_i＝τ_ip-τ_ic，τ_ip∈R³是由推进器输入饱和输出的约束控制信号，τ_ic∈R³是待设计的控制信号。

4.n艘动力定位船的通信关系可以用图论方法进行描述，有向图由顶点集和边集组成，其中顶点集/>中的元素表示对应的动力定位船；边集表示任意两艘船舶组成的边的集合，并且第j艘船可以从第i艘船获取信息。船舶之间的通信关系可以用邻接矩阵/>进行描述，其中，当i≠j且时，a_ij＝1；否则，a_ij＝0。拉普拉斯矩阵/>定义为/>其中度矩阵是用来描述图中节点和与其有通信关系所有节点的程度矩阵，定义为领导船的邻接矩阵用对角矩阵/>进行表示。如果第i艘船可以获得领导船的信息，则a_i0＝1；否则，a_i0＝0。定义/>

结合图2中的通信关系，分布式协同定位控制器对第i艘动力定位船(i＝1,2,3)的误差信号矢量e_i1,e_i2以及与临船的相对期望位置信息σ_ij(σ_ij＝σ_i-σ_j)、复合干扰估计值/>和辅助动态系统输出信号Γ_i进行动态面控制，得到分布式协同定位控制器的输出信号τ_ic。

具体分布式协同定位控制器设计步骤如下：

S1：根据图2所示的船舶之间的通信关系，定义第i艘动力定位船的第一个跟踪误差：

S2：定义第i艘动力定位船的第二个跟踪误差：

其中，σ_i表示第i艘动力定位船舶期望相对位置；σ_ij＝σ_i-σ_j表示第i艘动力定位船舶与其临船j的期望相对位置；a_ij是表示所有节点之间的通信关系的邻接矩阵中的元素；a_i0是拟领航者的邻接矩阵/>中的元素；η_d是期望的位置和艏向角；/>是一阶滤波器的输出，一阶滤波器的形式如下：

其中，ι_i∈R是待设计的正常数。

S3：分别对跟踪误差e_i1和求导：

其中，a_id＝d_i+a_i0，其中/>

S4：定义下面的Lyapunov函数V₁来求虚拟控制律：

为了镇定e_i1，设计虚拟控制律为：

S5：定义下面的Lyapunov函数V₂来求控制律：

S6.设计第i艘动力定位船控制律为：

其中，L_i2∈R^3×3和K_is∈R^3×3是待设计的正定矩阵；v_i＝[u_i v_i r_i]^T是第i艘动力定位船在船体坐标系下的速度向量，/>是一阶滤波器的输出；/>是有界的高斯基函数。

5.为改善因推进系统持续变化动作造成推进系统的机械磨损和通信信道拥堵的问题，设计一种事件触发机制。事件触发机制由事件触发开关、事件触发监测系统和零阶保持器组成。事件触发监测系统根据设计的事件触发条件决定分布式协同控制器的输出信号是否更新，事件触发开关和零阶保持器可以对分布式协同定位控制器的输出信号进行更新操作，当不满足更新条件时，零阶保持器保持上一次的输出信号当更新条件被满足时，事件触发开关工作，将输出信号更新为/>

设计的触发条件的具体形式为：

其中，e_iδ(t)＝ω_ic(t)-τ_ic(t)表示测量误差矢量；κ_i1和κ_i2是正常数且满足0<κ_i1<1和κ_i2>0。

下面将上述事件触发机制分为两种情况进行讨论：

情况1：当τ_ic≥0时，根据上述触发条件可以得到：

ω_ic-τ_ic＝λ_i(κ_i1τ_ic+κ_i2),λ_i∈[-1,1]

情况2：当τ_ic<0时，根据上述触发条件可以得到：

ω_ic-τ_ic＝λ_i(κ_i1τ_ic-κ_i2),λ_i∈[-1,1]

结合上述两种情况，可以得到：

其中，λ_i1＝sign(τ_ic)λ_i2＝λ_i。

6.系统稳定性证明：

i.自适应神经网络估计器稳定性证明，证明过程如下：

选择如下的Lyapunov函数：

对式(7)两端求导，可得

根据杨氏不等式，有下列不等式成立

将式(9)和式(10)代入式(8)中，可得如下不等式

其中，对式(11)

两端进行积分可以得到

根据Lyapunov函数定义，和/>是一致最终有界的。

ii.控制系统稳定性证明，证明过程如下：

考虑整个闭环系统，选择如下的Lyapunov函数

对式(13)两端同时求导并使用式(4)和式(5)，可得：

其中，ρ_i是待设计的正常数；K_is∈R^3×3是待设计的正定矩阵；

μ_i＝1/(1+λ_i1κ_i1)。

使用杨氏不等式，可得：

将不等式组(15)代入式(14)中，可得：

情况1：当||Γ_i||≥θ_i时，根据式(3)和杨氏不等式可得：

将式(17)代入式(16)中可得：

进一步可以表示为：

其中，

对式(19)两端进行积分可得：

情况2：当||Γ_i||<θ_i，同理可得：

将式(21)代入式(18)中，可得：

进一步可以表示为：

其中，

对式(23)两端进行积分，可得：

根据Lyapunov函数定义，闭环系统内所有信号一致最终有界。

iii.zeno行为排除：

根据式(6)，可以得到

由于tⁱ _k时刻测量误差等于0，存在最小时间间隔/>由此可见，zeno行为被排除。

7.第i艘动力定位船(i＝1,2,3)接收通过事件触发机制和输入饱和模块的信号τ_ip对动力定位船舶进行定位作业。

Claims (6)

1.本发明的基于事件触发的多动力定位船协同定位控制系统，包括第i艘动力定位船、第j艘动力定位船、分布式协同定位控制器、传感器系统、自适应神经网络估计器、事件触发机制、辅助动态系统。其特征在于，包括以下步骤：

步骤1：第i艘动力定位船的传感器系统实时采集第i艘动力定位船的位姿信息η_i。

步骤2：第j艘动力定位船的传感器系统实时采集第j艘动力定位船的速度信息v_j及其位姿信息η_j并传输给第i艘动力定位船。

步骤3：自适应神经网络估计器对由时变海洋干扰和模型参数不确定性构成的复合干扰进行估计，并将得到复合干扰的估计值传送给分布式协同定位控制器。

步骤4：辅助动态系统对推进器输入饱和问题进行信号补偿，并将补偿信号传递给分布式协同定位控制器。

步骤5：分布式协同定位控制器根据第i艘动力定位船的误差信号矢量e_i1,e_i2以及与临船j的相对期望位置信息σ_ij(σ_ij＝σ_j-σ_i)、复合干扰估计值和辅助动态系统输出信号Γ_i进行动态面控制，得到分布式协同定位控制器的输出信号τ_ic。

步骤6：根据事件触发机制中的事件触发阈值决定分布式协同定位控制器的输出信号是否被更新，如果满足事件触发条件，则将分布式协同定位控制器的输出信号更新为w_ic(tⁱ _k+1)，否则，将保持为上一次的输出信号w_ic(tⁱ _k)。

步骤7：第i艘动力定位船(i＝1,2,3)接收通过事件触发机制和输入饱和模块的信号τ_ip对动力定位船舶进行定位作业。

2.根据权利要求1所述的一种基于事件触发的多动力定位船协同定位控制系统，其特征在于，同时考虑到时变海洋环境干扰、推进器输入饱和、系统模型参数不确定性问题，建立第i艘动力定位船的三自由度数学模型为：

其中，η_i＝[x_i,y_i,ψ_i]^T是第i艘动力定位船在大地坐标系下的位姿信息，包含船舶在大地坐标系下的位置(x_i,y_i)和艏向角ψ_i；υ_i＝[u_i,v_i,r_i]^T是第i艘动力定位船在船体坐标系下的速度向量，u_i为纵向速度，v_i为横向速度，r_i为艏摇角速度；M_i是正定的惯性质量矩阵；D_i(v_i)是阻尼矩阵；τ_ip∈R³表示由于船舶推进器系统的物理限制而产生的约束控制信号(τ_ip＝sign(τ_ic)τ_iM，其中，τ_ic∈R³为待设计的控制信号，τi_M∈R³为推进器能够产生的最大力矩值)；f_i(v_i)＝d_i(t)+ω_i是包含模型参数不确定和时变海洋环境干扰的复合干扰，d_i(t)表示未知时变海洋环境干扰，ω_i表示模型参数不确定，包括系统的未建模动态和误差，且R_i(ψ_i)是旋转矩阵。

3.根据权利要求1所述的一种基于事件触发的多动力定位船协同定位控制系统，其特征在于，步骤3中设计的自适应神经网络估计器具体形式为：

其中，L_i2,ρ_i∈R^3×3是待设计的正定对角矩阵；向量定义为/>其中，/>是速度v_i的估计值，/>是理想权值的估计值。设计/>的自适应更新率为：

其中，γ_ik和k_iw是待设计的正常数。

4.根据权利要求1所述的一种基于事件触发的多动力定位船协同定位控制系统，其特征在于，步骤4中设计的辅助动态系统具体形式为：

其中，θ_i>0；K_iΓ＝K_iΓ ^T∈R^3×3是待设计的正定对角矩阵；Γ_i∈R³是常向量；△τ_i＝τ_ip-τ_ic。τ_ip∈R³是由推进器输入饱和输出的约束控制信号，τ_ic∈R³是待设计的控制信号。

5.根据权利要求1所述的一种基于事件触发的多动力定位船协同定位控制系统，其特征在于，步骤5中设计的第i艘动力定位船的定位控制律具体形式为：

其中，L_i2∈R^3×3和K_is∈R^3×3是待设计的正定矩阵；v_i＝[u_i v_i r_i]^T是第i艘动力定位船在船体坐标系下的速度向量，/>是一阶滤波器的输出；/>是有界的高斯基函数。

6.根据权利要求1所述的一种基于事件触发的多动力定位船协同定位控制系统，其特征在于，步骤6中设计的事件触发机制的具体形式为：

t_k+1＝inf{t>t_k||e_iδ(t)|≥κ_i1|τ_ic|+κ_i2}

其中，e_iδ(t)＝ω_ic(t)-τ_ic(t)表示测量误差矢量；κ_i1和κ_i2是正常数且满足0<κ_i1<1和κ_i2>0。