CN118034288A - 考虑扰动补偿欠驱动船舶靠泊控制方法及控制系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种考虑扰动补偿的欠驱动船舶靠泊控制方法及控制系统，属于船舶自动靠泊领域。本发明控制方法包括构建船舶响应性模型，确定所述船舶响应性模型的参数K和T；根据所述船舶响应性模型，获取所述船舶的内外总扰动d，考虑所述船舶的内外总扰动，通过将滑模控制算法与自抗扰控制理论相结合设计控制器，确定船舶舵角；并根据所述船舶舵角对船舶靠泊进行控制。本发明考虑模型不确定及环境扰动等因素进行了系统内外扰动估计，可在港内较强环境扰动下实现高精度靠泊航迹跟踪控制和靠泊，并对模型不确定及环境扰动具有强鲁棒性。
Description
技术领域
本发明涉及船舶自动靠泊领域技术领域，更具体的说是涉及考虑扰动补偿欠驱动船舶靠泊控制方法及控制系统。
背景技术
目前的靠泊过程一般采用拖轮协助的方式，利用拖船把船舶从泊位拉离，或用船头推着船舷向泊位移动，由于拖船并不总是在各地的港口准备好，所以进入港口或离开港口可能是受限的。
为了在接近泊位时安全控制船舶，必须控制船舶位置、船航向和航速等运动状态，任何与码头的硬接触都可能对船只或泊位造成巨大经济损失。因此，船长制定靠泊作业计划时，要预期船舶停靠所需的距离和低速机动能力，并实施船舶靠泊作业。
此外，船舶靠泊操作需要通过大量的船舶操作经验，充分了解船舶的机动性能，缺乏靠泊经验丰富的船舶操作人员不久将面临船舶靠泊操作的困难的问题。在靠泊机机动控制过程中，船长在任何机动行动前都要考虑许多因素，即船速、风速、风向、水流方向、可用功率、航向角和船舶响应。
因此，它的特点是在低速下的可控性降低，复杂的非线性运动微分方程，环境干扰的影响和其他问题，使操作非常复杂和耗时，自动靠泊一直被认为是船舶控制中最棘手的问题之一。如果不使用拖船和/或船首推进器等辅助设备，在靠泊过程中很难手动控制船舶，这就增加了使用靠泊控制器的必要性。
发明内容
有鉴于此，本发明提供了一种考虑扰动补偿欠驱动船舶靠泊控制方法及控制系统，目的在于，考虑港内船舶模型动态缺失、环境扰动较强的航行特点，针对欠驱动双桨双舵船舶自动靠泊控制问题，设计一种考虑扰动补偿的欠驱动船舶靠泊控制方法，以实现港内低速、浅水域高精度航迹控制，并对环境扰动具有强鲁棒性。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一方面，本发明公开了一种考虑扰动补偿欠驱动船舶靠泊控制方法，包括，
构建船舶响应性模型，确定所述船舶响应性模型的参数K和T；
响应所述船舶响应性模型的参数K和T，获取所述船舶的内外总扰动；
考虑所述船舶的内外总扰动，按如下公式确定船舶舵角；并根据所述船舶舵角对船舶靠泊进行控制；
式中，δ表示船舶舵角，K表示船舶响应性模型中每单位回转力矩与每单位回转角速度的粘性阻尼的比，T表示船舶响应性模型中惯性与每单位回转角速度的粘性阻尼比，表示期望航向加速度，k1,k2,b为控制器参数,s表示滑模面，sgn(s)对滑模面进行符号运算，/>表示航向控制误差，r表示船舶实际航向速率，d表示内外总扰动。
作为优选，为避免抖振现象，使用饱和函数sat()代替sgn()，此时按如下公式确定船舶舵角：
其中，
式中，Δ是饱和函数边界层厚度。
作为优选，内外总扰动d通过如下公式获得，
其中， 表示实际航向的导数。
作为优选，按如下公式对内外总扰动进行估计，得到并根据内外总扰动的估计值确定船舶舵角；
式中，式中，为系统内外总扰动估计值，z3为扩张状态观测器输出。
作为优选，构建船舶操纵模型，通过Z型操纵性试验基于带有遗忘因子的最小二乘法对模型中的螺旋桨推力和参数K进行辨识。
作为优选，所述船舶操纵模型包括井上模型和芳村模型；
当船舶在常速域运动、前进速度大、漂角|β|≤20°时，采用井上模型：
当船舶在低速域运动、漂角|β|≥30°时，采用芳村模型；
当漂角20°<|β|<30°，采用对上述两种模型进行三次样条插值计算的方法进行内插。
作为优选，螺旋桨推力根据如下关系式获得：
式中，CT为螺旋桨倒车时的推力系数，P为螺旋桨推力，ρ为水的密度，V为来流速度；n为螺旋桨转速；D为螺旋桨直径。
另一方面，本发明公开了一种考虑扰动补偿欠驱动船舶靠泊控制系统，包括，
参数识别模块，用于构建船舶响应性模型并识别获取所述船舶的KT参数；
扰动观测器，用于获取所述船舶的内外总扰动；
船舶控制器，基于响应性模型参数K和T，考虑所述船舶的内外总扰动，按如下公式确定船舶舵角；并根据所述船舶舵角对船舶靠泊进行控制；
式中，δ表示船舶舵角，表示期望航向加速度，k1,k2,b为控制器参数,s表示滑模面，sgn(s)对滑模面进行符号运算，/>表示航向控制误差，r表示船舶实际航向速率，d表示内外总扰动。
作为优选，所述船舶控制器按如下公式确定船舶舵角：
其中，
式中，Δ是饱和函数边界层厚度。
作为优选，还包括航向反馈模块，用于实时监测所处船舶的航向，并和期望航迹一并反馈至船舶控制器。
经由上述的技术方案可知，与现有技术相比，本发明公开提供了一种切实可行，考虑扰动补偿欠驱动船舶靠泊控制方法及控制系统，通过考虑模型不确定及环境扰动等因素进行了系统内外扰动估计，并采用强鲁棒性控制算法滑模控制进行靠泊控制器设计。
本发明采用的控制算法可在港内较强环境扰动下实现高精度靠泊航迹跟踪控制和靠泊航迹跟踪，对模型不确定及环境扰动具有强鲁棒性。
本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在所写的说明书、权利要求书、以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。
下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，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，还可以根据提供的附图获得其他的附图。
图1为本发明考虑扰动补偿欠驱动船舶靠泊控制方法流程图；
图2为本发明考虑扰动补偿欠驱动船舶靠泊控制步骤示意图；
图3为本发明考虑扰动补偿欠驱动船舶靠泊控制系统结构框图；
图4为本发明参数T和K的曲线图；
图5为本发明靠泊过程中航迹控制响应曲线；
图6为本发明靠泊过程中航向控制误差曲线；
图7为本发明靠泊过程中航迹控制误差曲线；
图8为本发明靠泊过程中船舶舵角误差曲线。
具体实施方式
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。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。
本发明实施例考虑港内船舶模型动态缺失、环境扰动较强的航行特点，公开了一种考虑扰动补偿欠驱动船舶靠泊控制方法及控制系统，以解决在靠泊过程中难以进行手动控制的问题。
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面对本发明实施方式进一步地详细描述。
实施例一
本实施例公开了一种考虑扰动补偿欠驱动船舶靠泊控制方法，如图1所示，包括如下步骤：
构建船舶响应性模型，根据所述船舶响应性模型，获取所述船舶的内外总扰动；
考虑所述船舶的内外总扰动，按如下公式确定船舶舵角；并根据所述船舶舵角对船舶靠泊进行控制；
式中，δ表示船舶舵角，K表示船舶响应性模型中每单位回转力矩与每单位回转角速度的粘性阻尼的比，T表示船舶响应性模型中惯性与每单位回转角速度的粘性阻尼比；表示期望航向加速度，k1,k2,b为控制器参数,s表示滑模面，sgn(s)对滑模面进行符号运算，/>表示航向控制误差，r表示船舶实际航向速率，d表示内外总扰动。
第一步、构建船舶响应性模型，确定所述船舶响应性模型的参数K和T；
如图2所示，本发明中构建了港内低速运动MMG模型，即船舶操纵模型，通过Z型操纵性试验基于带有遗忘因子的最小二乘法对模型中的KT参数进行辨识。
本发明中，船舶操纵模型为港内低速运动控制模型，由于港内船舶操纵与宽阔水域船舶操纵不同，需要综合考虑浅水、低速以及螺旋桨错车等因素的影响，进而为靠泊控制参数整定和路径规划提供技术基础。
对于本发明应用的试验靠泊区域水深在4.3～9.2m区间，对应水深吃水比为1.75～3.74，因此在对其进行操纵运动建模时，不考虑水深变化对操纵性的影响，在传统宽阔水域操纵建模的基础上，修正低速域的船舶操纵模型，并考虑螺旋桨四象限航行工况水动力特性。
首先，船舶操纵模型包括井上模型和芳村模型；
低速域修正时，当船舶在常速域运动、前进速度大、漂角|β|≤20°时，采用井上模型，本发明中，井上模型为：
XH＝X(u)+Xvvv2+Xvrvr+Xrrr2
YH＝Yvv+Yrr+Y|v|v|v|v+Y|r|r|r|r+Yvvrv2r+Yvrrvr2
NH＝Nvv+Nrr+N|v|v|v|v+N|r|r|r|r+Nvvrv2r+Nvrrvr2
其中，XH、YH、NH分别为X、Y、N方向的惯性水动力，v、r分别为航速和转首角速度，X(u)为直航阻力；Xvv为纵向阻力系数、Xvr为速度和转首角速度耦合引起的纵向力，Xrr为转首角速度平方引起的纵向力系数；Yv、Yr、Y|v|v、Y|r|r、Yvvr、Yvrr分别为速度、转首角速度、速度平方、转首角速度平方、速度的平方与转首角速度、速度与转首角速度的平方引起的侧向力系数，Nv、Nr、N|r|r、N|v|v分别为速度、转首角速度、转首角速度平方、速度平方引起的转首力矩系数；
当船舶在低速域运动、漂角|β|≥30°时，采用芳村模型；芳村模型为：
XH＝XH(r0)+Xvrvr+Xrrr2
其中，r0＝0,XH(r0)表示r为0时的XH；Cry和Crn分别为Y和N方向的模型修正系数，L为船舶型长，d为吃水深度；Cd为船体横流阻力系数，ρ为水的密度；
当漂角20°<|β|<30°，采用对上述两种模型进行三次样条插值计算的方法进行内插。
需要说明的是，传统的螺旋桨建模只考虑正车前航时的推力系数和扭矩系数，推力系数表征为进速系数的函数，但当螺旋桨转速为0时，进速系数无穷大将导致溢出死机。且港内靠泊操纵时，经常会采用倒车操纵，因此有必要建立统一的涵盖螺旋桨正车和倒车工况的水动力的表达式模型。
在通常靠泊情况下，螺旋桨工作于前航前车(第Ⅰ象限)和前航倒车(第Ⅱ象限)的状态中，故本发明对螺旋桨在倒航工况(第Ⅲ象限和第Ⅳ象限)不予考虑。
当计算螺旋桨倒车时的推力系数时，定义螺旋桨无因次推力系数如下：
其中，该系数是水动力螺距角β的函数，水动力螺距角β定义如下：
式中,P为螺旋桨推力；V为来流速度；n为螺旋桨转速；D为螺旋桨直径，ρ为水的密度。
第二步、响应所述船舶响应性模型中的参数K和T，基于扩张状态获取船舶的内外总扰动；
作为自抗扰控制最核心的部分，ESO(扩张状态观测器)可以将系统转化为积分串联型，并将扰动作为一个新的状态处理。
若将船舶所受内外扰动d(t)设计为一个扩张状态，则船舶一阶Nomoto模型可表示为：
式中：d为系统内外总扰动。/>表示实际航向的导数，由于总扰动无法直接获得，因此，根据如下过程进行估计；
首先，定义状态变量用于设计空间状态方程，则可以得到状态方程为：
定义船舶状态变量xi(i＝1,2,3)的估计值为zi，ei＝xi-zi表示系统状态变量的真实值与估计值间的误差，则根据式(2)可得改进型ESO(Improved Extended StateObserver，IESO)为：
为方便IESO整定，β1，β2，β3分别表示观测器增益。为方便极点参数配置本文将观测器的极点均配置在-ω0处，ω0＞0为观测器带宽。α1＞0,α2＞0为常系数，最终求得IESO的扰动估计为：
第三步、考虑所述船舶的内外总扰动，按如下公式确定船舶舵角；并根据所述船舶舵角对船舶靠泊进行控制；
式中，式中，式中，δ表示船舶舵角，表示期望航向加速度，k1,k2,b为控制器参数,s表示滑模面，sgn(s)表示对滑模面进行符号运算，/>表示航向控制误差，r表示船舶实际航向速率，d表示内外总扰动。
推导过程为：
本发明中控制器输出为船舶舵角δ，输入为船舶航向。选取滑模面为：
式中，b＞0。S表示滑模面
选择指数趋近律为：
对式(3)求导可得：
令式(4)与式(5)相等可得：
由船舶KT方程(1)可得：
将式(7)带入式(6)中可得：
由于符号函数的开关特性会导致控制器出现抖振现象，因此使用饱和函数sat()代替：
式中Δ是饱和函数边界层厚度，最终得到扰动补偿后的控制器形式为：
本实施例设计的考虑扰动补偿的欠驱动船舶靠泊控制总体上分为三个部分，即
首先，本发明对船舶一阶响应性模型进行离散化，基于带遗忘因子的最小二乘法进行船舶KT指数辨识；
其次，考虑港内低速下模型参数不确定及风流扰动较强的的特点，设计改进型扩张状态观测器估计系统内外扰动；
最后，设计一阶线性滑模面，采用指数趋近律，基于滑模控制理论进行靠泊航向控制器设计，并加入扰动补偿，实现环境扰动下高精度靠泊控制。
实施例二
本实施例公开了一种考虑扰动补偿欠驱动船舶靠泊控制系统，包括，
参数识别模块，用于构建船舶响应性模型并识别获取所述船舶的参数T和K；
扰动观测器，用于获取所述船舶的内外总扰动；以及
船舶控制器，用于响应性模型参数K和T，考虑所述船舶的内外总扰动，按如下公式确定船舶舵角；并根据所述船舶舵角对船舶靠泊进行控制；
式中，式中，δ表示船舶舵角，表示期望航向加速度，k1,k2,b为控制器参数,s表示滑模面，sgn(s)为对滑模面进行符号运算，/>表示航向控制误差，r表示船舶实际航向速率，d表示内外总扰动。
一种实施例中，按如下公式确定船舶舵角：
其中，
式中，Δ是饱和函数边界层厚度。
为进一步优化上述技术方案，本发明考虑扰动补偿欠驱动船舶靠泊控制系统还包括，如图3所示，
航向反馈模块，用于实时监测船舶的航向，并和期望航迹一并反馈至船舶控制器对船舶靠泊进行控制；
速度反馈模块，用于实时监测船舶的速度，和期望航速共同反馈至专家系统，用于通过专家系统作用于被控船舶的执行机构，从而对其航速进行控制，使其收敛；
位置反馈模块，由于欠驱动船舶无法提供侧向驱动力，因此用位置反馈模块实时监测船舶的位置，反馈至LOS，用于使船舶控制器考虑船舶的实时位置，进行船舶靠泊控制。
为了验证本发明的实施效果，进行了如下仿真实验。
仿真测试中以某海巡船位研究对象，该船长47米、宽8米、吃水2.4米，属于典型欠驱动双桨双舵船舶，具有良好的机动性与操纵性。仿真设置为本船初始位置为坐标原点，本船以30°角抵泊，整个靠泊过程为低速航行过程，靠泊航速不超过6kn。靠泊控制过程为船舶先经历一个直线加速过程，然后进入圆弧调航并减速抵达泊位。如图4所示，为获取的参数T和K的曲线图。
图5为仿真结果图，其中红色曲线为滑模自抗扰控制方法(SMC-ESO)，蓝色曲线为滑模控制方法(SMC)。从图5航迹控制响应曲线中可以看出，两种控制方法都可以控制船舶到达泊位；
为进一步分析控制效果将航向控制误差与航迹控制误差绘制出来见图6与图7。从图6可以看出整个控制过程中，滑模自抗扰控制方法的航向控制误差都小于滑模控制，并且抵达泊位的航向控制误差为0.014°，满足靠泊控制要求。从图7可以看出在直线段滑模自抗扰的航迹控制误差不断收敛，并且小于滑模控制方法，而滑模控制存在航迹控制静差。最终抵达泊位时航迹控制误差为1.976米，满足靠泊控制要求。图8为本发明靠泊过程中船舶舵角误差曲线；从图8可以看出本发明所提出的SMC-ESO方法，相比于传统的SMC方法，在靠泊过程中的航迹误差更小。仿真结果表明，本发明所提出的一种欠驱动船舶自动靠泊滑模自抗扰控制方法可以实现高精度靠泊控制，并且操舵平滑符合船长操纵经验。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。
Claims (10)
1.一种考虑扰动补偿欠驱动船舶靠泊控制方法，其特征在于，包括，
构建船舶响应性模型，根据所述船舶响应性模型，获取船舶的内外总扰动；
考虑所述船舶的内外总扰动，按如下公式确定船舶舵角；并根据所述船舶舵角对船舶靠泊进行控制；
式中，δ表示船舶舵角，K表示船舶响应性模型中每单位回转力矩与每单位回转角速度的粘性阻尼的比，T表示船舶响应性模型中惯性与每单位回转角速度的粘性阻尼比，表示期望航向加速度，k1,k2,b为控制参数,s表示滑模面，sgn(s)表示对滑模面进行符号运算，/>表示航向控制误差，r表示船舶实际航向速率，d表示内外总扰动。
2.根据权利要求1所述的一种考虑扰动补偿欠驱动船舶靠泊控制方法，其特征在于，为避免抖振现象，使用饱和函数sat()代替sgn()，此时按如下公式确定船舶舵角：
其中，
式中，Δ是饱和函数边界层厚度。
3.根据权利要求2所述的一种考虑扰动补偿欠驱动船舶靠泊控制方法，其特征在于，内外总扰动d通过如下公式获得，
其中， 表示实际航向的导数。
4.根据权利要求3所述的一种考虑扰动补偿欠驱动船舶靠泊控制方法，其特征在于，按如下公式对内外总扰动进行估计，得到并根据内外总扰动的估计值确定船舶舵角；
式中，为系统内外总扰动估计值，z3为扩张状态观测器输出。
5.根据权利要求1所述的一种考虑扰动补偿欠驱动船舶靠泊控制方法，其特征在于，构建船舶操纵模型，通过Z型操纵性试验基于带有遗忘因子的最小二乘法对模型中的KT参数进行辨识。
6.根据权利要求5所述的一种考虑扰动补偿欠驱动船舶靠泊控制方法，其特征在于，所述船舶操纵模型包括井上模型和芳村模型；
当船舶在常速域运动、前进速度大、漂角|β|≤20°时，采用井上模型：
当船舶在低速域运动、漂角|β|≥30°时，采用芳村模型；
当漂角20°<|β|<30°，采用对井上模型和芳村模型进行三次样条插值计算的方法进行内插。
7.根据权利要求6所述的一种考虑扰动补偿欠驱动船舶靠泊控制方法，其特征在于，螺旋桨推力根据如下关系式获得：
式中，CT为螺旋桨倒车时的推力系数，P为螺旋桨推力，ρ为水的密度，V为来流速度；n为螺旋桨转速；D为螺旋桨直径。
8.一种考虑扰动补偿欠驱动船舶靠泊控制系统，其特征在于，包括，
参数识别模块，用于构建船舶响应性模型并识别获取船舶的参数T和K；
扰动观测器，用于获取船舶的内外总扰动；以及
船舶控制器，用于响应性模型参数K和T，考虑所述船舶的内外总扰动，按如下公式确定船舶舵角；并根据所述船舶舵角对船舶靠泊进行控制；
式中，δ表示船舶舵角，表示期望航向加速度，k1,k2,b为控制器的控制参数,s表示滑模面，sgn(s)表示对滑模面进行符号运算，/>表示航向控制误差，r表示船舶实际航向速率，d表示内外总扰动。
9.根据权利要求8所述的一种考虑扰动补偿欠驱动船舶靠泊控制系统，其特征在于，所述船舶控制器按如下公式确定船舶舵角：
其中，
式中，Δ是饱和函数边界层厚度。
10.根据权利要求8所述的一种考虑扰动补偿欠驱动船舶靠泊控制系统，其特征在于，还包括航向反馈模块，用于实时监测船舶的航向，并和期望航迹一并反馈至船舶控制器。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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