一種基于等效干擾補(bǔ)償?shù)拇皠恿Χㄎ豢刂葡到y(tǒng)的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明屬于定位控制系統(tǒng)領(lǐng)域，具體涉及一種將動力定位船舶低頻運(yùn)動模型中存在的非線性和環(huán)境擾動的不確定問題，在等效干擾補(bǔ)償理論的基礎(chǔ)上設(shè)計縱向、橫向、艏向三個非線性控制器的基于等效干擾補(bǔ)償?shù)拇皠恿Χㄎ豢刂葡到y(tǒng)?；诘刃Ц蓴_補(bǔ)償?shù)拇皠恿Χㄎ豢刂葡到y(tǒng)，包括顯控計算機(jī)，縱向控制器，橫向控制器，艏向控制器，推力系統(tǒng)，動力定位船舶。本發(fā)明提出的動力定位船舶低頻運(yùn)動縱向、橫向、艏向三個控制器能夠分別對船舶三自由度運(yùn)動進(jìn)行控制，將耦合項和非線性項以及外部環(huán)境擾動當(dāng)成等效干擾進(jìn)行處理，通過擴(kuò)張狀態(tài)觀測器對等效擾動進(jìn)行估計和補(bǔ)償，從而更好的控制船舶定位到期望狀態(tài)。
【專利說明】
一種基于等效干擾補(bǔ)償?shù)拇皠恿Χㄎ豢刂葡到y(tǒng)
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明屬于定位控制系統(tǒng)領(lǐng)域，具體涉及一種將動力定位船舶低頻運(yùn)動模型中存 在的非線性和環(huán)境擾動的不確定問題，在等效干擾補(bǔ)償理論的基礎(chǔ)上設(shè)計縱向、橫向、艏向 三個非線性控制器的基于等效干擾補(bǔ)償?shù)拇皠恿Χㄎ豢刂葡到y(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002] 隨著海上資源的不斷勘探和開采，配備動力定位控制系統(tǒng)的船舶越來越多。船舶 動力定位控制系統(tǒng)的主要目的是通過控制船舶的驅(qū)動設(shè)備將船舶控制在指定位置。海洋環(huán) 境干擾的不斷變化與船舶運(yùn)動模型中的非線性問題，為船舶運(yùn)動控制增加了難度。因此，如 何有效抵抗環(huán)境干擾以及對船舶運(yùn)動中的非線性成為動力定位控制系統(tǒng)研究的熱點和難 點。
[0003] 目前，船舶動力定位控制系統(tǒng)所采用的非線性控制方法大多是在模型建立的基礎(chǔ) 上進(jìn)行控制的，但是精確的系統(tǒng)模型很難建立。因此，對于船舶運(yùn)動模型中的非線性問題進(jìn) 行控制是十分必要的。另外，船舶運(yùn)動中會受到風(fēng)、浪、流等各種環(huán)境干擾的影響，對于如何 補(bǔ)償這些干擾的研究具有十分重要的現(xiàn)實意義。本發(fā)明的船舶三自由度運(yùn)動控制系統(tǒng)可以 有效解決船舶運(yùn)動模型的非線性問題，并將環(huán)境干擾以及船舶模型中的不確定項、耦合項、 未知項當(dāng)成等效干擾進(jìn)行控制，并對等效干擾進(jìn)行有效補(bǔ)償。
[0004] 經(jīng)文獻(xiàn)檢索發(fā)現(xiàn)，中國專利CN103592849A針對一種船舶動力定位控制方法對船舶 縱向、橫向、艏向三個自由度進(jìn)行控制，運(yùn)用廣義預(yù)測控制器通過推力分配模塊將縱向、橫 向、艏向三個方向的力矩施加到船舶動態(tài)運(yùn)動模型中對船舶運(yùn)動進(jìn)行控制，但是該方法沒 有充分考慮船舶運(yùn)動模型的非線性和未知干擾的不確定性。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明的目的在于提供一種針對船舶運(yùn)動控制中存在的模型非線性、耦合和不斷 變化的環(huán)境干擾，對縱向、橫向、艏向三個自由度進(jìn)行控制并對等效干擾進(jìn)行補(bǔ)償和估計來 設(shè)計縱向、橫向、艏向三個非線性控制器的基于等效干擾補(bǔ)償?shù)拇皠恿Χㄎ豢刂葡到y(tǒng)。
[0006] 本發(fā)明的目的是這樣實現(xiàn)的：
[0007] 基于等效干擾補(bǔ)償?shù)拇皠恿Χㄎ豢刂葡到y(tǒng)，包括顯控計算機(jī)（1)，縱向控制器 (2)，橫向控制器(3)，艏向控制器(4)，推力系統(tǒng)(5)，動力定位船舶(6);其中縱向控制器(2) 包括縱向路徑生成器(7)、縱向擴(kuò)張狀態(tài)觀測器（10)、縱向誤差反饋控制器(8)、縱向干擾補(bǔ) 償因子（11)、縱向干擾補(bǔ)償器(9);橫向控制器⑶包括橫向路徑生成器（12)、橫向擴(kuò)張狀態(tài) 觀測器（15)、橫向誤差反饋控制器（13)、橫向干擾補(bǔ)償器（14)、橫向干擾補(bǔ)償因子（16);艏 向控制器(4)包括艏向路徑生成器（17)、艏向擴(kuò)張狀態(tài)觀測器（20)、艏向誤差反饋控制器 (18)、艏向干擾補(bǔ)償器(19)、艏向干擾補(bǔ)償因子(21);
[0008] 動力定位船舶(6)的GPS (22)和陀螺儀(23)對船舶的實際位姿信息進(jìn)行采集，將采 集到的實際位姿信息傳遞給顯控計算機(jī)、縱向擴(kuò)張狀態(tài)觀測器、橫向擴(kuò)張狀態(tài)觀測器和艏 向擴(kuò)張狀態(tài)觀測器;縱向擴(kuò)張狀態(tài)觀測器、橫向擴(kuò)張狀態(tài)觀測器和艏向擴(kuò)張狀態(tài)觀測器對 實際位姿信息進(jìn)行估計得到實際位姿信息估計值以及等效干擾估計值；
[0009] 顯控計算機(jī)將期望位姿信息同時傳送給縱向路徑生成器、橫向路徑生成器和艏向 路徑生成器;縱向路徑生成器、橫向路徑生成器和艏向路徑生成器對獲得的期望位姿信息 進(jìn)行平滑處理得到平滑的期望位姿信息；
[0010] 縱向誤差反饋控制器、橫向誤差反饋控制器和艏向誤差反饋控制器對實際位姿信 息估計值和平滑的期望位姿信息進(jìn)行誤差控制得到標(biāo)稱系統(tǒng)下的縱向控制量、橫向控制 量、艏向控制量，
[0011] 縱向干擾補(bǔ)償器、橫向干擾補(bǔ)償器和艏向干擾補(bǔ)償器根據(jù)縱向干擾補(bǔ)償因子、橫 向干擾補(bǔ)償因子和艏向干擾補(bǔ)償因子對縱向誤差反饋控制器、橫向誤差反饋控制器和艏向 誤差反饋控制器輸出的縱向控制量、橫向控制量、艏向控制量進(jìn)行補(bǔ)償?shù)玫酵屏ο到y(tǒng)的縱 向控制輸入量、橫向控制輸入量和艏向控制輸入量，所述的縱向干擾補(bǔ)償因子、橫向干擾補(bǔ) 償因子和艏向干擾補(bǔ)償因子是縱向干擾補(bǔ)償器、橫向干擾補(bǔ)償器和艏向干擾補(bǔ)償器根據(jù)縱 向擴(kuò)張狀態(tài)觀測器、橫向擴(kuò)張狀態(tài)觀測器和艏向擴(kuò)張狀態(tài)觀測器對等效干擾估計值產(chǎn)生的 干擾項獲得的；
[0012] 推力系統(tǒng)根據(jù)控制輸入量對船舶的執(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)行控制達(dá)到期望的位姿狀態(tài)；
[0013] 所述的位姿信息包括GPS(22)采集的實際橫向、縱向位置x，y，陀螺儀(23)采集的 實際艏向Φ。
[0014] 所述的縱向擴(kuò)張狀態(tài)觀測器為：
[0015] ^=y-x
[0016] .v = -A
[0017] +
[0018]
[0019] r'=(r,
[0020] 其中，ex為縱向位置估計I與縱向?qū)嶋H位置x的誤差，i為速度估計值，?。為上一時 刻的速度估計值，I為加速度估計值，I為縱向等效擾動的估計值，^為擾動估計值產(chǎn)生的 干擾項，ftd為縱向速度誤差系數(shù)，βχ2為縱向加速度誤差系數(shù)，βχ3為縱向等效干擾誤差系數(shù)， αχ為縱向誤差飽和函數(shù)的參數(shù)，h為采樣步長，ρχ〇為縱向控制器的補(bǔ)償因子，τχ為補(bǔ)償后的 縱向控制量，fal x(ex，ax，h)為縱向誤差飽和函數(shù)，τχ〇為縱向誤差反饋控制器輸出的標(biāo)稱系 統(tǒng)下的縱向控制量；
[0021] 所述的橫向擴(kuò)張狀態(tài)觀測器為：
[0022] ev'=y-y
[0023] .(' =九->6>.
[0024] v - Ιτν-βνφ1ν (c>r,a,,/?) + pr(iri(!
[0025] by =-firJair{evM.vjT)
[0026] τ] =(r,
[0027] 其中，ey為橫向位置估計{與橫向?qū)嶋H位置χ的誤差，多為速度估計值，i為上一時 刻的速度估計值，f為加速度估計值，I為橫向等效擾動的估計值，&為擾動估計值產(chǎn)生的 干擾項，0yl為橫向速度誤差系數(shù)，βγ2為橫向加速度誤差系數(shù)，βγ3為橫向等效干擾誤差系數(shù)， %為橫向誤差飽和函數(shù)的參數(shù)，h為采樣步長，pyo為橫向控制器的補(bǔ)償因子，τγ為補(bǔ)償后的 橫向控制量，f aly (ey，ay，h)為橫向誤差飽和函數(shù)，TyQ為橫向誤差反饋控制器輸出的標(biāo)稱系 統(tǒng)下的橫向控制量；
[0028]所述的艏向擴(kuò)張狀態(tài)觀測器為：
[0029] ev =ψ-ψ
[0030] Ψ^Ψα~βψΧ￡ψ
[0031 ] Ψ =?),,_ βυ:Μ,(^,'υ? + Ρ為Q
[0032]
[0033]
[0034] θφ為艏向估計與實際艏向的誤差，#為艏向估計，為艏向速度估計，為上一時 刻的艏向速度估計，#為艏向加速度估計，i為艏向等效擾動的估計，f aU( ，αΦ，h)為艏向 飽和函數(shù)，PW為艏向控制器的補(bǔ)償因子，τΦ為艏向擴(kuò)張狀態(tài)觀測器對標(biāo)稱系統(tǒng)下的輸出控 制量進(jìn)行補(bǔ)償后的艏向控制量，&艏向擾動估計產(chǎn)生的干擾項，1?為艏向誤差反饋控制器 輸出的標(biāo)稱系統(tǒng)下的橫向控制量，β?為艏向速度誤差系數(shù)，βΦ2為艏向加速度誤差系數(shù)， 為艏向等效干擾誤差系數(shù)，αψ為艏向誤差飽和函數(shù)的參數(shù)；
[0035] 其中，如，蛄分別為艏向路徑生成器作用前、后的期望艏向，匕pfe分別為期望艏 向的導(dǎo)數(shù)和期望艏向角速度，ω_為艏向路徑生成器振蕩環(huán)節(jié)固有頻率，ζ Φ為艏向路徑生成 器振蕩環(huán)節(jié)相對阻尼比，^為艏向路徑生成器的控制輸入，δΦ為艏向路徑生成器設(shè)計參 數(shù)；，，，，β Φ1，βΦ2，β?，αΦ為與系統(tǒng)采樣步長有關(guān)的艏向擴(kuò)張狀態(tài)觀測器參數(shù)，，，； ew為期望艏 向Φ<η與艏向估計#之間的誤差，為艏向誤差誤差反饋控制器輸出的控制量，k?，b2為艏 向控制增益，αφ?，α Φ2為艏向誤差誤差反饋控制器參數(shù)，σΦ為與系統(tǒng)的誤差范圍有關(guān)的艏向誤 差誤差反饋控制器參數(shù)。
[0036]所述的縱向路徑生成器為
[0037] Xdl = Xd2
[0038] 乂心=- λΑλ! - A 1.? 1? -
[0039] xdlS縱向路徑生成器作用后的縱向期望位置，為上一時刻縱向期望速度;xd2為 縱向路徑生成器的縱向期望速度，毛 2為縱向路徑生成器的縱向期望加速度;Xd為縱向期望 位置；ωηχ縱向路徑生成器振蕩環(huán)節(jié)固有頻率，ζ χ縱向路徑生成器振蕩環(huán)節(jié)相對阻尼比，δχ 為縱向路徑生成器設(shè)計參數(shù)；
[0040] 橫向路徑生成器為：
[0041] ydx^ydl
[0042 ]九2 = 4 |>v21 )，?/2 - 2(v<wm'>V2
[0043] ydl為橫向路徑生成器作用后的期望縱向位置，大《為上一時刻的橫向期望速度;yd2 為橫向路徑生成器作用后的橫向期望速度，iW為橫向路徑生成器的期望縱向加速度;yd為 橫向期望位置；ω ηγ橫向路徑生成器振蕩環(huán)節(jié)固有頻率，ζγ橫向路徑生成器振蕩環(huán)節(jié)相對阻 尼比，橫向路徑生成器設(shè)計參數(shù)；
[0044] 所述的艏向路徑生成器：
[0045] ￥dX=Wd2
[0046] ψ?2 = -5ψ \ψ(Ι1\ψ?η -2ζφωηψψ?1
[0047] Φ<η為艏向路徑生成器作用后的期望縱向位置，匕#上一時刻的艏向期望速度;如2 為艏向路徑生成器作用后的艏向期望速度，為艏向路徑生成器的期望縱向加速度;如為 艏向期望位置；ωηΦ艏向路徑生成器振蕩環(huán)節(jié)固有頻率，ζ Φ艏向路徑生成器振蕩環(huán)節(jié)相對阻 尼比，心為艏向路徑生成器設(shè)計參數(shù)。
[0048]所述的縱向誤差反饋控制器為：
[0049]
[0050] exi=xdl-x
[0051 ] τχ0 = kxifalxi (exi，αχ1，δχ) +kx2falx2 (eX2，αχ2，δχ)
[0052] 其中，exl為縱向期望位置站與縱向位置估計$的誤差，ex2為縱向期望速度'與縱 向速度估計I的誤差，k xl為誤差exl的控制增益kX2為誤差eX2的控制增益，α χ1為誤差exl的控制 參數(shù)，αχ2為誤差eX2的控制參數(shù)，δ χ為縱向反饋控制器參數(shù)，€&1\1(6\1，(^1，5〇為誤差6\1的飽 和函數(shù)，€&]^2(6^，<^2人)為誤差6^的飽和函數(shù)；
[0053] 所述的橫向誤差反饋控制器為：
[0054] ->-a-ν
[0055] ^2 = vrfl~/
[0056] τγ0 = kyifalyi (eyi, ayl, oy) +ky2faly2 (ey2, αΥ2, 〇y)
[0057] 其中，eyl為橫向期望位置ydi與橫向位置估計I的誤差，ey2為橫向期望速度λπ與橫 向速度估計f的誤差，k yl為誤差eyl的控制增益ky2為誤差ey2的控制增益，a yl為誤差eyl的控制 參數(shù)，ay2為誤差ey2的控制參數(shù)，δ γ為橫向反饋控制器參數(shù)，€&1^^1，(^1乂)為誤差6^的飽 和函數(shù)，€&]^2^2，<^2,3\)為誤差6\2的飽和函數(shù) ；
[0058]所述的艏向誤差反饋控制器為：
[0059] &η = ψιη-ψ
[0060] ^ψ1·=ψ?Χ-φ
[0061 ] τφ〇 = 1?φ??^1φ?(θφ?，αψι，σφ)+1?φ2?^1φ2(θφ2，αψ2，σψ)
[0062]其中，e?為艏向期望位置Φ<η與艏向位置估計#的誤差，叫為艏向期望速度火占 臘向速度估計0的誤差，kij)l為誤差ΘΦ1的控制增益kij)2為誤差ΘΦ2的控制增益，αψ?為誤差ΘΦ1的 控制參數(shù)，αφ2為誤差ΘΦ2的控制參數(shù)，δφ為艏向反饋控制器參數(shù)，€&11])1(6 1])1，€[1))1，51)))為誤差61] )1 的飽和函數(shù)，f aU2 (ΘΦ2，αΦ2，δφ)為誤差ΘΦ2的飽和函數(shù)。
[0063] 所述的動力定位船舶的三自由度低頻運(yùn)動模型為：
[0064] ? = ?Ι(η)..υ
[0065] Μ? = -D (υ) υ - C (υ) υ + bp +1
[0066] 其中，η為船舶位置和艏向向量，n=[x，y，it]，?為船舶位置和艏向向量在地固坐標(biāo) 系下的速度向量，U為船舶在附體坐標(biāo)系下的速度向量U = [U，V，r ]，u，V是船舶橫向和縱向 速度，r為船舶艏向角速度，J(II)是地固坐標(biāo)系與附體坐標(biāo)系之間的轉(zhuǎn)換矩陣；Μ為系統(tǒng)慣 性矩陣;C(u)為與船舶速度有關(guān)的科里奧利向心力矩陣;D(u)為與船舶速度有關(guān)的阻尼矩 陣；b為低頻干擾力，τ為控制向量，τ = [τχ, τγ，τΦ] ; M、C〇)、D〇)的具體形式為
[0067] 其中，mn、m22、m33為船舶縱向、橫向、艏向的系統(tǒng)慣性質(zhì)量，m23、m 32為船舶橫向與艏 向耦合的系統(tǒng)慣性質(zhì)量;c12、c21為船舶縱向與橫向耦合的科里奧利向心力，c 13、c31是縱向與 艏向耦合的科里奧利向心力，c23、c32是橫向與艏向耦合的科里奧利向心力;dn、d 22、d33為船 舶縱向、橫向、艏向的阻尼，d23、d32為船舶縱向與艏向耦合的阻尼；將系統(tǒng)模型M、C(u)、D (u)中的耦合項以及船舶運(yùn)動模型中的非線性項和外部環(huán)境擾動如風(fēng)、浪、流作為等效干擾 來處理，則船舶模型轉(zhuǎn)化為：
[0068]船舶縱蕩運(yùn)動模型：
[0069]
[0070] .? = ./: (.η，λ-2) + +4
[0071 ]船舶橫蕩運(yùn)動模型：
[0072] K = .?
[0073] 爲(wèi)=./;' (乃，J'2) + d + 夂 [0074]船舶艏搖運(yùn)動模型：
[0075] =ψ2
[0076] ψ2=.?Ψ{ψνΨ2) + Ρ^Ψ+^ψ
[0077] 其中，Χ1，Χ2為船舶模型轉(zhuǎn)化后的縱向位置、縱向速度，fx( X1，X2)為轉(zhuǎn)化后的與縱向 位置、速度相關(guān)的非線性函數(shù)，Ρχ為轉(zhuǎn)化后的縱向控制力系數(shù)，τ χ為縱向控制力，bx為包含系 統(tǒng)內(nèi)部耦合和外部環(huán)境擾動的縱向等效干擾;yi，y2為船舶模型轉(zhuǎn)化后的橫向位置、速度，fy (yi，y2)為轉(zhuǎn)化后的與橫向位置、速度相關(guān)的非線性函數(shù)，py為轉(zhuǎn)化后的橫向控制力系數(shù)，i y 為橫向控制力，by為包含系統(tǒng)內(nèi)部耦合和外部環(huán)境擾動的橫向等效干擾;ih，Φ2為船舶模型 轉(zhuǎn)化后的艏向角、艏向角速度，?φ(Φ?，Φ2)為轉(zhuǎn)化后的與艏向角度、角速度相關(guān)的非線性函 數(shù)，ΡΦ為轉(zhuǎn)化后的艏向控制力系數(shù)，τ φ為艏向控制力矩，13Φ為包含系統(tǒng)內(nèi)部耦合和外部環(huán)境 擾動的艏向等效干擾。
[0078]本發(fā)明的有益效果在于:本發(fā)明提出的動力定位船舶低頻運(yùn)動縱向、橫向、艏向三 個控制器能夠分別對船舶三自由度運(yùn)動進(jìn)行控制，將耦合項和非線性項以及外部環(huán)境擾動 當(dāng)成等效干擾進(jìn)行處理，通過擴(kuò)張狀態(tài)觀測器對等效擾動進(jìn)行估計和補(bǔ)償，從而更好的控 制船舶定位到期望狀態(tài)。
【附圖說明】
[0079]圖1基于等效干擾的船舶動力定位控制系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖。
【具體實施方式】
[0080]下面結(jié)合附圖對本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)描述：
[0081 ]圖1中1 一顯控計算機(jī);2-縱向控制器;3-橫向控制器;4 一臘向控制器;5-推力 系統(tǒng);6-動力定位船舶;7-縱向路徑生成器;8-縱向誤差反饋控制器;9 一縱向干擾補(bǔ)償 器；10-縱向擴(kuò)張狀態(tài)觀測器；11 一縱向干擾補(bǔ)償因子；12-橫向路徑生成器；13-橫向反 饋控制器；14 一橫向干擾補(bǔ)償器；15-橫向擴(kuò)張狀態(tài)觀測器；16-橫向干擾補(bǔ)償因子；17- 艏向路徑生成器；18-艏向反饋控制器；19 一艏向干擾補(bǔ)償器;20-艏向擴(kuò)張狀態(tài)觀測器； 21 -艏向干擾補(bǔ)償因子;22 - GPS (全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)）；23-陀螺儀。
[0082]本發(fā)明涉及一種基于等效干擾補(bǔ)償?shù)拇皠恿Χㄎ豢刂葡到y(tǒng)。顯控計算機(jī)能夠?qū)?時顯示船舶位置和艏向，并將設(shè)定的船舶期望位置和艏向傳遞到縱向、橫向、艏向控制器 中；縱向、橫向、艏向控制器根據(jù)期望位置和艏向?qū)Υ斑M(jìn)行非線性控制，從而得到推力系 統(tǒng)中縱向、橫向、艏向控制量，進(jìn)而控制船舶達(dá)到期望狀態(tài)。在對船舶運(yùn)動模型進(jìn)行處理的 過程中，將模型中的耦合項、非線性項和外部環(huán)境擾動當(dāng)作等效干擾來處理，對船舶的三個 自由度進(jìn)行控制。所設(shè)計的縱向、橫向、艏向三個控制器中的路徑生成器根據(jù)顯控計算機(jī)中 設(shè)定的船舶期望位姿階躍信號進(jìn)行處理，得到平滑的期望位姿和期望速度信息;控制器中 的擴(kuò)張狀態(tài)觀測器將等效干擾擴(kuò)張成狀態(tài)變量并對該變量進(jìn)行估計和補(bǔ)償，同時對船舶的 實際位姿和速度信息進(jìn)行估計，將估計值傳送給誤差反饋控制器，進(jìn)而得到推力系統(tǒng)的各 個控制量;而誤差反饋控制器對路徑生成器輸出的期望位姿、期望速度和狀態(tài)觀測器產(chǎn)生 的估計位姿、估計速度進(jìn)行誤差反饋控制，得到標(biāo)稱系統(tǒng)下的控制量;推力系統(tǒng)根據(jù)各個自 由度的控制量對執(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)行推力控制，從而控制船舶達(dá)到期望位姿狀態(tài)。此發(fā)明的優(yōu)點 在于不需要船舶運(yùn)動的精確數(shù)學(xué)模型，將模型中的耦合項、不確定項和非線性項當(dāng)成等效 干擾，利用擴(kuò)張狀態(tài)觀測器將等效干擾擴(kuò)張成一個狀態(tài)并對該狀態(tài)進(jìn)行估計和補(bǔ)償，通過 誤差反饋控制器對位置、艏向與速度進(jìn)行誤差反饋控制，進(jìn)而解決船舶動力定位控制系統(tǒng) 中的耦合、不確定和非線性問題，提高了系統(tǒng)的魯棒性和控制精度。
[0083]本發(fā)明的目的是通過以下技術(shù)方案實現(xiàn)的：
[0084]本發(fā)明的基于等效干擾的船舶動力定位控制系統(tǒng)包括顯控計算機(jī)（1 )，縱向控制 器(2)，橫向控制器(3)，艏向控制器(4)，推力系統(tǒng)(5)，動力定位船舶(6)。其中，縱向控制器 (2)包括縱向路徑生成器(7)、縱向擴(kuò)張狀態(tài)觀測器（10)、縱向誤差反饋控制器(8)、縱向干 擾補(bǔ)償器(11)、縱向干擾補(bǔ)償因子(9);橫向控制器(3)包括橫向路徑生成器（12)、橫向擴(kuò)張 狀態(tài)觀測器（15)、橫向誤差反饋控制器（13)、橫向干擾補(bǔ)償器（14)、橫向干擾補(bǔ)償因子 (16);艏向控制器(4)包括艏向路徑生成器（17)、艏向擴(kuò)張狀態(tài)觀測器(20)、艏向誤差反饋 控制器（18)、艏向干擾補(bǔ)償器（19)、艏向干擾補(bǔ)償因子(21);動力定位船舶(6)上的位置和 艏向是通過GPS(22)采集船舶橫向和縱向位置，通過陀螺儀(23)采集艏向信息。顯控計算機(jī) (1)將設(shè)定的船舶期望位置和期望艏向信息傳遞到縱向控制器(2)、橫向控制器(2)和艏向 控制器(3)中，縱向控制器(2)、橫向控制器(3)、艏向控制器(4)對縱向、橫向位置和艏向信 息進(jìn)行非線性控制得到推力系統(tǒng)(5)中橫向、縱向、艏向控制量，從而對動力定位船舶(6)進(jìn) 行控制使得船舶能夠定位到期望狀態(tài)。
[0085] 1)顯控計算機(jī)（1)能夠?qū)崟r顯示船舶的橫向、縱向位置和艏向信息，并能夠?qū)⒃O(shè)定 的船舶期望位置和期望艏向信息傳遞給縱向、橫向、艏向控制器。
[0086] 2)縱向控制器(2)對顯控計算機(jī)(1)中將設(shè)定的期望橫向位置信息，經(jīng)過縱向路徑 生成器（7)的處理可以得到平滑的期望縱向和期望縱向微分信號；縱向擴(kuò)張狀態(tài)觀測器 (10)對船舶實際縱向位置信息進(jìn)行估計得到縱向位置、速度的估計，同時對縱向等效干擾 進(jìn)行估計和補(bǔ)償，得到縱向等效干擾的估計值并在縱向補(bǔ)償器的作用下對標(biāo)稱系統(tǒng)下的縱 向控制量進(jìn)行補(bǔ)償，得到縱向控制器的輸出控制量，并將其傳遞給推力系統(tǒng)(5)?？v向反饋 控制器(8)對縱向擴(kuò)張狀態(tài)觀測器（10)輸出的縱蕩位置、速度估計信息與縱向路徑生成器 (7)輸出的期望位置、速度信息進(jìn)行誤差反饋控制得到標(biāo)稱系統(tǒng)下的縱蕩控制量。
[0087] 3)橫向控制器(3)對顯控計算機(jī)(1)中將設(shè)定的期望橫向位置，經(jīng)過橫向路徑生成 器(7)的處理可以得到平滑的期望橫向和期望橫向微分信號;橫向狀態(tài)觀測器（15)對船舶 實際橫向位置信息進(jìn)行估計，得到橫向期位置、速度的估計，同時對橫向等效干擾進(jìn)行估計 和補(bǔ)償，得到橫向等效干擾的估計值并在橫向補(bǔ)償器的作用下對標(biāo)稱系統(tǒng)下的橫向控制量 進(jìn)行補(bǔ)償，得到橫向控制器的輸出控制量，并將其傳遞給推力系統(tǒng)（5)。橫向誤差反饋控制 器（13)對橫向擴(kuò)張狀態(tài)觀測器（15)輸出的橫向位置、速度估計信息與橫向路徑生成器(7) 輸出的期望位置、期望速度信息進(jìn)行誤差反饋控制得到標(biāo)稱系統(tǒng)下的橫向控制量。
[0088] 4)艏向控制器(4)對顯控計算機(jī)（1)中將設(shè)定的期望艏向信息經(jīng)過艏向路徑生成 器（17)的處理，得到平滑的期望艏向信息和期望艏向微分信息;艏向擴(kuò)張狀態(tài)觀測器(20) 對船舶實際艏向信息進(jìn)行估計得到艏向信息、艏向角速度的估計，同時對艏向等效干擾進(jìn) 行估計和補(bǔ)償，得到艏向等效擾動的估計并在艏向補(bǔ)償器的作用下對標(biāo)稱系統(tǒng)下的艏向控 制量進(jìn)行補(bǔ)償。艏向誤差反饋控制器（18)對艏向擴(kuò)張狀態(tài)觀測器(20)輸出的艏向角度、角 速度估計信息與艏向路徑生成器(17)輸出的期望角度、期望角速度信息進(jìn)行誤差反饋控制 得到推力系統(tǒng)(5)的艏向控制量。
[0089] 5)推力系統(tǒng)(5)根據(jù)縱向控制器(2)、橫向控制器(3)、艏向控制器(4)輸出的縱向、 橫向、艏向控制量對船舶執(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)行控制，使得船舶達(dá)到期望狀態(tài)。
[0090] 如圖1所示，本發(fā)明將考慮動力定位船舶低頻運(yùn)動模型，設(shè)計由縱向、橫向、艏向三 個控制器組成的船舶運(yùn)動控制系統(tǒng)包括顯控計算機(jī)、縱向控制器、橫向控制器、艏向控制 器、推力系統(tǒng)、動力定位船。
[0091 ]船舶三自由度(縱蕩、橫蕩、艏搖)低頻運(yùn)動模型為：
[0094]其中，η為船舶位置和艏向向量(n=[x，y，it]，x，y為船舶橫向和縱向位置，Φ為船舶 艏向角），?為船舶位置和艏向向量在地固坐標(biāo)系下的速度向量，u為船舶在附體坐標(biāo)系下的 速度向量(〇=[11^^]，11^是船舶橫向和縱向速度4為船舶艏向角速度），氕11)是地固坐標(biāo) 系與附體坐標(biāo)系之間的轉(zhuǎn)換矩陣；Μ為系統(tǒng)慣性矩陣;C(u)為與船舶速度有關(guān)的科里奧利 向心力矩陣;D〇)為與船舶速度有關(guān)的阻尼矩陣;b為低頻干擾力，τ為控制向量(τ = [τχ，τγ, τΦ]，τx，τy為船舶橫向、縱向控制力，τφ為艏向控制力矩） ；M、C(υ)、D(υ)的具體形式為
[0095]其中，mn、m22、m33為船舶縱向、橫向、艏向的系統(tǒng)慣性質(zhì)量，m23、m 32為船舶橫向與艏 向耦合的系統(tǒng)慣性質(zhì)量;c12、C21為船舶縱向與橫向耦合的科里奧利向心力，C13、C 31是縱向與 艏向耦合的科里奧利向心力，C23、c32是橫向與艏向耦合的科里奧利向心力;dn、d 22、d33為船 舶縱向、橫向、艏向的阻尼，d23、d32為船舶縱向與艏向耦合的阻尼。如果將系統(tǒng)模型總M、c (u)、D(u)中的耦合項以及船舶運(yùn)動模型中的非線性項和外部環(huán)境擾動如風(fēng)、浪、流等當(dāng)成 等效干擾來處理，則船舶模型可以轉(zhuǎn)化為：
[0096] 1)船舶縱蕩運(yùn)動模型：
[0097] -V, =
[0098] i2 = ./； + +?
[0099] 2)船舶橫蕩運(yùn)動模型：
[0100] 兔=少2
[0101] + PrTr+b,
[0102] 3)船舶艏搖運(yùn)動模型：
[0103]
[0104] ^2=4(^,,^2 ) + ^^+%
[0105] 其中，X1，X2為船舶模型轉(zhuǎn)化后的縱向位置、縱向速度，fx( X1，X2)為轉(zhuǎn)化后的與縱向 位置、速度相關(guān)的非線性函數(shù)，Ρχ為轉(zhuǎn)化后的縱向控制力系數(shù)，τ χ為縱向控制力，bx為包含系 統(tǒng)內(nèi)部耦合和外部環(huán)境擾動的縱向等效干擾;yi，y2為船舶模型轉(zhuǎn)化后的橫向位置、速度，fy (yi，y2)為轉(zhuǎn)化后的與橫向位置、速度相關(guān)的非線性函數(shù)，py為轉(zhuǎn)化后的橫向控制力系數(shù)，i y 為橫向控制力，by包含系統(tǒng)內(nèi)部耦合和外部環(huán)境擾動的橫向等效干擾;ih，Φ2為船舶模型轉(zhuǎn) 化后的艏向角、艏向角速度，?φ(Φ? >2)為轉(zhuǎn)化后的與艏向角度、角速度相關(guān)的非線性函數(shù)， ΡΦ為轉(zhuǎn)化后的臘向控制力系數(shù)，τΦ為臘向控制力矩，bij；為包含系統(tǒng)內(nèi)部親合和外部環(huán)境擾動 的艏向等效干擾。
[0106] 根據(jù)得到的基于等效干擾的船舶運(yùn)動模型分別設(shè)計船舶縱向、橫向、艏向三個控 制器。
[0107] 1)船舶縱向控制器
[0108] 為了得到顯控計算機(jī)輸出的期望縱向位置Xd的光滑輸入曲線，設(shè)計了縱向路徑生 成器，能夠得到平穩(wěn)、光滑的期望位置XddP其導(dǎo)數(shù)+ ￡/1。由于船舶縱蕩運(yùn)動的給定期望位置 信號是階躍信號，考慮船舶縱蕩運(yùn)動的速度和加速度的有界性，參考模型的帶寬必須低于 船舶控制系統(tǒng)的帶寬，因此用一階低通濾波器的低通特性能夠滿足跟蹤性能和穩(wěn)定性。為 了便于生成平滑的期望路徑，利用二階振蕩環(huán)節(jié)的動態(tài)特性進(jìn)行設(shè)計。將一階低通濾波器 與二階振蕩環(huán)節(jié)進(jìn)行串聯(lián)形成路徑生成參考模型，縱向路徑生成器的設(shè)計如下：
[0109] XM=XJ2
[0110] = co\nrx - co\nxdl - ^ |^21x[/2 - 2ζχωχχ?2
[0111] Xd，xd^別為縱向路徑生成器作用前、后的期望縱向位置;七2為船舶縱向加速度 信息；ωχη縱向路徑生成器振蕩環(huán)節(jié)固有頻率，ζ χ縱向路徑生成器振蕩環(huán)節(jié)相對阻尼比，rx 為路徑生成器控制輸入，心為縱向路徑生成器設(shè)計參數(shù)。
[0112] 為了更好的控制船舶跟蹤期望縱向位置，首先將船舶運(yùn)動模型中的縱向等效干擾 擴(kuò)張成狀態(tài)變量bx，對該狀態(tài)進(jìn)行估計和補(bǔ)償，同時需要對動力定位船舶GPS中采集的縱向 位置X進(jìn)行估計，由于船舶縱蕩運(yùn)動是非線性的，故將縱向擴(kuò)張狀態(tài)觀測器設(shè)計為
[0113] ex = X-x
[0114] i = .r-/?u^
[0115] Λ; - ?\ - f\JutK /^i：!rv
[0116]
[0117]
[0118] 其中，ex為縱向位置估計無與縱向?qū)嶋H位置x的誤差，i為加速度估計值，灰為縱向 等效擾動的估計值，&為擾動估計值產(chǎn)生的干擾項，ftd，β χ2，βχ3，αχ為縱蕩擴(kuò)張狀態(tài)觀測器參 數(shù)，由系統(tǒng)所用采樣步長決定的，pXQ為縱向控制器的補(bǔ)償因子，falx(ex，a x，h)為與縱向誤差 相關(guān)的縱向飽和函數(shù)，其作用是抑制信號抖振，τχ〇為縱向誤差反饋控制器輸出的標(biāo)稱系統(tǒng) 下的縱向控制量。
[0119] 縱向誤差反饋控制器將縱向路徑生成器和縱向擴(kuò)張狀態(tài)觀測器產(chǎn)生的狀態(tài)變量 估計進(jìn)行誤差反饋控制，因此縱向誤差反饋控制器的設(shè)計為
[0120] WX
[0121] ex2=xdl-x
[0122 ] τχ0 = kxifalxi (exi，αχ1，δχ) +kx2falx2 (eX2，αχ2，δχ)
[0123] 其中，exl為縱向期望位置^:與縱向位置估計i的誤差，ex2縱向期望速度與縱向 速度估計i的誤差，k xl，kx2為控制增益，αχ1，αχ^縱向誤差反饋控制器非線性因子，δ χ為縱向 反饋控制器參數(shù)，與系統(tǒng)的誤差范圍有關(guān)。
[0124] 2)橫向控制器的設(shè)計為

[0128] 其中，yd，ydl*別為橫向路徑生成器作用前、后的期望橫向位置，ik,:yd2分別為期望 橫向位置的導(dǎo)數(shù)和期望橫向速度；ω γη為橫向路徑生成器振蕩環(huán)節(jié)固有頻率，ζγ為橫向路徑 生成器振蕩環(huán)節(jié)相對阻尼比，r y為橫向路徑生成器的控制輸入，δχ為縱向路徑生成器設(shè)計參 數(shù);ey為橫向位置估計與橫向?qū)嶋H位置的誤差，i為橫向位置估計，?為橫向速度估計，j)為 橫向加速度估計，^為橫向等效總擾動的估計，橫向擾動估計產(chǎn)生的干擾項，Pyl，Py2，Py3， %為與系統(tǒng)采樣步長有關(guān)的橫向擴(kuò)張狀態(tài)觀測器參數(shù)，faly(ey，ay，h)為橫向飽和函數(shù)，p y0 為橫向控制器的補(bǔ)償因子，為橫向擴(kuò)張狀態(tài)觀測器對標(biāo)稱系統(tǒng)下的輸出控制量進(jìn)行補(bǔ)償 后的橫向控制量;eyl為橫向期望位置yd@橫向位置估計#之間的誤差，為橫向誤差反饋 控制器在標(biāo)稱系統(tǒng)下輸出的控制量，k yl，ky2為橫向控制增益，ayl，％2為橫向誤差反饋控制器 參數(shù)，〇 y為與系統(tǒng)的誤差范圍有關(guān)的橫向誤差反饋控制器參數(shù)。
[0129] 3)艏向控制器的設(shè)計為
[0133]其中，分別為艏向路徑生成器作用前、后的期望艏向，匕V，-分別為期望艏 向的導(dǎo)數(shù)和期望艏向角速度，ω_為艏向路徑生成器振蕩環(huán)節(jié)固有頻率，ζΦ為艏向路徑生成 器振蕩環(huán)節(jié)相對阻尼比，ο為艏向路徑生成器的控制輸入，δφ為艏向路徑生成器設(shè)計參數(shù)； ΘΦ為艏向估計與實際艏向的誤差，#為艏向估計，#為艏向速度估計，#為艏向加速度估計， ^為艏向等效擾動的估計，4艏向擾動估計產(chǎn)生的干擾項，βφ?，βφ2，βφ3，αφ為與系統(tǒng)采樣步 長有關(guān)的艏向擴(kuò)張狀態(tài)觀測器參數(shù)，faU(e^c^，h)為艏向飽和函數(shù)，PW為艏向控制器的補(bǔ) 償因子，τΦ為艏向擴(kuò)張狀態(tài)觀測器對標(biāo)稱系統(tǒng)下的輸出控制量進(jìn)行補(bǔ)償后的艏向控制量； ew為期望艏向恥1與艏向估計#之間的誤差，τΦ〇為艏向誤差反饋控制器輸出的控制量，kw， k·?為艏向控制增益，αΦ1，αΦ2為艏向誤差反饋控制器參數(shù)，σΦ為與系統(tǒng)的誤差范圍有關(guān)的艏 向誤差反饋控制器參數(shù)。
[0134] 4)推力系統(tǒng)根據(jù)縱向、橫向、艏搖控制器輸出的縱向、橫向、艏向控制量
[0135] ix，Ty，M進(jìn)行控制得到動力定位船舶各個執(zhí)行機(jī)構(gòu)的輸入量，進(jìn)而控制船舶達(dá)到 期望狀態(tài)
[0136] 本發(fā)明提出的動力定位船舶低頻運(yùn)動縱向、橫向、艏向三個控制器能夠分別對船 舶三自由度運(yùn)動進(jìn)行控制，將耦合項和非線性項以及外部環(huán)境擾動當(dāng)成等效干擾進(jìn)行處 理，通過擴(kuò)張狀態(tài)觀測器對等效擾動進(jìn)行估計和補(bǔ)償，從而更好的控制船舶定位到期望狀 ??τ 〇
【主權(quán)項】
1. 一種基于等效干擾補(bǔ)償?shù)拇皠恿Χㄎ豢刂葡到y(tǒng)，包括顯控計算機(jī)（1)，縱向控制器 (2)，橫向控制器(3)，艏向控制器(4)，推力系統(tǒng)(5)，動力定位船舶(6);其中縱向控制器(2) 包括縱向路徑生成器(7)、縱向擴(kuò)張狀態(tài)觀測器（10)、縱向誤差反饋控制器(8)、縱向干擾補(bǔ) 償因子（11)、縱向干擾補(bǔ)償器(9);橫向控制器⑶包括橫向路徑生成器（12)、橫向擴(kuò)張狀態(tài) 觀測器（15)、橫向誤差反饋控制器（13)、橫向干擾補(bǔ)償器（14)、橫向干擾補(bǔ)償因子（16);艏 向控制器(4)包括艏向路徑生成器（17)、艏向擴(kuò)張狀態(tài)觀測器（20)、艏向誤差反饋控制器 (18)、艏向干擾補(bǔ)償器(19)、艏向干擾補(bǔ)償因子(21);其特征在于： 動力定位船舶(6)的GPS (22)和陀螺儀(23)對船舶的實際位姿信息進(jìn)行采集，將采集到 的實際位姿信息傳遞給顯控計算機(jī)、縱向擴(kuò)張狀態(tài)觀測器、橫向擴(kuò)張狀態(tài)觀測器和艏向擴(kuò) 張狀態(tài)觀測器;縱向擴(kuò)張狀態(tài)觀測器、橫向擴(kuò)張狀態(tài)觀測器和艏向擴(kuò)張狀態(tài)觀測器對實際 位姿信息進(jìn)行估計得到實際位姿信息估計值以及等效干擾估計值； 顯控計算機(jī)將期望位姿信息同時傳送給縱向路徑生成器、橫向路徑生成器和艏向路徑 生成器;縱向路徑生成器、橫向路徑生成器和艏向路徑生成器對獲得的期望位姿信息進(jìn)行 平滑處理得到平滑的期望位姿信息； 縱向誤差反饋控制器、橫向誤差反饋控制器和艏向誤差反饋控制器對實際位姿信息估 計值和平滑的期望位姿信息進(jìn)行誤差控制得到標(biāo)稱系統(tǒng)下的縱向控制量、橫向控制量、艏 向控制量， 縱向干擾補(bǔ)償器、橫向干擾補(bǔ)償器和艏向干擾補(bǔ)償器根據(jù)縱向干擾補(bǔ)償因子、橫向干 擾補(bǔ)償因子和艏向干擾補(bǔ)償因子對縱向誤差反饋控制器、橫向誤差反饋控制器和艏向誤差 反饋控制器輸出的縱向控制量、橫向控制量、艏向控制量進(jìn)行補(bǔ)償?shù)玫酵屏ο到y(tǒng)的縱向控 制輸入量、橫向控制輸入量和艏向控制輸入量，所述的縱向干擾補(bǔ)償因子、橫向干擾補(bǔ)償因 子和艏向干擾補(bǔ)償因子是縱向干擾補(bǔ)償器、橫向干擾補(bǔ)償器和艏向干擾補(bǔ)償器根據(jù)縱向擴(kuò) 張狀態(tài)觀測器、橫向擴(kuò)張狀態(tài)觀測器和艏向擴(kuò)張狀態(tài)觀測器對等效干擾估計值產(chǎn)生的干擾 項獲得的； 推力系統(tǒng)根據(jù)控制輸入量對船舶的執(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)行控制達(dá)到期望的位姿狀態(tài)； 所述的位姿信息包括GPS(22)采集的實際橫向、縱向位置x，y，陀螺儀(23)采集的實際 艏向Φ。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于等效干擾補(bǔ)償?shù)拇皠恿Χㄎ豢刂葡到y(tǒng)，其特征在 于:所述的縱向擴(kuò)張狀態(tài)觀測器為：其中，ex為縱向位置估計i與縱向?qū)嶋H位置X的誤差，圣為速度估計值，；Ια為上一時刻的 速度估計值，I.為加速度估計值，^為縱向等效擾動的估計值，&為擾動估計值產(chǎn)生的干擾 項，ftd為縱向速度誤差系數(shù)，βχ2為縱向加速度誤差系數(shù)，βχ3為縱向等效干擾誤差系數(shù)，α χ為 縱向誤差飽和函數(shù)的參數(shù)，h為采樣步長，pxQ為縱向控制器的補(bǔ)償因子，τχ為補(bǔ)償后的縱向 控制量，fal x(ex，ax，h)為縱向誤差飽和函數(shù)，τχ〇為縱向誤差反饋控制器輸出的標(biāo)稱系統(tǒng)下 的縱向控制量； 所述的橫向擴(kuò)張狀態(tài)觀測器為： .Λ ^ i vyy i f x' .];,J 其中，ey為橫向位置估計I與橫向?qū)嶋H位置x的誤差，I為速度估計值，1?為上一時刻的 速度估計值，j)為加速度估計值，《為橫向等效擾動的估計值，4為擾動估計值產(chǎn)生的干擾 項，βγ1為橫向速度誤差系數(shù)，βγ2為橫向加速度誤差系數(shù)，βγ3為橫向等效干擾誤差系數(shù)， ％為 橫向誤差飽和函數(shù)的參數(shù)，h為采樣步長，pyQ為橫向控制器的補(bǔ)償因子，^為補(bǔ)償后的橫向 控制量，fal y(ey，ay，h)為橫向誤差飽和函數(shù)，TyQ為橫向誤差反饋控制器輸出的標(biāo)稱系統(tǒng)下 的橫向控制量； 所述的艏向擴(kuò)張狀態(tài)觀測器為：θφ為艏向估計與實際艏向的誤差，#為艏向估計，f為艏向速度估計，么為上一時刻的 艏向速度估計，^為艏向加速度估計，4^為艏向等效擾動的估計，θφ，αΦ，h)為艏向飽和 函數(shù)，PW為艏向控制器的補(bǔ)償因子，τ Φ為艏向擴(kuò)張狀態(tài)觀測器對標(biāo)稱系統(tǒng)下的輸出控制量 進(jìn)行補(bǔ)償后的艏向控制量，首向擾動估計產(chǎn)生的干擾項，τ?為艏向誤差反饋控制器輸出 的標(biāo)稱系統(tǒng)下的橫向控制量，βφ?為艏向速度誤差系數(shù)，βφ2為艏向加速度誤差系數(shù)，為艏 向等效干擾誤差系數(shù)，αφ為艏向誤差飽和函數(shù)的參數(shù)； 其中，分別為艏向路徑生成器作用前、后的期望艏向，Ud2分別為期望艏向的導(dǎo) 數(shù)和期望艏向角速度，ω_為艏向路徑生成器振蕩環(huán)節(jié)固有頻率，ζΦ為艏向路徑生成器振蕩 環(huán)節(jié)相對阻尼比，^為艏向路徑生成器的控制輸入，δ Φ為艏向路徑生成器設(shè)計參數(shù)；，，，， βφ?，βφ2，βφ3，αΦ為與系統(tǒng)采樣步長有關(guān)的艏向擴(kuò)張狀態(tài)觀測器參數(shù)，，，；θφι為期望艏向Φ<η與 艏向估計#之間的誤差，TW為艏向誤差誤差反饋控制器輸出的控制量，kw，為艏向控制 增益，αΦ1，αΦ2為艏向誤差誤差反饋控制器參數(shù)，σΦ為與系統(tǒng)的誤差范圍有關(guān)的艏向誤差誤差 反饋控制器參數(shù)。3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于等效干擾補(bǔ)償?shù)拇皠恿Χㄎ豢刂葡到y(tǒng)，其特征在 于:所述的縱向路徑生 2: Xdi為縱向路徑生肷益忭用佰的朋里悅直，上一叮剡縱向期望速度；Xd2為縱向 路徑生成器的縱向期望速度，i(?為縱向路徑生成器的縱向期望加速度;Xd為縱向期望位置； ωηχ縱向路徑生成器振蕩環(huán)節(jié)固有頻率，ζχ縱向路徑生成器振蕩環(huán)節(jié)相對阻尼比，δχ為縱向 路徑生成器設(shè)計參數(shù)； 橫向路徑生成器為：ydlS橫向路徑生成器作用后的期望縱向位置，λη為上一時刻的橫向期望速度;yd2為橫 向路徑生成器作用后的橫向期望速度，九2為橫向路徑生成器的期望縱向加速度;yd為橫向 期望位置；ω ηγ橫向路徑生成器振蕩環(huán)節(jié)固有頻率，ζγ橫向路徑生成器振蕩環(huán)節(jié)相對阻尼 比，橫向路徑生成器設(shè)計參數(shù)； 所述的艏向路徑生成器：Φ<η為艏向路徑生成器作用后的期望縱向位置，#V,為上一時刻的艏向期望速度;加2為艏 向路徑生成器作用后的艏向期望速度，為艏向路徑生成器的期望縱向加速度;加為艏向 期望位置；ωηΦ艏向路徑生成器振蕩環(huán)節(jié)固有頻率，ζφ艏向路徑生成器振蕩環(huán)節(jié)相對阻尼 比，心為艏向路徑生成器設(shè)計參數(shù)。4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于等效干擾補(bǔ)償?shù)拇皠恿Χㄎ豢刂葡到y(tǒng)，其特征在 于： 所述的縱向誤差反饋控制器為：ΤχΟ - kxlfalxl ( θχ? , 〇xl , δχ) +kx2f&lx2 ( Θχ2 , 〇χ2 , δχ) 其中，exl為縱向期望位置站與縱向位置估計f的誤差，ex2為縱向期望速度4與縱向速 度估計i.的誤差，kxi為誤差exi的控制增益kx2為誤差eX2的控制增益，αχι為誤差e xi的控制參 數(shù)，αχ2為誤差eX2的控制參數(shù)，δχ為縱向反饋控制器參數(shù)，€&1\1(6\1，(^ 1人)為誤差6\1的飽和 函數(shù)，€&]^2(6^，<^2人)為誤差6^的飽和函數(shù)； 所述的橫向誤差反饋控制器為：TyO - kylfalyl ( Gyl, Qyi, Oy) +ky2f&ly2 ( Θγ2 , Cly2 , 〇y) 其中，eyl為橫向期望位置ydl與橫向位置估計I的誤差，ey2為橫向期望速度九 1與橫向速 度估計f的誤差，kyl為誤差eyl的控制增益ky2為誤差ey2的控制增益，a yl為誤差eyl的控制參 數(shù)，ay2為誤差ey2的控制參數(shù)，δ γ為橫向反饋控制器參數(shù)，€&1^(6^，(^1義)為誤差6^的飽和 函數(shù)，€&10(60，％2義)為誤差 60的飽和函數(shù)； 所述的艏向誤差反饋控制器為：Τφ〇 = kij)lf alij)l ( Θφ?, 〇φ1, 〇iJ))+kiJ)2f &1φ2 ( Θφ2 , 〇φ2 , 〇φ) 其中，e?為艏向期望位置Φ<η與艏向位置估計#的誤差，_為艏向期望速度^與艏向速 度估計#的誤差，kw為誤差ΘΦ1的控制增益kw為誤差θΦ2的控制增益，α Φ1為誤差ew的控制參 數(shù)，αφ2為誤差ΘΦ2的控制參數(shù)，δφ為艏向反饋控制器參數(shù)，€&1 1])1(61])1，€[1))1，5 1)))為誤差61])1的飽和 函數(shù)，€&11] )2(61])2，(^2,31)))為誤差6 1])2的飽和函數(shù)。5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于等效干擾補(bǔ)償?shù)拇皠恿Χㄎ豢刂葡到y(tǒng)，其特征在 于： 所述的動力定位船舶的三自由度低頻運(yùn)動模型為：其中，η為船舶位置和艏向向量，n=[x，y，《，?為船舶位置和艏向向量在地固坐標(biāo)系下 的速度向量，U為船舶在附體坐標(biāo)系下的速度向量υ = [U，V，r ]，u，V是船舶橫向和縱向速度， r為船舶艏向角速度，J(n)是地固坐標(biāo)系與附體坐標(biāo)系之間的轉(zhuǎn)換矩陣；Μ為系統(tǒng)慣性矩 陣;C(u)為與船舶速度有關(guān)的科里奧利向心力矩陣;D(u)為與船舶速度有關(guān)的阻尼矩陣;b 為低頻干擾力，τ為控制向量，τ = [ τ χ，τ y，τ Φ ] ; Μ、C ( υ )、D ( υ )的具體形式為其中，mn、m22、m33為船舶縱向、橫向、艏向的系統(tǒng)慣性質(zhì)量，m23、m 32為船舶橫向與艏向耦 合的系統(tǒng)慣性質(zhì)量;c12、c21為船舶縱向與橫向耦合的科里奧利向心力，c13、c 31是縱向與艏向 親合的科里奧利向心力，C23、C32是橫向與艏向親合的科里奧利向心力;dll、d22、d33為船舶縱 向、橫向、艏向的阻尼，d 23、d32為船舶縱向與艏向耦合的阻尼;將系統(tǒng)模型M、C(u)、D(u)中 的耦合項以及船舶運(yùn)動模型中的非線性項和外部環(huán)境擾動如風(fēng)、浪、流作為等效干擾來處 理，則船舶模型轉(zhuǎn)化為： 船舶縱蕩運(yùn)動模型： ：= X2 船舶橫蕩運(yùn)動模型：船舶艏搖運(yùn)動模型：其中，X1，X2為船舶模型轉(zhuǎn)化后的縱向位置、縱向速度，fx( xl，x2)為轉(zhuǎn)化后的與縱向位 置、速度相關(guān)的非線性函數(shù)，Px為轉(zhuǎn)化后的縱向控制力系數(shù)，τχ為縱向控制力，bx為包含系統(tǒng) 內(nèi)部耦合和外部環(huán)境擾動的縱向等效干擾 ;yi，y2為船舶模型轉(zhuǎn)化后的橫向位置、速度，fy (yi，y2)為轉(zhuǎn)化后的與橫向位置、速度相關(guān)的非線性函數(shù)，py為轉(zhuǎn)化后的橫向控制力系數(shù)，i y 為橫向控制力，by為包含系統(tǒng)內(nèi)部耦合和外部環(huán)境擾動的橫向等效干擾;ih，Φ2為船舶模型 轉(zhuǎn)化后的艏向角、艏向角速度，?φ(Φ?，Φ2)為轉(zhuǎn)化后的與艏向角度、角速度相關(guān)的非線性函 數(shù)，ΡΦ為轉(zhuǎn)化后的艏向控制力系數(shù)，τ φ為艏向控制力矩，13Φ為包含系統(tǒng)內(nèi)部耦合和外部環(huán)境 擾動的艏向等效干擾。
【文檔編號】G05D1/02GK105867382SQ201610312435
【公開日】2016年8月17日
【申請日】2016年5月12日
【發(fā)明人】夏國清, 薛晶晶, 劉彩云, 陳興華
【申請人】哈爾濱工程大學(xué)