CN110032075B - 一种动力定位船饱和补偿控制***设计方法 - Google Patents

一种动力定位船饱和补偿控制***设计方法 Download PDF

Info

Publication number
CN110032075B
CN110032075B CN201910452382.4A CN201910452382A CN110032075B CN 110032075 B CN110032075 B CN 110032075B CN 201910452382 A CN201910452382 A CN 201910452382A CN 110032075 B CN110032075 B CN 110032075B
Authority
CN
China
Prior art keywords
ship
controller
saturation compensation
control
designed
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
CN201910452382.4A
Other languages
English (en)
Other versions
CN110032075A (zh
Inventor
夏国清
孙创
王心玮
夏小明
孙显信
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Harbin Engineering University
Original Assignee
Harbin Engineering University
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Harbin Engineering University filed Critical Harbin Engineering University
Priority to CN201910452382.4A priority Critical patent/CN110032075B/zh
Publication of CN110032075A publication Critical patent/CN110032075A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN110032075B publication Critical patent/CN110032075B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G05—CONTROLLING; REGULATING
    • G05B—CONTROL OR REGULATING SYSTEMS IN GENERAL; FUNCTIONAL ELEMENTS OF SUCH SYSTEMS; MONITORING OR TESTING ARRANGEMENTS FOR SUCH SYSTEMS OR ELEMENTS
    • G05B13/00—Adaptive control systems, i.e. systems automatically adjusting themselves to have a performance which is optimum according to some preassigned criterion
    • G05B13/02—Adaptive control systems, i.e. systems automatically adjusting themselves to have a performance which is optimum according to some preassigned criterion electric
    • G05B13/04—Adaptive control systems, i.e. systems automatically adjusting themselves to have a performance which is optimum according to some preassigned criterion electric involving the use of models or simulators
    • G05B13/042—Adaptive control systems, i.e. systems automatically adjusting themselves to have a performance which is optimum according to some preassigned criterion electric involving the use of models or simulators in which a parameter or coefficient is automatically adjusted to optimise the performance
    • G—PHYSICS
    • G05—CONTROLLING; REGULATING
    • G05D—SYSTEMS FOR CONTROLLING OR REGULATING NON-ELECTRIC VARIABLES
    • G05D1/00—Control of position, course, altitude or attitude of land, water, air or space vehicles, e.g. using automatic pilots
    • G05D1/02—Control of position or course in two dimensions
    • G05D1/0206—Control of position or course in two dimensions specially adapted to water vehicles

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Automation & Control Theory (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Remote Sensing (AREA)
  • Radar, Positioning & Navigation (AREA)
  • Aviation & Aerospace Engineering (AREA)
  • Health & Medical Sciences (AREA)
  • Artificial Intelligence (AREA)
  • Computer Vision & Pattern Recognition (AREA)
  • Evolutionary Computation (AREA)
  • Medical Informatics (AREA)
  • Software Systems (AREA)
  • Feedback Control In General (AREA)

Abstract

本发明提供一种动力定位船饱和补偿控制***设计方法，导引***通过船舶期望位置和船舶的初始位置，计算各个时刻的期望位置、速度，传给控制器；传感器***将测得的船舶信息传递给控制器和非线性干扰观测器；非线性干扰观测器对环境干扰实时估计，传递给控制器；船舶控制器综合信息，计算控制指令送给船舶的执行机构；饱和补偿***将得到的辅助状态传递给船舶控制器；船舶执行机构执行船舶控制器的控制指令。本发明非线性干扰观测器的估计误差能够在有限时间内收敛为零，当饱和消失的时候，饱和补偿***生成的辅助状态能够在有限时间内收敛为零，使用有限时间反步控制设计船舶控制器，所设计的控制器能够在有限时间内收敛。

Description

一种动力定位船饱和补偿控制***设计方法
技术领域
本发明属于船舶控制领域，具体涉及一种动力定位船饱和补偿控制***设计方法。
背景技术
随着人们对于海洋资源的开发和勘探，动力定位***得到了迅速的发展。动力定位技术在许多海洋工程都有应用，例如,海上石油天然气的开发、铺管铺缆船，挖泥船等工程船和海洋科考船等。许多近海船舶均需要安装动力定位设备，例如近海供应船，浮动式酒店，浮式生产船。此外如今其他的航运也需要动力定位***的功能，如游轮和破冰船。
在设计干扰观测器的时候，大多数文献所设计的干扰观测器的观测误差是指数收敛，并非有限时间收敛，干扰估计误差收敛较慢。根据动力定位船舶实际的推进***动态特性，执行机构存在物理限制(饱和)，在控制器的设计中，如果不加以考虑，将会对控制***的稳定和控制性能产生影响。因此有必要对动力定位船舶的饱和特性加以考虑。大多数的文献中所设计的辅助***，产生的辅助状态随着时间的推移收敛为零，这会对控制精度产生影响。此外，传统的反步控制器仅能保证***的跟踪误差是渐进或者指数收敛。
中国专利CN108233781A提出了一种非线性干扰观测器的无刷电机自适应反演滑模控制方法。与该方法的不同是，其针对直流无刷电机的控制采用了非线性干扰观测器，所设计的控制***和非线性干扰观测器均为渐进稳定的。哈尔滨工程大学的付明玉等在《中国造船》(2015年第4期)发表的文章《基于扰动观测器的动力定位船终端滑模航迹跟踪控制》针对动力定位船舶设计了终端滑模扰动观测器，并使用终端滑模设计了航迹跟踪控制器，但并未考虑***输入的饱和；浙江海洋大学韩云正的2016年硕士论文《基于干扰观测器的船舶动力定位控制器研究》，其基于干扰观测器设计了船舶动力定位模糊PID控制器，并未考虑输入饱和，且设计的干扰观测器为渐进收敛。
发明内容
本发明的目的在于提供了一种动力定位船饱和补偿控制***设计方法，使用有限时间反步控制设计船舶控制器，所设计的控制器能够在有限时间内收敛。
本发明的目的是这样实现的：
一种动力定位船饱和补偿控制***设计方法，具体的实现步骤为：
步骤1.导引***通过给定的船舶期望位置和船舶的初始位置，计算出船舶各个时刻的期望位置、速度，并将得到的期望的位置和速度信息传给控制器，位置包括船舶的位置和艏向；
步骤2.传感器***将测得的船舶实时的位置和速度信息传递给控制器和非线性干扰观测器；
步骤3.非线性干扰观测器依据船舶的控制力和船舶的速度信息对船舶运动中受到的环境干扰进行实时估计，并将实时估计的环境干扰传递给控制器；
步骤4.船舶控制器根据传感器测量的船舶的位置和速度信息、导引***计算的各个时刻的位置和速度信息、饱和补偿***的辅助状态、非线性干扰观测器估计的环境干扰，计算得到合适的控制指令送给船舶的执行机构；
步骤5.饱和补偿***根据控制器计算的控制指令进行判断、处理，将得到的辅助状态传递给船舶控制器；
步骤6.船舶执行机构根据船舶控制器的控制指令产生相应的控制力控制动力定位船舶，使其达到期望的位置。
步骤3所述的非线性干扰观测器的干扰估计误差在有限时间内收敛为零。
步骤5所述的饱和补偿***，当***退饱和后，饱和补偿***产生的辅助状态在有限时间内收敛为零。
步骤6所述的船舶执行机构根据控制器的控制指令产生相应的控制力控制动力定位船舶，即船舶跟踪期望位置的误差在有限时间内收敛为零。
步骤3所述非线性干扰观测器的计算公式为
Figure BDA0002075547980000021
其中M＝MT是船舶的惯性矩阵包含附加质量，υ为船舶的速度向量，
Figure BDA0002075547980000022
为υ关于时间的导数，
Figure BDA0002075547980000023
表示是Mυ的估计值，
Figure BDA0002075547980000024
为
Figure BDA00020755479800000216
的导数，τ是船舶的控制向量，D是***的阻尼矩阵，
Figure BDA0002075547980000025
是对环境复合干扰d的估计；环境干扰估计
Figure BDA0002075547980000026
的更新率为
Figure BDA0002075547980000027
其中L1、L2分别为设计的正定的对角增益矩阵，δ1、δ2分别为设计的正常数，且分别满足0.5≤δ1＜1，δ2＝2δ1-1；
Figure BDA0002075547980000028
sign(ω)为符号函数，
Figure BDA0002075547980000029
所述船舶控制器为
Figure BDA00020755479800000210
其中JT大地坐标系和船体坐标系的转换矩阵，
Figure BDA00020755479800000211
为速度信息，k1、ρ1、k2、ρ2分别为设计的正定对称系数矩阵，z1为第一个误差向量，且
Figure BDA00020755479800000212
Figure BDA00020755479800000213
为符号函数，
Figure BDA00020755479800000214
δ3是设计的正常数，sign(z1)为符号函数，
Figure BDA00020755479800000215
为辅助补偿***生成的辅助状态；
Figure BDA0002075547980000031
船舶的控制率为
Figure BDA0002075547980000032
其中k3、k4、ρ3、ρ4、ρ6为设计的正定对称系数矩阵，
Figure BDA0002075547980000033
sign(z2)为符号函数，
Figure BDA0002075547980000034
Figure BDA0002075547980000035
为符号函数，
Figure BDA0002075547980000036
为辅助补偿***生成辅助状态，
Figure BDA0002075547980000037
所述辅助***为
Figure BDA0002075547980000038
Figure BDA0002075547980000039
其中
Figure BDA00020755479800000310
为辅助补偿***生成辅助状态，JT大地坐标系和船体坐标系的转换矩阵，k4、ρ4、k2、ρ2分别为设计的正定对称系数矩阵，
Figure BDA00020755479800000311
为符号函数，
Figure BDA00020755479800000312
δ3是设计的正常数，Δτ为辅助***饱和，M＝MT是船舶的惯性矩阵包含附加质量。
本发明的有益效果在于：发明首先设计了一种非线性干扰观测器来估计海洋环境干扰，非线性干扰观测器的估计误差能够在有限时间内收敛为零。对于输入饱和，设计了一种新的饱和补偿***用以产生辅助状态，并将辅助状态引入船舶控制器的设计中；当饱和消失的时候，饱和补偿***生成的辅助状态能够在有限时间内收敛为零；基于提出的非线性干扰观测器和饱和补偿***，使用有限时间反步控制设计船舶控制器，所设计的控制器能够在有限时间内收敛。
附图说明
图1为本发明的结构图。
图2为本发明船舶期望位置和船舶的实际位置的仿真图。
图3为本发明船舶的控制输入的仿真图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步的描述：
实施例1
本发明的目的在于提供一种考虑输入饱和和海洋环境干扰影响的动力定位船舶状态反馈控制器的设计方法。
本发明的目的是通过下述技术方案实现的：
1、基于非线性干扰观测器的动力定位船饱和补偿控制***设计方法，包括导引***(1)、船舶控制器(2)、非线性干扰观测器(3)、船舶执行机构(4)、动力定位船舶(5)、传感器***(7)、饱和补偿***(8)。
1)导引***(1)通过给定的船舶期望位置(包括船舶的位置和艏向)和船舶的初始位置，计算出船舶各个时刻的期望位置及其关于时间的导数(即船舶的速度)，能够使船舶平稳的到达期望的位置，并将得到的期望的位置和速度信息传给控制器(2)；
2)传感器***(7)将测得的船舶实时的位置和速度信息传递给控制器(2)和非线性干扰观测器(3)；
3)非线性干扰观测器(3)依据船舶的控制力和船舶的速度信息对船舶运动中受到的环境干扰进行实时估计，并将实时估计的环境干扰传递给控制器(2)；
4)船舶控制器(2)根据传感器测量的船舶的位置和速度信息，导引***(1)计算的各个时刻的位置和速度信息，饱和补偿***(8)的辅助状态，以及非线性干扰观测器(3)估计的环境干扰，经计算后得到合适的控制指令送给船舶的执行机构(4)。
5)饱和补偿***(8)根据控制器(2)计算的控制指令进行判断、处理后，将得到的辅助状态变量传递给船舶控制器(2)。
6)船舶执行机构(4)根据船舶控制器(2)的控制指令产生相应的控制力控制动力定位船舶(5)，使其达到期望的位置。
非线性干扰观测器(3)依据船舶的控制力和船舶的速度信息对船舶运动中受到的环境干扰进行估计，并将估计的环境干扰传递给控制器(2)，非线性干扰观测器(3)的干扰估计误差能够在有限时间内收敛为零。
饱和补偿***(8)根据控制器(2)计算的控制指令进行判断、处理后，将得到的辅助状态传递给控制器(2)。当***退饱和后，饱和补偿***(8)产生的辅助状态能够在有限时间内收敛为零。
控制器(2)根据传感器测量的船舶的位置和速度信息，导引***(1)计算的各个时刻的位置和速度信息，以及非线性干扰观测器(3)估计的环境干扰，经结算后得到合适的控制指令送给船舶的执行机构(4)。船舶执行机构(4)根据控制器(2)的控制指令产生相应的控制力控制动力定位船舶(5)，即船舶跟踪期望位置的误差在有限时间内收敛为零。
下面结合附图对本发明进行详细描述：
基于非线性干扰观测器的动力定位船饱和补偿控制***设计方法，包括导引***(1)、控制器(2)、非线性干扰观测器(3)、船舶执行机构(4)、动力定位船舶(5)、传感器***(7)、饱和补偿***(8)。
首先对于船舶的运动模型介绍。船舶三自由度运动模型为：
Figure BDA0002075547980000051
Figure BDA0002075547980000052
式中：η为船舶的位置和艏摇角向量，
Figure BDA0002075547980000053
为η关于时间的导数；υ为船舶的速度向量，
Figure BDA0002075547980000054
为υ关于时间的导数；d为船舶所受到的总的环境复合干扰和不确定，包括风，浪，海流和未建摸不确定性，且满足自身d有界和其关于时间的导数
Figure BDA0002075547980000055
有界。M＝MT是船舶的惯性矩阵包含附加质量，且它是正定的、可逆，满足M关于时间的导数
Figure BDA0002075547980000056
D是***的阻尼矩阵，满足正定性。τ是船舶的控制向量。J(φ)是大地坐标系和船体坐标系的转换矩阵，它的具体形式为：
Figure BDA0002075547980000057
为了下文的书写方便我们使用J＝J(ψ)和JT＝JT(ψ)。
1)导引***(1)通过给定的船舶期望位置ηd(包括船舶的位置和艏摇角)和船舶的初始位置，计算出船舶各个时刻的期望的纵荡位置xd，横荡位置yd和艏摇角ψd及其关于时间的导数即船舶的纵荡速度
Figure BDA0002075547980000058
横荡速度
Figure BDA0002075547980000059
和艏摇角速度ψd，能够使船舶平稳的到达期望的位置，将得到的期望的位置向信息传给控制器(2)；为了下文的书写方便，记ηd＝[xd,yd,ψd]T和
Figure BDA00020755479800000510
2)传感器***(7)将测得的船舶实时的位置η＝[x,y,ψ]T其中x为纵荡位置，y为横荡位置，ψ为船舶的艏摇角。速度信息υ＝[u,v,r]T(u为纵荡速度，v为横荡速度，r艏摇角速度)传递给控制器(2)和非线性干扰观测器(3)；
3)非线性干扰观测器(3)依据船舶的控制力和船舶的速度信息对船舶运动中受到的环境干扰进行估计，并将估计的环境干扰传递给控制器(2)；
本发明设计的非线性干扰观测器的形式如下：
Figure BDA00020755479800000511
上式中，
Figure BDA0002075547980000061
表示是Mυ的估计值，
Figure BDA0002075547980000062
为
Figure BDA0002075547980000063
的导数，
Figure BDA0002075547980000064
是对环境复合干扰d的估计。
为了设计对干扰估计的更新率，引入一个新的向量ω定义如下
Figure BDA0002075547980000065
基于引入的向量ω，本发明设计的环境干扰估计
Figure BDA0002075547980000066
的更新率为：
Figure BDA0002075547980000067
上式中L1,L2为设计的正定的对角增益矩阵，δ1和δ2是设计的正常数，且分别满足0.5≤δ1＜1，δ2＝2δ1-1；
Figure BDA0002075547980000068
sign(ω)为符号函数。
注1：上述设计的非线性干扰观测器的干扰估计误差能够在有限时间内收敛为零。
4)控制器(2)根据传感器测量的船舶的位置η和速度信息υ，导引***(1)计算的各个时刻的位置ηd和速度信息
Figure BDA0002075547980000069
辅助补偿***(8)生成辅助状态
Figure BDA00020755479800000610
和
Figure BDA00020755479800000611
的方式将在5)给出，以及非线性干扰观测器(3)估计的环境干扰
Figure BDA00020755479800000612
经结算后得到合适的控制指令送给船舶的执行机构(4)。具体设计如下：
定义第一个误差向量z1为
Figure BDA00020755479800000613
z1关于时间的导数
Figure BDA00020755479800000614
如下
Figure BDA00020755479800000615
式中
Figure BDA00020755479800000616
Figure BDA00020755479800000617
为符号函数，k2,ρ2为设计的正定对称系数矩阵。
因此，我们设计的运动学控制器α为
Figure BDA00020755479800000618
上式中k1,ρ1为设计的正定对称系数矩阵和
Figure BDA00020755479800000619
sign(z1)为符号函数。
定义第二个误差向量z2为
Figure BDA00020755479800000620
实际中，由于船舶执行机构(4)的物理限制，船舶执行机构(4)产生的力或力矩不可能无限大，其限制如下：
Figure BDA0002075547980000071
其中τmax(τmin)为船舶执行机构产生的最大(最小)推力，τc为执行机构产生的力或力矩，满足Δτ＝τ-τc，Δτ将在5)辅助补偿***的设计中用到。
结合第二个误差向量z2我们设计船舶的控制率如下：
Figure BDA0002075547980000072
上式中，k3,k4,ρ3,ρ4为设计的正定对称系数矩阵，
Figure BDA0002075547980000073
sign(z2)为符号函数，
Figure BDA0002075547980000074
为符号函数。
Figure BDA0002075547980000075
Figure BDA0002075547980000076
上式中的
Figure BDA0002075547980000077
将在5)中的饱和补偿***设计中给出。
注2：采用上述设计的控制规律可以使船舶的跟踪期望位置误差在有限时间内收敛。
5)饱和补偿***(8)根据控制器(2)计算的控制指令进行判断、处理后，将得到的辅助状态传递给控制器(2)。辅助***设计如下
Figure BDA0002075547980000078
Figure BDA0002075547980000079
注3：此辅助***当饱和消失即Δτ为零时，辅助***能够在有限时间为零，提升***的控制精度。
6)船舶执行机构(4)根据控制器(2)的控制指令τc产生相应的控制力控制动力定位船舶(5)，使其达到期望的位置
Figure BDA00020755479800000710
本发明对某水面船在动力定位作业的进行仿真实验，考虑船舶所受的外部环境干扰，仿真结果见附图2和附图3.
通过对仿真曲线的分析后可以得出，本发明所设计的控制器具有较好的控制效果和控制精度。
实施例2
本发明提供了一种考虑输入饱和和海洋环境干扰影响的动力定位船舶状态反馈控制器的设计方法。包括导引***(1)、船舶控制器(2)、非线性干扰观测器(3)、船舶执行机构(4)、动力定位船舶(5)、传感器***(7)、饱和补偿***(8)。本发明首先设计了一种非线性干扰观测器(3)来估计海洋环境干扰，非线性干扰观测器(3)的估计误差能够在有限时间内收敛为零。对于输入饱和，设计了一种新的饱和补偿***(8)用以产生辅助状态，并将辅助状态引入船舶控制器(2)的设计中。当饱和消失的时候，饱和补偿***(8)生成的辅助状态能够在有限时间内收敛为零。基于提出的非线性干扰观测器和饱和补偿***，使用有限时间反步控制设计船舶控制器，所设计的控制器能够在有限时间内收敛。
1、基于非线性干扰观测器的动力定位船饱和补偿控制***设计方法，包括导引***(1)、船舶控制器(2)、非线性干扰观测器(3)、船舶执行机构(4)、动力定位船舶(5)、传感器***(7)、饱和补偿***(8)。
1)导引***(1)通过给定的船舶期望位置(包括船舶的位置和艏向)和船舶的初始位置，计算出船舶各个时刻的期望位置及其关于时间的导数(即船舶的速度)，能够使船舶平稳的到达期望的位置，并将得到的期望的位置和速度信息传给控制器(2)；
2)传感器***(7)将测得的船舶实时的位置和速度信息传递给控制器(2)和非线性干扰观测器(3)；
3)非线性干扰观测器(3)依据船舶的控制力和船舶的速度信息对船舶运动中受到的环境干扰进行实时估计，并将实时估计的环境干扰传递给控制器(2)；
4)船舶控制器(2)根据传感器测量的船舶的位置和速度信息，导引***(1)计算的各个时刻的位置和速度信息，饱和补偿***(8)的辅助状态，以及非线性干扰观测器(3)估计的环境干扰，经计算后得到合适的控制指令送给船舶的执行机构(4)。
5)饱和补偿***(8)根据控制器(2)计算的控制指令进行判断、处理后，将得到的辅助状态传递给船舶控制器(2)。
6)船舶执行机构(4)根据船舶控制器(2)的控制指令产生相应的控制力控制动力定位船舶(5)，使其达到期望的位置。
非线性干扰观测器(3)依据船舶的控制力和船舶的速度信息对船舶运动中受到的环境干扰进行估计，并将估计的环境干扰传递给控制器(2)，非线性干扰观测器(3)的干扰估计误差能够在有限时间内收敛为零。
饱和补偿***(8)根据控制器(2)计算的控制指令进行判断、处理后，将得到的辅助状态变量传递给控制器(2)。当***退饱和后，饱和补偿***(8)产生的辅助状态能够在有限时间内收敛为零。
控制器(2)根据传感器测量的船舶的位置和速度信息，导引***(1)计算的各个时刻的位置和速度信息，以及非线性干扰观测器(3)估计的环境干扰，经结算后得到合适的控制指令送给船舶的执行机构(4)。船舶执行机构(4)根据控制器(2)的控制指令产生相应的控制力控制动力定位船舶(5)，即船舶跟踪期望位置的误差在有限时间内收敛为零。

Claims (4)

1.一种动力定位船饱和补偿控制***设计方法，其特征在于，具体的实现步骤为：
步骤1：导引***通过给定的船舶期望位置ηd和船舶的初始位置，计算出船舶各个时刻的期望的纵荡位置xd、横荡位置yd、艏摇角ψd及其关于时间的导数，即船舶的纵荡速度
Figure FDA0003446368950000011
横荡速度
Figure FDA0003446368950000012
艏摇角速度ψd；将得到的期望的位置信息ηd＝[xd,yd,ψd]T和速度信息
Figure FDA0003446368950000013
传给控制器；
步骤2：传感器***将测得的船舶实时的位置η＝[x,y,ψ]T和速度信息υ＝[u,v,r]T传递给控制器和非线性干扰观测器；
其中，x为纵荡位置；y为横荡位置；ψ为船舶的艏摇角；u为纵荡速度；v为横荡速度；r艏摇角速度；
步骤3：非线性干扰观测器依据船舶的控制力和船舶的速度信息对船舶运动中受到的环境干扰进行实时估计，并将实时估计的环境干扰传递给控制器；
非线性干扰观测器的形式如下：
Figure FDA0003446368950000014
其中，
Figure FDA0003446368950000015
表示是Mυ的估计值；
Figure FDA0003446368950000016
为
Figure FDA0003446368950000017
的导数；
Figure FDA0003446368950000018
是对环境复合干扰d的估计；D是***的阻尼矩阵；
为了设计对干扰估计的更新率，引入一个新的向量ω定义如下
Figure FDA0003446368950000019
基于引入的向量ω，环境干扰估计
Figure FDA00034463689500000110
的更新率为：
Figure FDA00034463689500000111
其中，L1和L2为设计的正定的对角增益矩阵；δ1和δ2是设计的正常数，且分别满足0.5≤δ1＜1，δ2＝2δ1-1；
Figure FDA00034463689500000112
sign(ω)为符号函数；
步骤4：船舶控制器根据传感器测量的船舶的位置和速度信息、导引***计算的各个时刻的位置和速度信息、饱和补偿***的辅助状态、非线性干扰观测器估计的环境干扰，计算得到合适的控制指令送给船舶的执行机构；
控制器根据传感器测量的船舶的位置η和速度信息υ、导引***计算的各个时刻的位置ηd和速度信息
Figure FDA00034463689500000113
饱和补偿***生成辅助状态
Figure FDA00034463689500000114
和
Figure FDA00034463689500000115
以及非线性干扰观测器估计的环境干扰
Figure FDA0003446368950000021
经结算后得到合适的控制指令送给船舶的执行机构；
定义第一个误差向量z1为：
Figure FDA0003446368950000022
z1关于时间的导数
Figure FDA0003446368950000023
如下
Figure FDA0003446368950000024
其中，
Figure FDA0003446368950000025
Figure FDA0003446368950000026
为符号函数；k2,ρ2为设计的正定对称系数矩阵；J＝J(ψ)，JT＝JT(ψ)，
Figure FDA0003446368950000027
δ3是设计的正常数；
设计的控制器α为：
Figure FDA0003446368950000028
其中，k1,ρ1为设计的正定对称系数矩阵；
Figure FDA0003446368950000029
sign(z1)为符号函数；
定义第二个误差向量z2为：
Figure FDA00034463689500000210
实际中，由于船舶执行机构的物理限制，船舶执行机构产生的力或力矩不可能无限大，其限制如下：
Figure FDA00034463689500000211
其中，τmax为船舶执行机构产生的最大推力；τmin为船舶执行机构产生的最小推力；τc为船舶执行机构产生的力或力矩，满足Δτ＝τ-τc；
结合第二个误差向量z2，设计船舶的控制律如下：
Figure FDA00034463689500000212
其中，k3,k4,ρ3,ρ4为设计的正定对称系数矩阵；
Figure FDA00034463689500000213
sign(z2)为符号函数，
Figure FDA00034463689500000214
为符号函数；
Figure FDA00034463689500000215
Figure FDA00034463689500000216
步骤5：饱和补偿***根据控制器计算的控制指令进行判断、处理，将得到的辅助状态传递给船舶控制器；
饱和补偿***设计如下：
Figure FDA0003446368950000031
Figure FDA0003446368950000032
其中
Figure FDA0003446368950000033
为饱和补偿***生成的辅助状态；M＝MT是船舶的惯性矩阵包含附加质量；
步骤6：船舶执行机构根据船舶控制器的控制指令τc产生相应的控制力控制动力定位船舶，使其达到期望的速度
Figure FDA0003446368950000034
2.根据权利要求1所述的一种动力定位船饱和补偿控制***设计方法，其特征在于：步骤3所述的非线性干扰观测器的干扰估计误差在有限时间内收敛为零。
3.根据权利要求1所述的一种动力定位船饱和补偿控制***设计方法，其特征在于：步骤5所述的饱和补偿***，当***退饱和后，饱和补偿***产生的辅助状态在有限时间内收敛为零。
4.根据权利要求1所述的一种动力定位船饱和补偿控制***设计方法，其特征在于：步骤6所述的船舶执行机构根据控制器的控制指令产生相应的控制力控制动力定位船舶，即船舶跟踪期望位置的误差在有限时间内收敛为零。
CN201910452382.4A 2019-05-28 2019-05-28 一种动力定位船饱和补偿控制***设计方法 Active CN110032075B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201910452382.4A CN110032075B (zh) 2019-05-28 2019-05-28 一种动力定位船饱和补偿控制***设计方法

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201910452382.4A CN110032075B (zh) 2019-05-28 2019-05-28 一种动力定位船饱和补偿控制***设计方法

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN110032075A CN110032075A (zh) 2019-07-19
CN110032075B true CN110032075B (zh) 2022-04-05

Family

ID=67243702

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201910452382.4A Active CN110032075B (zh) 2019-05-28 2019-05-28 一种动力定位船饱和补偿控制***设计方法

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN110032075B (zh)

Families Citing this family (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN110687794B (zh) * 2019-11-04 2022-09-06 青岛科技大学 一种基于干扰观测器的船舶动力定位***非线性无偏预测控制方法
CN110971152B (zh) * 2019-11-26 2023-03-24 湖南工业大学 基于总量一致的多电机抗饱和滑模跟踪控制方法
CN111427269B (zh) * 2020-04-29 2021-05-18 上海交通大学 基于模糊pid控制的动力定位模型试验控制方法
CN111580523B (zh) * 2020-05-19 2022-09-27 哈尔滨工程大学 一种基于侧滑角补偿的无人艇路径跟踪自抗扰控制方法
CN116203932B (zh) * 2023-05-06 2023-07-21 安徽大学 基于模型的无人艇执行器故障检测方法、存储介质及设备
CN117555242B (zh) * 2024-01-12 2024-04-23 哈尔滨工程大学三亚南海创新发展基地 船舶动力定位控制方法、装置、计算机设备及存储介质

Citations (13)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4281615A (en) * 1977-10-31 1981-08-04 Sedco, Inc. Self-propelled semi-submersible service vessel
US6450112B1 (en) * 1999-04-02 2002-09-17 Nautronix, Inc. Vessel control force allocation optimization
CN1811805A (zh) * 2006-02-23 2006-08-02 山东省气象科学研究所 飞机人工增雨业务技术***
CN103529842A (zh) * 2013-10-17 2014-01-22 哈尔滨工程大学 一种基于渐近导引的船舶定位控制方法
CN103676654A (zh) * 2013-12-17 2014-03-26 哈尔滨工程大学 基于干扰补偿的船舶动力定位速度估计***及方法
CN103777635A (zh) * 2014-01-13 2014-05-07 哈尔滨工程大学 动力定位船舶鲁棒自适应航迹跟踪控制***
CN103970021A (zh) * 2014-05-21 2014-08-06 哈尔滨工程大学 一种基于模型预测控制的松弛动力定位控制***
CN105807610A (zh) * 2016-03-04 2016-07-27 武汉理工大学 面向船舶动力定位***的自适应权值矩阵加权伪逆推力分配和饱和处理方法
CN105867382A (zh) * 2016-05-12 2016-08-17 哈尔滨工程大学 一种基于等效干扰补偿的船舶动力定位控制***
CN107065569A (zh) * 2017-05-31 2017-08-18 哈尔滨工程大学 基于rbf神经网络补偿的船舶动力定位滑模控制***及方法
CN107121928A (zh) * 2017-05-22 2017-09-01 华南理工大学 一种无人水面艇的扰动补偿控制方法
CN108803632A (zh) * 2018-09-19 2018-11-13 哈尔滨工程大学 基于饱和补偿技术的水面无人艇全状态约束轨迹跟踪控制方法
CN109240316A (zh) * 2018-11-15 2019-01-18 哈尔滨工程大学 考虑推进器输出饱和的海底飞行节点预设性能轨迹跟踪控制方法

Family Cites Families (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US7104329B2 (en) * 2002-04-26 2006-09-12 Bp Corporation North America Inc. Marine bottomed tensioned riser and method
GB201318185D0 (en) * 2013-10-14 2013-11-27 Guidance Navigation Ltd Tracking device
US10183732B2 (en) * 2015-04-09 2019-01-22 University of New Hamphire Pose detection and control of unmanned underwater vehicles (UUVs) utilizing an optical detector array
US10449958B2 (en) * 2017-02-15 2019-10-22 Ford Global Technologies, Llc Feedback-based control model generation for an autonomous vehicle
JP6336174B1 (ja) * 2017-04-10 2018-06-06 三菱電機株式会社 船舶の運動制御装置および運動制御方法
EP3404497B1 (en) * 2017-05-15 2021-11-10 Siemens Aktiengesellschaft A method and system for providing an optimized control of a complex dynamical system

Patent Citations (13)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4281615A (en) * 1977-10-31 1981-08-04 Sedco, Inc. Self-propelled semi-submersible service vessel
US6450112B1 (en) * 1999-04-02 2002-09-17 Nautronix, Inc. Vessel control force allocation optimization
CN1811805A (zh) * 2006-02-23 2006-08-02 山东省气象科学研究所 飞机人工增雨业务技术***
CN103529842A (zh) * 2013-10-17 2014-01-22 哈尔滨工程大学 一种基于渐近导引的船舶定位控制方法
CN103676654A (zh) * 2013-12-17 2014-03-26 哈尔滨工程大学 基于干扰补偿的船舶动力定位速度估计***及方法
CN103777635A (zh) * 2014-01-13 2014-05-07 哈尔滨工程大学 动力定位船舶鲁棒自适应航迹跟踪控制***
CN103970021A (zh) * 2014-05-21 2014-08-06 哈尔滨工程大学 一种基于模型预测控制的松弛动力定位控制***
CN105807610A (zh) * 2016-03-04 2016-07-27 武汉理工大学 面向船舶动力定位***的自适应权值矩阵加权伪逆推力分配和饱和处理方法
CN105867382A (zh) * 2016-05-12 2016-08-17 哈尔滨工程大学 一种基于等效干扰补偿的船舶动力定位控制***
CN107121928A (zh) * 2017-05-22 2017-09-01 华南理工大学 一种无人水面艇的扰动补偿控制方法
CN107065569A (zh) * 2017-05-31 2017-08-18 哈尔滨工程大学 基于rbf神经网络补偿的船舶动力定位滑模控制***及方法
CN108803632A (zh) * 2018-09-19 2018-11-13 哈尔滨工程大学 基于饱和补偿技术的水面无人艇全状态约束轨迹跟踪控制方法
CN109240316A (zh) * 2018-11-15 2019-01-18 哈尔滨工程大学 考虑推进器输出饱和的海底飞行节点预设性能轨迹跟踪控制方法

Non-Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
Cooperative Control of Multiple Dynamic Positioning Vessels with Input Saturation Based on Finite-time Disturbance Observer;Guoqing Xia，等;《INTERNATIONAL JOURNAL OF CONTROL AUTOMATION AND SYSTEMS》;20190228;第17卷(第2期);第370-379页 *
Nonlinear Robust Sliding Mode Control for Dynamic Positioning of a Surface Vessel;Indunil Fernando，等;《2018 IEEE 8th International Conference on Underwater System Technology: Theory and Applications (USYS)》;20181231;第1-6页 *
动力定位非线性自适应反步控制器设计;夏国清，等;《应用科技》;20140630;第41卷(第3期);第27-30页 *
基于扰动观测器的动力定位船终端滑模航迹跟踪控制;付明玉，等;《中国造船》;20151231;第56卷(第4期);第33-45页 *
基于轨迹跟踪的动力定位控制器设计;王述桓，等;《武汉理工大学学报（交通科学与工程版）》;20170630;第41卷(第3期);第469-473页 *

Also Published As

Publication number Publication date
CN110032075A (zh) 2019-07-19

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN110032075B (zh) 一种动力定位船饱和补偿控制***设计方法
Tannuri et al. Dynamic positioning systems: An experimental analysis of sliding mode control
Godhavn et al. Non‐linear and adaptive backstepping designs for tracking control of ships
CN108319140B (zh) 一种重定义输出式无模型自适应航向控制方法及***
CN107065569B (zh) 基于rbf神经网络补偿的船舶动力定位滑模控制***及方法
CN110618686B (zh) 一种基于显式模型预测控制的无人船航迹控制方法
Sang et al. Heading tracking control with an adaptive hybrid control for under actuated underwater glider
Hao et al. Fault tolerant control of UMV based on sliding mode output feedback
CN110865539A (zh) 一种随机干扰下的无人艇跟踪误差约束控制方法
Tjonnas et al. Optimizing adaptive control allocation with actuator dynamics
Zhang et al. Anti-disturbance control for dynamic positioning system of ships with disturbances
Liu et al. A hierarchical disturbance rejection depth tracking control of underactuated AUV with experimental verification
CN110244556A (zh) 基于期望航向修正的欠驱动船舶航向控制方法
Liu et al. Modified adaptive complementary sliding mode control for the longitudinal motion stabilization of the fully-submerged hydrofoil craft
Zhang et al. Tracking fault-tolerant control based on model predictive control for human occupied vehicle in three-dimensional underwater workspace
Dai et al. Dual closed loop AUV trajectory tracking control based on finite time and state observer
Tang et al. Robust fixed-time trajectory tracking control of the dynamic positioning ship with actuator saturation
CN114115276A (zh) 一种基于在线分组优化模型预测的船舶动力定位控制方法
VanZwieten et al. Design of a prototype ocean current turbine—Part II: flight control system
Lv et al. Strong fixed-time dynamic inverse adaptive LQR integrated control strategy for dynamic positioning of ship
Xue et al. A novel asymmetric barrier Lyapunov function-based fixed-time ship berthing control under multiple state constraints
Tang et al. Simulation of optimal integral sliding mode controller for the depth control of AUV
Fu et al. Non-switching reference trajectory based discrete-time sliding mode path following control for dynamic positioning ship with time-varying disturbances
CN110647161A (zh) 基于状态预测补偿的欠驱动uuv水平面轨迹跟踪控制方法
Xu et al. Robust adaptive path following control of autonomous underwater vehicle with uncertainties and communication bandwidth limitation

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant