CN110045726B - 带有时滞和饱和的欠驱动船舶有限时间动力定位控制*** - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种带有时滞和饱和的欠驱动船舶有限时间动力定位控制***，包括海洋干扰(1)、动力定位船(2)、执行机构(3)、传感器***(4)、位置传感器(5)、速度传感器(6)、状态观测器(7)、有限时间镇定控制器(8)、时滞补偿器(9)、执行器饱和补偿器(10)、故障检测观测器(11)、执行机构故障补偿器(12)、时间间隔测量模块(13)。本发明适用于欠驱动和执行器饱和的动力定位船舶在恶劣海洋干扰下的动力定位过程，考虑到船舶运动中环境干扰和执行机构故障问题，设计一种有限时间镇定的控制***，减少了船舶动力定位***的定位时间，在执行机构输入受限情况下能够达到较好的控制效果。

Description

带有时滞和饱和的欠驱动船舶有限时间动力定位控制***

技术领域

本发明涉及船舶控制技术领域，尤其是针对实际船舶动力定位***在欠驱动和执行器饱和情形下设计的一种在有外部干扰情况下快速镇定的姿态控制***。

背景技术

随着海洋经济的快速发展，人类对海洋的探索和开采逐年加深。由于深海环境的复杂多变，使得作业船舶或平台需要更高的定位精度，传统的作业工具由于其自身的局限性，如锚泊操作复杂、机动性能差等缺点，已经不能满足现代定位精度的要求。因此，研究船舶动力定位控制问题对于开采海洋资源振兴国家经济具有越来越重要的现实意义。

中国专利CN108490946A提出了一种基于RBF神经网络补偿的船舶动力定位滑模控制***，该专利考虑了船舶运动中的未建模动态、模型不确定、环境干扰和执行机构输入饱和问题，提高船舶动力定位***的抗干扰能力和定位精度。但是未考虑到船舶自身执行机构不确定故障，以及执行机构所产生的时滞现象。

发明内容

本发明的目的是提供一种带有时滞和饱和的欠驱动船舶有限时间动力定位控制***，考虑到执行机构时滞和未知故障补偿，使控制***更加符合船舶海洋运动环境。

为实现上述目的，本发明采用下述技术方案：

带有时滞和饱和的欠驱动船舶有限时间动力定位控制***，包括动力定位船舶、传感器模块、状态观测器和执行机构，动力定位船舶所受合力由海洋干扰和执行机构所提供的推力两部分组成；传感器模块实时采集动力定位船舶的位置和艏向角信息η以及线速度和角速度信息v，并将采集到的信息传递给状态观测器，还包括：

有限时间跟踪控制器，状态观测器接收传感器模块所反馈的数据信息和控制器提供的等效输入值，得到位置估计值

和速度的估计值

并将位置估计值

速度估计值

传递给有限时间跟踪控制器；

时滞补偿器，得到时间间隔测量模块传来的位置和速度信号后，经过时滞补偿器，得到带有时滞项的位置和速度信号，并将其传递给有限时间跟踪控制器；

执行器饱和补偿器，控制信号τ经过有限时间跟踪控制器后得到的控制向量传递给执行器饱和补偿器，得到输入饱和条件下的控制量sat(τ_i)，并将其传递给故障检测观测器；

故障检测观测器，如果故障检测观测器观测到执行机构正常运行，则将控制信号sat(τ_i)直接传递给动力定位船舶；若观测到执行机构发生故障，则将控制信号sat(τ_i)传递给执行机构故障补偿器，再将产生的补偿量

传递给动力定位船舶，最终使船舶运动到期望位姿状态。

进一步地，所述动力定位船舶的三自由度低频运动模型为：

式中，R(ψ)为旋转矩阵，其定义为

且满足特性R^-1(ψ)＝R^T(ψ)，M为惯量矩阵，是可逆的正定对称阵；D为线性阻尼阵，也是正定矩阵；τ为控制输入向量，d(t)是未知的扰动项，代表风、浪、流环境因素对船舶产生的综合恒值干扰力和力矩。

进一步地，所述时滞补偿器根据时间间隔测量模块传来的时间信息，得到时滞估计值

并将其传递给有限时间跟踪控制器：

进一步地，所述状态观测器形式如下：

假设针对变量x₁(t)存在虚拟控制变量

误差变量定义为

引入积分项

得到保证有限时间收敛的积分反推控制，

式中，β(x₁)＝R(ψ)M^-1,T_d＝R(ψ)M^-1ξ(t)，

为了保证有限的时间稳定性，引入以下辅助函数

进一步地，所述有限时间跟踪控制器控制律设计为：

u＝u_n(t)+u_a(t)

u_a(t)＝-κsggn(z)||u_n(t)||

其中，

设计李雅普诺夫函数，

进一步地，所述执行器饱和补偿器实际控制输入与控制量之间的误差为

sat(τ)为输入饱和函数，

sat(τ_i)＝τ_i(t)+θ(t)

进一步地，所述执行机构故障补偿器的故障补偿量：

其中τ_i表示执行机构实际控制转矩；u_i表示期望的控制转矩；

代表不确定执行器故障，l_ii＝1表示执行器正常稳定运行，0＜l_ii(t)＜1表示执行器损失部分有效性，但仍能正常运行，

τ写成

其中，τ＝[τ₁,τ₂,τ₃]^T表示实际控制，u代表控制器命令的控制输入，

表示不确定的故障，L(t)＝diag[l₁₁(t),l₂₂(t),l₃₃(t)]描述了执行器的有效性。

发明内容中提供的效果仅仅是实施例的效果，而不是发明所有的全部效果，上述技术方案中的一个技术方案具有如下优点或有益效果：

本发明设计控制器考虑到了船舶执行机构的时滞、饱和和故障问题，同时能够使***在有限时间内实现镇定，目的是对动力定位船舶进行点镇定，所提出的有限时间控制***能够较为准确的控制出船舶运动过程，为动力定位作业提供了方便。

附图说明

图1是船舶动力定位控制***总体结构图；

图2是动力定位船舶在控制器作用下的运动曲线；

图3是动力定位船舶横向位移和速度曲线；

图4是动力定位船舶纵向位移和速度曲线；

图5是动力定位船舶艏向角转动角度及角速度曲线；

1、海洋干扰，2、动力定位船执行机构，3、执行机构，4、传感器***，5、位置传感器，6、速度传感器，7、状态观测器，8、有限时间镇定控制器，9、时滞补偿器，10、执行器饱和补偿器，11、故障检测观测器，12、执行机构故障补偿器，13、时间间隔测量模块。

具体实施方式

为能清楚说明本方案的技术特点，下面通过具体实施方式，并结合其附图，对本发明进行详细阐述。下文的公开提供了许多不同的实施例或例子用来实现本发明的不同结构。为了简化本发明的公开，下文中对特定例子的部件和设置进行描述。此外，本发明可以在不同例子中重复参考数字和/或字母。这种重复是为了简化和清楚的目的，其本身不指示所讨论各种实施例和/或设置之间的关系。应当注意，在附图中所图示的部件不一定按比例绘制。本发明省略了对公知组件和处理技术及工艺的描述以避免不必要地限制本发明。

如图1所示，本发明提供了一种带有时滞和饱和的欠驱动船舶有限时间动力定位控制***。包括海洋干扰(1)、动力定位船(2)、执行机构(3)、传感器***(4)、位置传感器(5)、速度传感器(6)、状态观测器(7)、有限时间镇定控制器(8)、时滞补偿器(9)、执行器饱和补偿器(10)、故障检测观测器(11)、执行机构故障补偿器(12)、时间间隔测量模块(13)。

动力定位船舶(2)所受合力基本由海洋干扰(1)和执行机构(3)所提供的推力两部分组成。传感器***(4)包括位置传感器(5)和速度传感器(6)，实时采集动力定位船舶(2)的位置和艏向角信息η以及线速度和角速度信息v，并将采集到的信息传递给状态观测器(7)；

2)状态观测器(7)接收传感器***所反馈的数据信息和控制器提供的等效输入值，快速得到位置和速度的估计值，并将估计值

传递给有限时间跟踪控制器(8)；

3)由于执行机构(3)所带来的时滞问题，在得到时间间隔测量模块(13)传来的信号后，经过时滞补偿器，得到带有时滞项的位置和速度信号，并将其传递给有限时间跟踪控制器(8)；

4)引入虚拟控制量

和误差变量z，使用积分反推控制方法，得到有限时间镇定控制器(8)的控制率u(t)；

5)由于执行机构(3)的物理限制，控制信号τ受到饱和值的限制，信号经过有限时间跟踪控制器(8)后得到的控制向量传递给执行器饱和补偿器(10)，得到输入饱和条件下的控制量sat(τ_i)，并将其传递给故障检测观测器(11)；

6)考虑到船舶执行器故障的不确定性，如果故障检测观测器(11)观测到执行机构(3)正常运行，则将控制信号τ直接传递给动力船舶；若观测到执行器发生故障，则将控制信号传递给执行机构故障补偿器(12)，再将产生的补偿量τ_i传递给动力船舶，最终使船舶运动到期望位姿状态。

设计船舶三自由度低频运动模型为：

式中，R(ψ)为旋转矩阵，其定义为

且满足特性R^-1(ψ)＝R^T(ψ)。M为惯量矩阵，是可逆的正定对称阵；D为线性阻尼阵，也是正定矩阵；τ为控制输入向量，d(t)是未知的扰动项，代表风、浪、流等环境因素对船舶产生的综合恒值干扰力和力矩。

位置传感器(5)测量得到船舶位置和艏向矢量式为η＝[x,y,ψ]^T，速度传感器(6)测量得到速度矢量式为v＝[u,v,r]^T。传感器将采集到的数据传递给状态观测器(3)。状态观测器形式如下：

式中，

为船舶位置及艏摇角的估计值，

为船速的估计值，

为位置量估计误差，

为速度估计误差，h₁、h₂为观测器的增益矩阵，则可得如下观测器误差动态：

考虑到执行机构工作时产生的时滞现象，设计了时滞补偿器，根据时间间隔测量模块传来的时间信息，得到时滞估计值

并将其传递给有限时间跟踪控制器：

由于执行机构的物理限制，控制信号τ受到饱和值的限制，实际控制输入与控制量之间的误差为

其中，sat(τ)为输入饱和函数。

sat(τ_i)＝τ_i(t)+θ(t)

考虑到船舶执行器故障的不确定性所带来的问题，设计故障补偿量：

其中τ_i表示由执行器实际控制转矩；u_i表示期望的控制转矩；

代表不确定执行器故障。l_ii＝1表示执行器正常稳定运行，0＜l_ii(t)＜1表示执行器损失部分有效性，但仍能正常运行。因此，τ可以写成

其中，τ＝[τ₁,τ₂,τ₃]^T表示实际控制，u代表控制器命令的控制输入，

表示不确定的故障，L(t)＝diag[l₁₁(t),l₂₂(t),l₃₃(t)]描述了执行器的有效性。

通过引入新的状态变量

***可写成：

假设针对变量x₁(t)存在虚拟控制变量

误差变量定义为

引入积分项

得到保证有限时间收敛的积分反推控制。

式中β(x₁)＝R(ψ)M^-1,T_d＝R(ψ)M^-1ξ(t)。

为了保证有限的时间稳定性，引入以下辅助函数

根据控制器模型，控制律设计为：

u＝u_n(t)+u_a(t)

u_a(t)＝-κsggn(z)||u_n(t)||

其中，

设计李雅普诺夫函数，

经过验证，两式均满足稳定性条件，使***达到稳定。

如图2至图5所示，通过对仿真曲线和数据分析后可以看出，本发明所提出的有限时间控制***能够较为准确的控制出船舶运动过程，为动力定位作业提供了方便。从仿真曲线对比可以看出控制***达到了较好的控制效果。

上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

Claims (1)

1.带有时滞和饱和的欠驱动船舶有限时间动力定位控制***，包括动力定位船舶、传感器模块、状态观测器和执行机构，动力定位船舶所受合力由海洋干扰和执行机构所提供的推力两部分组成；传感器模块实时采集动力定位船舶的位置和艏向角信息η以及线速度和角速度信息v，并将采集到的信息传递给状态观测器，其特征是，还包括：

有限时间跟踪控制器，状态观测器接收传感器模块所反馈的数据信息和控制器提供的等效输入值，得到位置估计值

和速度的估计值

并将位置估计值

速度估计值

传递给有限时间跟踪控制器；

时滞补偿器，得到时间间隔测量模块传来的位置和速度信号后，经过时滞补偿器，得到带有时滞项的位置和速度信号，并将其传递给有限时间跟踪控制器；

执行器饱和补偿器，控制信号τ经过有限时间跟踪控制器后得到的控制向量传递给执行器饱和补偿器，得到输入饱和条件下的控制量sat(τ_i)，并将其传递给故障检测观测器；

故障检测观测器，如果故障检测观测器观测到执行机构正常运行，则将控制信号sat(τ_i)直接传递给动力定位船舶；若观测到执行机构发生故障，则将控制信号sat(τ_i)传递给执行机构故障补偿器，再将产生的补偿量

传递给动力定位船舶，最终使船舶运动到期望位姿状态；

所述动力定位船舶的三自由度低频运动模型为：

式中，R(ψ)为旋转矩阵，其定义为

且满足特性R^-1(ψ)＝R^T(ψ)，M为惯量矩阵，是可逆的正定对称阵；D为线性阻尼阵，也是正定矩阵；τ为控制输入向量，d(t)是未知的扰动项，代表风、浪、流环境因素对船舶产生的综合恒值干扰力和力矩；

所述时滞补偿器根据时间间隔测量模块传来的时间信息，得到时滞估计值

并将其传递给有限时间跟踪控制器：

控制信号τ受到饱和值的限制，实际控制输入与控制量之间的误差为

其中，sat(τ)为输入饱和函数；

sat(τ_i)＝τ_i(t)+θ(t)

设计故障补偿量：

其中τ_i表示由执行器实际控制转矩；u_i表示期望的控制转矩；

代表不确定执行器故障；

l_ii＝1表示执行器正常稳定运行，0＜l_ii(t)＜1表示执行器损失部分有效性，但仍能正常运行，因此，τ可以写成

其中，τ＝[τ₁,τ₂,τ₃]^T表示实际控制，u代表控制器命令的控制输入，

表示不确定的故障，L(t)＝diag[l₁₁(t),l₂₂(t),l₃₃(t)]描述了执行器的有效性；

通过引入新的状态变量x₁＝η,

***可写成：

假设针对变量x₁(t)存在虚拟控制变量

误差变量定义为

引入积分项

得到保证有限时间收敛的积分反推控制

式中β(x₁)＝R(ψ)M^-1,T_d＝R(ψ)M^-1ξ(t)；

为了保证有限的时间稳定性，引入以下辅助函数

根据控制器模型，控制律设计为：

u＝u_n(t)+u_a(t)

u_a(t)＝-κsggn(z)||u_n(t)||；

其中，||T_d||≤λ,

ε₀＝min{ε_i}；

设计李雅普诺夫函数，

经过验证，两式均满足稳定性条件，使***达到稳定。

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