CN112506192B - 一种针对全回转推进器故障的动力定位船容错控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种针对全回转推进器故障的动力定位船容错控制方法，包括如下步骤：步骤一：根据推进器推力分配基本原理，构造全回转推进器故障描述模型；步骤二：基于动力定位船水面三自由度模型设计非线性扰动观测器；步骤三：构造典型故障下的非线性容错控制器，并加入扰动补偿。本发明本针对带有全回转推进器故障的动力定位船提出了一种基于扰动观测器的容错控制方法，设计一种能描述三种推进器故障的模型，应用于滑模控制律中提高***容错能力和稳定性，并结合扰动观测器加强了***的抗干扰能力和安全性能。

Description

一种针对全回转推进器故障的动力定位船容错控制方法

技术领域

本发明涉及一种动力定位船容错控制方法，尤其涉及一种针对全回转推进器故障的动力定位船容错控制方法。

背景技术

由于海洋环境的复杂多变，动力定位船在海面作业时难免会遇到时变的风浪流等环境干扰的影响，而动力定位***的闭环反馈控制方式具有一定的迟滞性，如果不对时变干扰进行前馈补偿，就会影响船的稳定性，严重情况下可能带来安全威胁。此外，船舶由于长时间在海上作业，推进器有可能出现液压***不稳定、驱动机构卡死、轴发电机断电等故障问题，考虑如何在故障情况下仍能使船舶安全完成工作要求也是很有必要的。因此，本文基于扰动观测器提出了一种针对全回转推进器故障的动力定位船的容错控制方法。

目前，国内外对于动力定位船的定位、定向、跟踪控制已经有非常成熟的研究成果及应用，但对于动力定位船的容错控制方法仍在理论研究与实验阶段。大部分研究成果是基于故障检测与诊断(FDI)模块先对故障类型进行判断，然后在进行容错控制，这类方法称为主动容错控制。优点是可以有针对性的进行容错，提高***响应速度。但由于引入了FDI模块，使得闭环***更加复杂，从而对FDI的准确性以及***的鲁棒性能要求更高，如果FDI判断失误，会使控制变得更难控制。因此，近年来不依赖FDI模块的被动容错控制走入人们的视野。被动容错控制主要的特点是闭环***具有很强的鲁棒性能，使得***对故障不敏感，从而提高整个***的容错能力。

发明内容

本发明提出了一种针对全回转推进器故障的动力定位船容错控制方法，目的在于增强动力定位船作业时的对于时变环境干扰的抗干扰能力，以及针对随时可能出现的推进器故障具有容错能力，提高***鲁棒性。

本发明的目的是这样实现的：

一种针对全回转推进器故障的动力定位船容错控制方法，其特征是，包括如下步骤：

步骤一：根据推进器推力分配基本原理，构造全回转推进器故障描述模型；

步骤二：基于动力定位船水面三自由度模型设计非线性扰动观测器；

步骤三：构造典型故障下的非线性容错控制器，并加入扰动补偿。

本发明还包括这样一些特征：

所述步骤一具体为：

所述全回转推进器故障包括失效、卡死以及中断三种，引入三个系数矩阵δ、χ、θ_s组合描述三种推进器故障：

τ(t)＝G(δ(t)θ(t)+χ(t)θ_s(t))

其中，G∈R^3×14为配置矩阵，δ(t)＝diag{δ_i}∈R^14×14,δ_i∈[0,1]表示故障执行器失效效率，θ(t)∈R¹⁴为7个推进器分别在横向和纵向上的推进力信号，χ(t)＝diag{χ_i}∈R^14×14，χ_i＝0或1代表故障类型，θ_s(t)∈R¹⁴代表卡死故障时产生的未知有界时变推力，上界为

所述步骤二具体为：利用基于扰动观测器的时变干扰前馈补偿，利用辅助变量

设计出实现的非线性扰动观测器：

其中，

为时变干扰的估计值，K₀为设计的正定参数，M为DP船运动的惯性矩阵，v为DP船运动的三自由度速度。

所述步骤三具体为：

外环位置误差：S₁＝η-η_d，构造如下Lyapunov函数：

利用反步法设计虚拟控制律

内环滑模面：S₂＝v-v_d，采用指数趋近律，令

设计滑模控制律为

其中，u为θ(t)在纵向和横向下的合力，满足u＝Gθ(t)；

结合推进器故障模型以及扰动观测器，得到最终控制器：

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

本发明针对带有全回转推进器故障的动力定位船提出了一种基于扰动观测器的容错控制方法，设计一种能描述三种推进器故障的模型，应用于滑模控制律中提高***容错能力和稳定性，并结合扰动观测器加强了***的抗干扰能力和安全性能。

附图说明

图1动力定位***工作原理图；

图2动力定位船推进器布置图；

图3动力定位船运动轨迹；

图4各方向运动误差；

图5各方向运动速度；

图6扰动观测器与实际扰动对比；

图7 2#推进器推力(未故障)；

图8 2#推进器方位角(未故障)；

图9 1#推进器推力(失效)；

图10 1#推进器方位角失效)；

图11 4#推进器推力(卡死)；

图12 4#推进器方位角(卡死)；

图13 6#推进器推力(中断)；

图14 6#推进器方位角(中断)。

具体实施方式

本发明以“海洋石油201”铺管起重船模型为研究对象，下面结合附图对本发明作进一步的详细描述：

1.根据推进器推力分配基本原理，构造全回转推进器故障描述模型。

考虑船舶工作过程中可能遇到的推进器失效、卡死以及中断三种故障情况，结合序列二次规划法进行推力分配与合成，设计了一种合理的三自由度故障描述模型，可用于控制器设计和***稳定性分析中。

2.基于动力定位船水面三自由度模型设计非线性扰动观测器。

利用实际扰动与观测器的偏差来修正扰动观测器的输出。并引入辅助变量，设计可以实现的非线性扰动观测器，并将观测值前馈补偿到控制器中。确保观测器的精确性，同时兼顾实时性。

3.构造典型故障下的非线性容错控制器，并加入扰动补偿。

首先取等效位置误差为外环滑模面，利用反步法设计虚拟速度控制律，然后取速度误差为内环滑模面，采用指数趋紧率提高***响应速度，并用双曲正切函数降低***抖振，利用Lyapunov稳定性定理设计控制器，最后结合推进器故障模型和扰动前馈补偿设计出非线性容错控制器，达到在时变干扰和推进器故障下仍能完成路径跟踪且具有较好稳定性的目的。

步骤一、建立动力定位船水面三自由度数学模型

首先建立北东坐标系描述船舶在水平面的位置和艏向变化，然后建立船体坐标系，描述船舶运动速度和姿态变化。然后进一步分析船舶受到水的动力，风、浪、流等环境因素的阻力，以及船舶推进***的力。分别研究各个力和力矩的受力情况，然后进行线性叠加计算合力，建立动力定位船水平面运动学模型以及动力学模型：

其中v＝[u,v,r]^T为船体坐标系下船舶运动速度，

为北东坐标系下船舶运动位置和姿态角，R(ψ)为***的旋转矩阵，d是时变的环境干扰力，M是惯性***矩阵(包含附加质量)，C(v)是科里奥利向心力矩阵(包含附加质量)，D是线性阻尼矩阵。

步骤二、全回转推进器故障模型描述

全回转推进器在转动过程中可能产生三种故障类型，分别为失效、故障和卡死，下面给出一种能描述三种故障的方法：

τ(t)＝G(δ(t)θ(t)+χ(t)θ_s(t))

其中，G∈R^3×14为配置矩阵，δ(t)＝diag{δ_i}∈R^14×14,δ_i∈[0,1]表示故障执行器失效效率，θ(t)∈R¹⁴为7个推进器分别在横向和纵向上的推进力信号，χ(t)＝diag{χ_i}∈R^14×14，χ_i＝0或1代表故障类型，θ_s(t)∈R¹⁴代表卡死故障时产生的未知有界时变推力，上界为

则推进器故障模式可表示为：

仿真实验中假设1#号推进器失效，4#号推进器卡死，6#号推进器中断，其他推进器正常工作。

步骤三、设计扰动观测器

利用基于扰动观测器的时变干扰前馈补偿。利用辅助变量

设计出可以实现的非线性扰动观测器：

其中，

为时变干扰的估计值，K₀为设计的正定参数，M为DP船运动的惯性矩阵，v为DP船运动的三自由度速度。

步骤四、基于反步法设计双环滑模控制器

外环位置误差：S₁＝η-η_d，构造如下Lyapunov函数：

利用反步法设计虚拟控制律

内环滑模面：S₂＝v-v_d，采用指数趋近律，令

设计滑模控制律为

其中，u为θ(t)在纵向和横向下的合力，满足u＝Gθ(t)。

结合推进器故障模型以及扰动观测器，得到本文最终设计控制器：

一种针对全回转推进器故障的动力定位船的容错控制方法，主要包括基于推进器工作原理的三种故障模型描述、基于扰动观测器的时变干扰前馈补偿、基于反步法的双环滑模容错控制器。引入三个系数矩阵δ、χ、θ_s组合描述三种推进器故障：

τ(t)＝G(δ(t)θ(t)+χ(t)θ_s(t))

其中，G∈R^3×14为配置矩阵，δ(t)＝diag{δ_i}∈R^14×14,δ_i∈[0,1]表示故障执行器失效效率，θ(t)∈R¹⁴为7个推进器分别在横向和纵向上的推进力信号，χ(t)＝diag{χ_i}∈R^{14 ×14}，χ_i＝0或1代表故障类型，θ_s(t)∈R¹⁴代表卡死故障时产生的未知有界时变推力，上界为

利用反步法设计三自由度双环滑模控制律，并通过推理分配原理反向求解出每个全回转推进器的推力及方位角，并结合推进器实际故障，得到容错控制律。

综上所诉：本发明公开了一种针对全回转推进器故障的动力定位船容错控制方法。主要提出了一种描述包含全回转推进器失效、卡死和中断三种故障的通用故障模型，通过推力分配结合到控制器中。首先由于推进器失效和中断故障体现为工作效率降低，故设计第一个系数矩阵δ判断是否为失效或中断故障，其次卡死故障表现在推进器方位角固定在某个角度，故设计第二个系数矩阵χ判断是否为卡死故障，并利用第三个系数矩阵θ_s，表示卡死故障产生的未知时变推力，进而提出了基于上述三个参数描述的故障模型。接着设计了一种扰动观测器可使观测误差在有限时间内收敛，增强***的抗干扰能力。然后利用反步法提出了一种双环滑模控制律，并加入扰动观测和容错部分，使得动力定位船的能按照设定轨迹运动，闭环***各状态在有限时间内收敛至0。本发明控制律具有响应速度快、抗干扰能力强、安全可靠性高的优点。

Claims (1)

1.一种针对全回转推进器故障的动力定位船容错控制方法，其特征是，包括如下步骤：

步骤一：根据推进器推力分配基本原理，构造全回转推进器故障描述模型；

所述全回转推进器故障包括失效、卡死以及中断三种，引入三个系数矩阵δ、χ、θ_s组合描述三种推进器故障：

τ(t)＝G(δ(t)θ(t)+χ(t)θ_s(t))

其中，G∈R^3×14为配置矩阵，δ(t)＝diag{δ_i}∈R^14×14,δ_i∈[0,1]表示故障执行器失效效率，θ(t)∈R¹⁴为7个推进器分别在横向和纵向上的推进力信号，χ(t)＝diag{χ_i}∈R^14×14，χ_i＝0或1代表故障类型，θ_s(t)∈R¹⁴代表卡死故障时产生的未知有界时变推力，上界为

步骤二：基于动力定位船水面三自由度模型设计非线性扰动观测器；

利用基于扰动观测器的时变干扰前馈补偿，利用辅助变量

设计出实现的非线性扰动观测器：

其中，

为时变干扰的估计值，K₀为设计的正定参数，M为DP船运动的惯性矩阵，v为DP船运动的三自由度速度；

步骤三：构造典型故障下的非线性容错控制器，并加入扰动补偿；

外环位置误差：S₁＝η-η_d，构造如下Lyapunov函数：

利用反步法设计虚拟控制律

内环滑模面：S₂＝v-v_d，采用指数趋近律，令

设计滑模控制律为

其中，u为θ(t)在纵向和横向下的合力，满足u＝Gθ(t)；

结合推进器故障模型以及扰动观测器，得到最终控制器：

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