[发明专利]动力定位船舶鲁棒自适应航迹跟踪控制系统

说明书

技术领域

本发明涉及的是一种船舶航迹跟踪控制方法。具体地说是一种基于非线性控制理论的动力定位船舶在模型参数不完全已知，速度信息不可直接测量，且存在未知环境干扰时的航迹跟踪控制方法。

背景技术

随着人类对海洋世界探索的不断深入，动力定位技术在海洋石油勘探、海洋开发等领域起到了越来越重要的作用。

动力定位船舶除了定位模式，还有低速/高速循迹模式，即船舶航迹跟踪控制。当船舶处于定位模式时，由于船舶速度较低，因此可对船舶模型进行线性化，然后基于线性化模型进行控制器设计。但是当船舶进行航迹跟踪控制时，科氏向心力和非线性阻尼项不可忽略，此时船舶模型具有较强的非线性，且模型参数辨识困难，因此需设计鲁棒性和自适应性较好的控制方法。同时，在动力定位船舶航迹跟踪控制时，通常只有船舶的位置和航向角可直接测量，因此在控制系统设计时必须设计观测器对船舶的速度变量进行观测。另外，由于未知环境干扰的影响，设计观测器和控制器时需对干扰进行补偿，以减小控制器和观测器输入的增益。

目前国内外有较多研究船舶航迹跟踪控制的文献，但这些文献或对模型参数精度要求较高、或没有考虑外部干扰、或需要所有状态均可测量。如《Path following control system for a tanker ship model》（Ocean Engineering34,2007:2074-2085）对模型要求较高且需要所要状态均可测量；《船舶轨迹跟踪半全局一致指数稳定观测控制器》（控制与决策2013，28(6):920-924）要求模型已知且没有考虑外部干扰；《基于最优控制的船舶航迹全局NPD控制算法》（系统工程与电子技术，2013-09-05网络出版）也是要求所有状态均可测量。

发明内容

本发明的目的在于提供一种动力定位船舶在模型水动力参数不精确，存在未知外部干扰，且速度信息不可直接测量的情况下实现航迹跟踪控制的动力定位船舶鲁棒自适应航迹跟踪控制系统。

本发明的目的是这样实现的：

包括参考路径生成器1、神经网络估计器2、二阶滑模观测器3、干扰估计器4、微分同胚变换器5、控制器6，位置与角度传感器8采集的水面船7的实际位置和航向角以及参考路径生成器1产生的参考位置和参考航向角信息，同时发送给神经网络估计器2和二阶滑模观测器3，分别得到模型未知非线性函数的估计值和状态估计值，然后将状态估计值同时传递给干扰估计器4和微分同胚变换器5，分别得到干扰估计值和新的状态变量，将神经网络估计器2、二阶滑模观测器3、干扰估计器4、微分同胚变换器5和位置与角度传感器8得到的信息均传递给控制器6，解算出控制指令去驱动水面船7的执行机构，调整水面船的推力和转艏力矩，实现水面船的航迹跟踪。

本发明还可以包括：

（1）参考路径生成器1产生的参考位置和参考航向角信息发送给神经网络估计器2和二阶滑模观测器3是指：参考路径生成器1通过给定的参考航迹点生成参考路径信息，将产生的位置及航向角信息及其一阶导数和二阶导数，同时传递给神经网络估计器2和二阶滑模观测器3。

（2）神经网络估计器2得到的模型未知非线性函数的估计值除了发送给控制器6之外，还发送给二阶滑模观测器3，且神经网络权值更新律根据二阶滑模观测器3得到的状态估计值设计。

（3）干扰估计器4得到的干扰估计值除了发送给控制器6之外，还发送给二阶滑模观测器3，且干扰估计自适应更新律根据二阶滑模观测器3得到的状态估计值设计。

（4）解算出控制指令去驱动水面船7的执行机构是指：控制器6针对航迹跟踪误差动态方程，根据参考路径信息、模型未知非线性函数的估计值、干扰估计值、新的状态变量和实际的航向角信息，通过反步法和滑模控制思想解算出推力和转艏力矩信息传递给水面船的执行机构，调整水面船的位置、航向和速度，以完成航迹跟踪控制。

本发明是一种基于非线性控制理论的动力定位船舶在模型参数不完全已知，速度信息不可直接测量，且存在未知环境干扰时的航迹跟踪控制系统。

本发明的优点在于无需已知水面船精确水动力参数，且惯性质量参数不要求精确辨识，在存在未知环境干扰的情况下实现动力定位船舶的航迹跟踪。本发明通过仿真试验验证了方案具有较强的鲁棒性和自适应性。

附图说明

图1为动力定位船舶鲁棒自适应航迹跟踪控制系统总体结构图；

图2为船舶航迹跟踪曲线；

图3为位置和航向角跟踪误差曲线；

图4为ξ₁的观测误差曲线；