[发明专利]一种基于干扰观测器的船舶动力定位系统的抗干扰饱和控制方法

说明书

一种基于干扰观测器的船舶动力定位系统的抗干扰饱和控制方法，首先考虑了海洋环境中风、流、二阶波漂移和未建模动态等慢变环境干扰，根据动力定位船舶的运动学模型和动力学模型，建立动力定位船舶的状态空间模型；其次设计状态观测器估计动力定位船舶的速度和位置，设计干扰观测器估计并抵消慢变环境干扰，构造鲁棒滤波器来滤除海洋环境中的一阶波诱导干扰；最后基于状态观测器和干扰观测器改进的复合饱和控制器，有效抑制动力定位船舶在海洋行驶中的环境干扰，解决船舶控制器所提供的控制力和力矩受到饱和约束的问题，降低控制器保守性，提高船舶动力定位系统的控制精度。本发明实施例在保证控制精度和稳定性的同时有效地降低模型复杂度。

技术领域

本发明涉及动力定位船舶的技术领域，具体涉及一种基于干扰观测器的船舶动力定位系统的抗干扰饱和控制方法。

背景技术

船舶动力定位系统(Dynamic Positioning System,DPS)是利用所装备的各类传感器测出船舶的运动状态与位置变化，控制推力器系统提供抵抗风、浪、流等作用在船上的环境力，从而使船尽可能地保持在海平面上期望的船位与艏向。随着陆地上石油、天然气等资源的日益枯竭及人们对能源的巨大需求，人类对海洋的开发探索日渐深入。平台供应船、钻探船、钻井平台等海洋结构物在深水区作业的定位精度愈来愈高。因此，动力定位技术得到了国内外学者的广泛关注，成为进行海洋开发探索的关键技术之一。

安装有动力定位系统的海洋结构物采用卫星、GPS等定位手段获得当前的位置，控制器根据其与设定位置的偏差计算出所需要的力和力矩，再由推进器系统产生所需要的力和力矩，最终达到定位作业的要求。由于作业中的船舶操纵条件及所处的海洋环境等时常发生变化，船舶动态及所遭受到的环境扰动存在明显的不确定性。船舶控制器由于物理限制，导致其为船舶提供的控制力和力矩会受到饱和的约束。通常情况下，船舶的速度可以通过位置的微分得到，但GPS等测量装置均存在不可忽略的测量噪声使得微分得到的速度值往往是不准确的，造成观测值与实际值之间存在较大的差距。

目前，为了克服动力定位船舶控制器所提供控制力和力矩受饱和限制的影响，学者们提出了不同的控制方案降低饱和对船舶动力定位系统性能的影响。在船舶受到未知常值扰动和输入幅值饱和的情况下，Perez和Donaire将积分作用和抗积分饱和方法引入到动力定位控制设计中，用积分作用和抗积分饱和方法分别处理常值扰动和输入饱和问题；在船舶受到未知时变扰动和输入幅值饱和的情况下，Morishita和Souza应用观测器逆推方法及变增益技术设计了动力定位鲁棒非线性控制律，构造了与船舶定位误差相关的控制增益矩阵，使动力定位控制信号能够根据定位误差的大小不断调整来降低输入饱和的影响等。

上述方法大多是将海洋环境中的多源干扰整合成单一等效的干扰来处理，缺乏对多源干扰性能和影响机理的全面性分析。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：针对动力定位船舶控制器所提供的控制力和力矩达到饱和从而失效的问题，提出一种基于干扰观测器的船舶动力定位系统抗干扰饱和控制方法。所提方法考虑了受风、浪、流等环境干扰影响的船舶动力定位系统，通过设计观测器实现对船舶所处位置、速度以及慢变环境干扰的在线估计，构造鲁棒滤波器实现对一阶波诱导干扰的滤除。在此基础上，设计了一种新的复合饱和控制器，有效的抑制了船舶在海洋行驶中的环境干扰，同时解决了船舶控制系统所提供的控制力和力矩受到饱和约束的问题，降低了控制器的保守性。

本发明解决上述问题采用的技术方案为：一种基于干扰观测器的船舶动力定位系统的抗干扰饱和控制方法，包括以下步骤：

步骤一：考虑了海洋环境中风、流、二阶波漂移和未建模动态等慢变环境干扰，根据动力定位船舶的运动学模型和动力学模型，建立动力定位船舶的状态空间模型；

步骤二：设计状态观测器估计动力定位船舶的速度和位置；设计干扰观测器估计并抵消船舶动力定位系统中的慢变环境干扰；在此基础上，构造鲁棒滤波器来滤除海洋环境中的一阶波诱导干扰；