[发明专利]一种海上作业船状态同步稳定鲁棒控制方法

说明书

本发明提供一种海上作业船状态同步稳定鲁棒控制方法，涉及船舶与海洋工程控制技术领域，包括如下步骤：根据动力定位船动力定位任务中的动力学特性，建立动力定位船的运动学模型和动力定位船的动力学模型；根据所述运动学模型和所述动力学模型，建立考虑模型不确定性和外部干扰的欧拉‑拉格朗日模型；设置基于单位方向向量的符号函数；针对系统的不确定项设计干扰观测器；根据所述时间同步稳定滑模面和所述干扰观测器，设计各状态量随时间同步收敛的动力定位船动力定位控制器。本发明的控制方法具有鲁棒性强，控制精度高，能耗低等特性，适合应用于存在系统不确定项且各状态同步稳定的动力定位船动力定位控制任务中。

技术领域

本发明涉及船舶与海洋工程控制技术领域，尤其涉及一种海上作业船状态同步稳定鲁棒控制方法。

背景技术

海洋资源的开发和勘探推动了动力定位技术的发展，动力定位系统在海洋钻井船、科学考察船、深海救生船等方面得到了应用。动力定位是海洋工程船舶的一种定位方法。动力定位法不受水深限制的优势，使其适合于深水海域使用。动力定位系统设计是根据测量所得到的船舶运动信息和环境信息，通过产生一定的控制推力和力矩，以实现预定的姿态控制，定位控制以及运动控制。

在现有技术中，反步控制方法，模型预测控制方法等先进控制设计已被应用到动力定位系统的设计中，但这些控制方法构造较为复杂，导致其计算量随着数据增加变大。已有的反步有限时间控制方法和滑模有限时间控制方法中，有限时间的计算依赖于初值的选择，固定时间的设计不需要考虑初值的影响。有限时间动力定位的设计研究较少，并且设计控制系统时，只考虑了有限时间内船舶状态的稳定性设计，没有进一步考虑船舶的位置和艏向同时到达稳定状态的情况，使得船舶在风、浪、流等环境力的作用下依旧可能处于不稳定的状态。综上所述，有待发明一种可以解决海上作业船存在动力学模型不确定及外界干扰的情况下的位姿同步稳定的问题的海上作业船控制方法。

发明内容

本发明提供一种海上作业船状态同步稳定鲁棒控制方法，解决了海上作业船存在动力学模型不确定及外界干扰的情况下的位姿同步稳定的问题。

为达到以上目的，本发明采取的技术方案是：

一种海上作业船状态同步稳定鲁棒控制方法，包括如下步骤：

根据动力定位船动力定位任务中的动力学特性，建立动力定位船的运动学模型和动力定位船的动力学模型；

根据所述运动学模型和所述动力学模型，建立考虑模型不确定性和外部干扰的欧拉-拉格朗日模型；

设置基于单位方向向量的符号函数；

根据所述基于向量方向的符号函数设计时间同步稳定滑模面；

针对系统的不确定项设计干扰观测器；

根据所述时间同步稳定滑模面和所述干扰观测器，设计各状态量随时间同步收敛的动力定位船动力定位控制器。

优选地，所述运动学模型为：

所述动力学模型为：

其中：R(η(t))表示坐标系变换矩阵，η＝[x,y,ψ]^T表示动力定位船的位置和艏向角；υ＝[u,v,r]^T表示动力定位船速度和角速度；M₀表示动力定位船质量和转动惯量；C₀(ν)表示科里奥利向心力矩阵，D₀(ν)表示阻尼系数矩阵；τ表示控制力与控制力矩；τ_w表示环境扰动力；

所述欧拉-拉格朗日动力学模型为：

式中，M(η(t))＝R(η(t))M₀R^-1(η(t))，