[发明专利]一种基于灰狼算法的船舶动力定位自抗扰控制方法

权利要求书

1.一种基于灰狼算法的船舶动力定位自抗扰控制方法，其特征在于，包括如下步骤：

S1、建立惯性坐标系与船体坐标系，并构建船舶的运动学和动力学数学模型；

S2、建立船舶动力定位自抗扰控制系统；

S3、设计灰狼算法；

S4、将设计的灰狼算法嵌入船舶动力定位自抗扰控制系统中，并通过设计的灰狼算法选取最优的参数。

2.根据权利要求1所述的基于灰狼算法的船舶动力定位自抗扰控制方法，其特征在于，所述步骤S1中，建立惯性坐标系与船体坐标系的具体实现过程如下：

假设O_E-X_EY_E为惯性坐标系，X_E轴正向为正东，Y_E轴正向为正北，O-X_BY_B为船体坐标系，O为0时刻船舶重心位置，X_B轴正向指向船艏，Y_B轴正向指向船舶右舷，根据坐标转换原理，得到惯性坐标系和船体坐标系的转换矩阵为：

3.根据权利要求1所述的基于灰狼算法的船舶动力定位自抗扰控制方法，其特征在于，所述步骤S1中，构建船舶的运动学和动力学数学模型的具体实现过程如下：

考虑低频运动受风、二阶波浪力、流和推进器的影响，构建船舶的运动学和动力学数学模型，如下：

其中，η为位置向量，η＝[x,y,ψ]^T；v为速度向量，ν＝[u,v,r]^T；M为惯性矩阵；D为阻尼矩阵；τ为控制器输出，τ＝[τ_x,τ_y,τ_ψ]^T；F为包括风、浪、流等的外界总扰动。

4.根据权利要求1所述的基于灰狼算法的船舶动力定位自抗扰控制方法，其特征在于，所述步骤S2中，建立的船舶动力定位自抗扰控制系统包括微分跟踪器TD、状态误差的非线性反馈律NLSEF、扩张状态观测器ESO及扰动观测补偿。

5.根据权利要求4所述的基于灰狼算法的船舶动力定位自抗扰控制方法，其特征在于，所述步骤S2中，建立船舶动力定位自抗扰控制系统的具体实现过程如下：

S21、微分跟踪器TD利用取小时间常数的惯性环节对输入信号进行跟踪，同时通过求解微分方程，近似提取输入信号的微分信号，其表达式如下：

其中，v₁为输入信号v₀的跟踪信号；v₂为v₁的微分信号；r为速度因子，r越大，微分跟踪器TD跟踪输入信号的速度越快，同时跟踪信号受噪声污染越严重，如r取得过大会导致跟踪信号与原信号重叠；h为滤波因子，h越大，滤波效果越好，如h取得过大会导致跟踪信号与输入信号间的相位差过大；fhan(ν₁-ν₀,ν₂,r,h)为系统的快速控制最优综合函数，其表达式为：

d＝rh

d₀＝hd

y＝ν₁-ν₀+hν₂

S22、对二阶连续形式微分跟踪器进行离散化处理，得到其离散形式，如下：

S23、扩张状态观测器ESO根据系统的输出与观测值间的偏差对观测值进行控制，同时对扩张出的系统总扰动进行估计，对于船舶低频运动模型，其表达式为：

其中，z₁为跟踪信号；z₂为微分信号，即所估计的船舶速度；z₃为扩张出的系统总扰动的估计值；β₀₁、β₀₂、β₀₃、b为可调节的参数；

S24、将误差信号替换成关于误差信号的非线性函数，其表达式如下：

其中，u₀为控制器输出的控制量；β₁、β₂为可调节的参数。