[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

说明书

本发明提供一种基于灰狼算法的船舶动力定位自抗扰控制方法，包括：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；建立船舶动力定位自抗扰控制系统；设计灰狼算法；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。本发明技术方案解决了动力定位系统中自抗扰控制器参数难以整定的技术问题，提高了控制器的控制效果，同时，优化后的控制器在保证控制精度和速度的同时，减少了速度变化频率，从而减少了舵偏摆动的频率，降低了动力装置机械结构的损害，且在遭遇外界突增的扰动时偏移量更小，控制器反应更加灵敏，并且能够更快的回到期望位置，增强了动力定位系统抵抗外界扰动的能力。

技术领域

本发明涉及船舶动力定位系统控制器技术领域，具体而言，尤其涉及一种基于灰狼算法的船舶动力定位自抗扰控制方法。

背景技术

近年以来，伴随着科学技术的发展，各国对海洋的开发日益频繁，海洋工程从沿海发展到近海，再到现在的远海，海洋工程作业种类也从最早的海洋石油开采发展为海底电缆铺设、海洋救助打捞、海洋生物化学调查等，海洋工程作业对船舶与平台的定位精度及稳定性要求相应的也越来越高，传统的锚泊定位方式只能在浅海域工作、定位精度不高、位置转换灵敏度较差等缺点也越来越突出，已经无法满足现代海洋工程作业的要求，成为了海洋作业朝深海以及多元化发展的限制。因此，能够适应海上复杂多变的环境，具有更高的定位精度和稳定性的船舶动力定位系统逐渐代替了传统锚泊。

控制技术作为船舶动力定位系统的核心，经过不断的升级与完善，经历了三代，分别是经典控制理论、现代控制理论和智能控制理论。第一代船舶动力定位控制器采用的是单输入单输出PID控制律，为减少高频运动对定位精度的影响，结合了低通或陷波滤波器来剔除偏差信号中的中高频部分，虽然提高了定位精度，但其引入了相位滞后量，降低了定位的实时性，此外，PID的参数选择和设定比较困难，且一旦选定后，无法做出更改，面对复杂多变的海洋环境带来的时变扰动适应性较差，控制效果并不十分理想。第二代采用基于模型的线性二次型高斯控制算法、模型参考的自适应控制、反步法等。第三代采用鲁棒控制、模糊控制、模型预测控制、神经网络等智能算法来设计船舶动力定位系统控制器。在当前的各种船舶动力定位控制技术中，虽然鲁棒性、适应性得到了提高，但对模型的依赖性较强，而在实际的工程应用中，尤其是对于复杂的船舶动力定位系统，若要通过动力抵抗风、浪、流等外界环境的干扰，更加依赖精确的数学模型，而风、浪、流等精确的数学模型往往难以建立，这也给船舶动力定位控制系统带来了巨大的挑战。

自抗扰控制器是在非线性PID基础上针对不确定系统提出的新型控制技术，该控制方法，首先通过安排过渡过程来解决PID算法初始偏差过大，容易引起超调的问题，通过微分跟踪器获得更加准确的跟踪信号和微分信号，对跟踪信号和微分信号分别计算偏差，并由偏差的线性加权变换为非线性组合，从而求得控制器的控制量。对于整个系统的扰动，通过扩张观测器进行观测，对控制量进行扰动部分的补偿，这也是自抗扰控制器不依赖于精确数学模型的关键所在。所以，自抗扰控制器在保留了经典控制理论实用性的基础上，解决了经典控制理论依赖精确数学模型以及对非线性系统控制效果不佳的问题。自抗扰控制器在改善控制效果的同时，也引入了更多的参数，相较于传统PID控制，微分跟踪器、非线性组合和扩张观测器三部分中需要设计的参数成倍增多，大大增加了自抗扰控制器设计的难度。目前，整定参数最常用的方法还是经验试凑法，通过不断试凑来调节参数，既费时又难以保证最佳的控制效果，而结合智能算法之后，可通过算法对参数进行整定，在保证良好控制效果的同时，大大提高了自抗扰控制器设计的效率。

发明内容

根据上述提出动力定位系统中自抗扰控制器参数难以整定的技术问题，而提供一种基于灰狼算法的船舶动力定位自抗扰控制方法，解决了其参数难以整定的问题，提高了控制器的控制效果。

本发明采用的技术手段如下：

一种基于灰狼算法的船舶动力定位自抗扰控制方法，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；