[发明专利]一种基于等效干扰补偿的船舶动力定位控制系统

摘要

本发明属于定位控制系统领域，具体涉及一种将动力定位船舶低频运动模型中存在的非线性和环境扰动的不确定问题，在等效干扰补偿理论的基础上设计纵向、横向、艏向三个非线性控制器的基于等效干扰补偿的船舶动力定位控制系统。基于等效干扰补偿的船舶动力定位控制系统，包括显控计算机，纵向控制器，横向控制器，艏向控制器，推力系统，动力定位船舶。本发明提出的动力定位船舶低频运动纵向、横向、艏向三个控制器能够分别对船舶三自由度运动进行控制，将耦合项和非线性项以及外部环境扰动当成等效干扰进行处理，通过扩张状态观测器对等效扰动进行估计和补偿，从而更好的控制船舶定位到期望状态。

主权项

1.一种基于等效干扰补偿的船舶动力定位控制系统，包括显控计算机(1)，纵向控制器(2)，横向控制器(3)，艏向控制器(4)，推力系统(5)，动力定位船舶(6)；其中纵向控制器(2)包括纵向路径生成器(7)、纵向扩张状态观测器(10)、纵向误差反馈控制器(8)、纵向干扰补偿因子(11)、纵向干扰补偿器(9)；横向控制器(3)包括横向路径生成器(12)、横向扩张状态观测器(15)、横向误差反馈控制器(13)、横向干扰补偿器(14)、横向干扰补偿因子(16)；艏向控制器(4)包括艏向路径生成器(17)、艏向扩张状态观测器(20)、艏向误差反馈控制器(18)、艏向干扰补偿器(19)、艏向干扰补偿因子(21)；其特征在于：动力定位船舶(6)的GPS(22)和陀螺仪(23)对船舶的实际位姿信息进行采集，将采集到的实际位姿信息传递给显控计算机、纵向扩张状态观测器、横向扩张状态观测器和艏向扩张状态观测器；纵向扩张状态观测器、横向扩张状态观测器和艏向扩张状态观测器对实际位姿信息进行估计得到实际位姿信息估计值以及等效干扰估计值；显控计算机将期望位姿信息同时传送给纵向路径生成器、横向路径生成器和艏向路径生成器；纵向路径生成器、横向路径生成器和艏向路径生成器对获得的期望位姿信息进行平滑处理得到平滑的期望位姿信息；纵向误差反馈控制器、横向误差反馈控制器和艏向误差反馈控制器对实际位姿信息估计值和平滑的期望位姿信息进行误差控制得到标称系统下的纵向控制量、横向控制量、艏向控制量，纵向干扰补偿器、横向干扰补偿器和艏向干扰补偿器根据纵向干扰补偿因子、横向干扰补偿因子和艏向干扰补偿因子对纵向误差反馈控制器、横向误差反馈控制器和艏向误差反馈控制器输出的纵向控制量、横向控制量、艏向控制量进行补偿得到推力系统的纵向控制输入量、横向控制输入量和艏向控制输入量，所述的纵向干扰补偿因子、横向干扰补偿因子和艏向干扰补偿因子是纵向干扰补偿器、横向干扰补偿器和艏向干扰补偿器根据纵向扩张状态观测器、横向扩张状态观测器和艏向扩张状态观测器对等效干扰估计值产生的干扰项获得的；推力系统根据控制输入量对船舶的执行机构进行控制达到期望的位姿状态；所述的位姿信息包括GPS(22)采集的实际横向、纵向位置x,y，陀螺仪(23)采集的实际艏向ψ；所述的动力定位船舶的三自由度低频运动模型为：其中，η为船舶位置和艏向向量，η＝[x,y,ψ]，为船舶位置和艏向向量在地固坐标系下的速度向量，υ为船舶在附体坐标系下的速度向量υ＝[u,v,r]，u,v是船舶横向和纵向速度，r为船舶艏向角速度，J(η)是地固坐标系与附体坐标系之间的转换矩阵；Μ为系统惯性矩阵；C(υ)为与船舶速度有关的科里奥利向心力矩阵；D(υ)为与船舶速度有关的阻尼矩阵；b为低频干扰力，τ为控制向量，τ＝[τ_x,τ_y,τ_ψ]；Μ、C(υ)、D(υ)的具体形式为其中，m11、m22、m33为船舶纵向、横向、艏向的系统惯性质量，m23、m32为船舶横向与艏向耦合的系统惯性质量；c12、c21为船舶纵向与横向耦合的科里奥利向心力，c13、c31是纵向与艏向耦合的科里奥利向心力，c23、c32是横向与艏向耦合的科里奥利向心力；d11、d22、d33为船舶纵向、横向、艏向的阻尼，d23、d32为船舶纵向与艏向耦合的阻尼；将系统模型Μ、C(υ)、D(υ)中的耦合项以及船舶运动模型中的非线性项和外部环境扰动如风、浪、流作为等效干扰来处理，则船舶模型转化为：船舶纵荡运动模型：船舶横荡运动模型：船舶艏摇运动模型：其中，x1,x2为船舶模型转化后的纵向位置、纵向速度，fx(x1,x2)为转化后的与纵向位置、速度相关的非线性函数，px为转化后的纵向控制力系数，τx为纵向控制力，bx为包含系统内部耦合和外部环境扰动的纵向等效干扰；y1,y2为船舶模型转化后的横向位置、速度，fy(y1,y2)为转化后的与横向位置、速度相关的非线性函数，py为转化后的横向控制力系数，τy为横向控制力，by为包含系统内部耦合和外部环境扰动的横向等效干扰；ψ1,ψ2为船舶模型转化后的艏向角、艏向角速度，fψ(ψ1,ψ2)为转化后的与艏向角度、角速度相关的非线性函数，pψ为转化后的艏向控制力系数，τψ为艏向控制力矩，bψ为包含系统内部耦合和外部环境扰动的艏向等效干扰。