一种海上作业船状态同步稳定鲁棒控制方法技术

本发明专利技术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

【技术实现步骤摘要】
一种海上作业船状态同步稳定鲁棒控制方法


[0001]本专利技术涉及船舶与海洋工程控制
，尤其涉及一种海上作业船状态同步稳定鲁棒控制方法。

技术介绍

[0002]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。
[0003]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，有待专利技术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。

技术实现思路

[0004]本专利技术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。
[0005]为达到以上目的，本专利技术采取的技术方案是：
[0006]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：
[0007]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；
[0008]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；
[0009]设置基于单位方向向量的符号函数；
[0010]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；
[0011]针对系统的不确定项设计干扰观测器；
[0012]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。
[0013]优选地，所述运动学模型为：
[0014][0015]所述动力学模型为：
[0016][0017]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；
[0018]所述欧拉
‑
拉格朗日动力学模型为：
[0019][0020]式中，M(η(t))＝R(η(t))M0R
‑1(η(t))，(η(t))，
[0021]优选地，所述基于向量方向的符号函数为：
[0022][0023]其中，为任意n维向量，0
n
为n维零向量；
[0024]所述时间同步稳定滑模面为s，
[0025][0026]其中，
[0027]式中，和k1＞0,k2＞0,γ1＞0,γ2＞0,为滑模面参数，约束条件阈值ε＞0。
[0028]优选地，所述干扰观测器为：
[0029][0030][0031]其中，l1,l2,l3,l4＞0为观测器增益系数，ω0和ω1分别为对和τ
w
的观测估计值，和分别为ω0和ω1关于时间的导数。
[0032]优选地，所述动力定位船动力定位控制器为：
[0033][0034]其中，控制器增益k3,k4为正常数。
[0035]本专利技术的有益效果在于：
[0036]本专利技术与传统的有限时间控制方法相比，基于方向向量的符号函数的滑模控制设
计使得海上作业船系统各个状态能够实现有限时间的同步收敛；
[0037]本专利技术基于方向符号函数构建的控制器，能有效地提高控制性能，优化船舶轨迹，该方法的显著地减小控制能耗。
附图说明
[0038]为了更清楚的说明本专利技术的实施例或现有技术的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本专利技术的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0039]图1为本专利技术流程图。
[0040]图2为本专利技术动力定位轨迹曲线图。
[0041]图3为使用本专利技术设计的控制方法得到的位曲线图。
[0042]图4为本专利技术动力定位过程中的速度曲线图。
[0043]图5为使用本专利技术的控制方法得到的控制力矩输出曲线。
具体实施方式
[0044]需要说明的是，在不冲突的情况下，本专利技术中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本专利技术。
[0045]为使本专利技术实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本专利技术实施例中的附图，对本专利技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本专利技术一部分实施例，而不是全部的实施例。以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本专利技术及其应用或使用的任何限制。基于本专利技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本专利技术保护的范围。
[0046]需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本专利技术的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
[0047]除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、数字表达式和数值不限制本专利技术的范围。同时，应当清楚，为了便于描述，附图中所示出的各个部分的尺寸并不是按照实际的比例关系绘制的。对于相关领域普通技术人员己知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为授权说明书的一部分。在这里示出和讨论的所有示例中，任何具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制。因此，示例性实施例的其它示例可以具有不同的值。应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步讨论。
[0048]在本专利技术的描述中，需要理解的是，方位词如“前、后、上、下、左、右”、“横向、竖向、垂直、水平”和“顶、底”等所指示的方位或位置关系通常是基于附图所示的方位或位置关系，仅是为本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种海上作业船状态同步稳定鲁棒控制方法，其特征在于，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。2.根据权利要求1所述的海上作业船状态同步稳定鲁棒控制方法，其特征在于：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...

【专利技术属性】
技术研发人员：梁晓玲，李东禹，
申请(专利权)人：大连海事大学，
类型：发明
国别省市：