一种基于逆系统和内模控制的船舶动力定位控制方法

摘要

本发明是一种基于逆系统和内模控制的船舶动力定位控制方法。包括如下步骤：1）建立船舶运动系统数学模型；2）构造关于船舶的伪线性系统；3）设计内环的内模控制器；4）计算速度环控制系统的参考模型；5）设计外环的内模控制器；6)添加坐标系转换；7)设计内环控制器参数；8)设计外环控制器参数。本发明是一种以逆系统和内模控制算法为基础的船舶动力定位控制方法，能合理高效的解决船舶运动控制的问题，鲁棒性强，定位精度，能实现绿色控制。

说明书

技术领域

本发明是一种基于逆系统和内模控制的船舶动力定位控制方法，属 于基于逆系统和内模控制的船舶动力定位控制方法的改造技术。

背景技术

随着社会的发展，人们对海洋开发的深入，定位设备的需求也越来大。 例如打捞救生船、工程供应船、钻井平台、海上消防船、海洋考察船、采 矿船、海底管道和电缆铺设的工作船等等，它们在进行潜水作业、潜水跟 踪、海上施工、海上探测时，都需要定位系统，也就是按预定目的、预定 位置，对船舶进行定位控制。动力定位系统(Dynamic Positioning system) 是一种闭环的控制系统，其功能是不借助锚泊系统的作用，而能不断检测 出船舶的实际位置与目标位置的偏差，再根据外界风、浪、流等外界扰动 力的影响计算出使船舶恢复到日标位置所需推力的大小，并对船舶上各推 力器进行推力分配，进而使各推力器产生相应的推力，从而使船尽可能地 保持在海平面上要求的位置上。其优点是定位成本不会随着水深增加而增 加，并且操作也比较方便，因此对动力定位系统的研究也就具有越来越重 要的意义。

迄今在工程上使用最为成熟的自动控制方法是PID控制，但PID控制 过于依赖精确的数学模型，而实际中很难得到船舶精确的运动学模型。随 着科技进步，现代控制理论的发展，各种新的控制方法，如神经网络控制、 H∞控制、反步控制等控制方法等，都先后应用于船舶航向控制。然而神 经网络控制由于其泛化能力不足，本箱内部知识表达方法使其不能利用初 始经验进行学习，易于陷入局部极小值，分布并行计算的潜力还有赖于硬 件技术的提高。H∞鲁棒控制计算复杂的问题；指标的设定和权函数的选取 仍然有困难；以及坏条件数的H∞鲁棒控制问题以和模型降阶问题。反步 法控制方法存在一定局限性，即只能适用于严反馈控制系统，或者能化为 严反馈形式的系统，存在计算膨胀和难以构造李雅普诺夫函数等问题。

内模控制(IMC)是80年代初提出的，由Garcia和Morari引进，其 产生的背景主要有两个方面，一是为了对当时提出的两种预测控制算法 MAC和DMC进行系统分析；其次是作为Smith预估器的一种扩展，使设 计更为简便，鲁棒及抗扰性大为改善，是一种实用性很强的控制方法。其 主要特点是结构简单、设计直观简便，在线调节参数少，且调整方针明确， 调整容易。特别是对于鲁棒及抗扰性的改善和大时滞系统的控制，效果尤 为显著。因此自从其产生以来，仅在慢响应的过程控制中获得了大量应用， 在快响应的电机控制中也能取得了比PID更为优越的效果。IMC设计简 单、跟踪性能好、鲁棒性强，能消除不可测干扰的影响，一直为控制界所 重视。

发明内容

本发明的目的在于考虑上述问题而提供一种针对船舶运动中多变量 耦合、非线性、滞后等问题，提出一种基于逆系统和内模控制的船舶动力 定位控制方法。本发明是一种以逆系统和内模控制算法为基础的船舶动力 定位控制方法，能合理高效的解决船舶运动控制的问题，鲁棒性强，定位 精度，能实现绿色控制。

本发明的技术方案是：本发明的基于逆系统和内模控制的船舶动力定 位控制方法，包括如下步骤：

1)建立船舶运动系统数学模型；

2)构造关于船舶的伪线性系统；

3)设计内环的内模控制器；

4)计算速度环控制系统的参考模型；

5)设计外环的内模控制器；

6)添加坐标系转换；

7)设计内环控制器参数；

8)设计外环控制器参数。

上述步骤1)建立船舶运动系统数学模型的具体方法是：建立关于船 舶横荡、纵荡、艏摇三个自由度的运动学模型。

上述步骤2)构造关于船舶的伪线性系统的具体方法是：根据α阶逆 系统构造原理，得到船舶实际运动系统Σ的α阶逆系统Π，系统Σ与系统Π 串联复合成为一个伪线性系统G₁，这样通过构造α阶逆系统便实现了船舶 实际运动系统Σ的线性化和解耦。

上述步骤3)的内环是速度环。

上述步骤3)设计内环的内模控制器的具体方法是：对伪线性系统G₁进行内模控制，根据伪线性系统G₁和内模控制器设计原理，得到伪线性 系统模型和内环IMC控制器G_IMC(s)如式(1.1)，

其中f(s)为速度环IMC滤波器，为被控系统模型的最小相位部 分。

上述步骤4)计算速度环控制系统的参考模型具体方法是：如图3所 示，根据内环控制系统的模型结构，输入输出关系即为

$\frac{Y\left(s\right)}{R\left(s\right)}=\frac{G_{\mathrm{IMC}}\left(s\right)·G_p\left(s\right)}{1+G_{\mathrm{IMC}}\left(s\right)·[G_P\left(s\right)-{\hat{G}}_p\left(s\right)]}---\left(1.2\right)$

其中Y(s),R(s)分别为系统的输入和输出，分别实际被控系 统和被控系统模型；

忽略的差异，得到速度环控制系统Δ的参考模型(1.3)式，

$\left(\begin{array}{c}u=u_g·f_u\left(s\right)\\ v=v_g·f_v\left(s\right)\\ r=r_g·f_r\left(s\right)\end{array}\right)$

(1.3)

其中u,v,r分别为船舶纵荡速度、横荡速度和艏摇角速度，u_g,v_g,r_g分 别为速度环的给定控制信号，f_u(s),f_v(s),f_r(s)分别为速度环针对三个自由度 的IMC滤波器。

上述步骤5)的外环是位置环。

上述步骤5)设计外环的内模控制器的具体方法是：根据被控制系统 G₂和内模控制原理，得到被控系统模型，设计外环IMC控制器G_IMC(s)， 此时的被控系统G₂是以内环控制系统为基础，添加有积分环节，并与坐 标转换的添加位置有关。

上述步骤6)添加坐标系转换的具体方法是：船舶位置控制器控制的 是惯性坐标系中船舶的位置姿态等，而速度环控制和检测的都是随船坐标 下船舶的运动特性，船舶在实际运动中进行位置控制时需要添加坐标转换 环节，惯性坐标系与随船坐标系关系如图4所示，坐标变换表达式如(1.4) 式，

(1.4)

其中为惯性坐标系下船舶的二维速度和角速度，为惯性坐标 系下船舶的转角方向，u,v,r为随船坐标系船舶纵荡速度、横荡速度和艏 摇角速度；

坐标转换选择两种添加形式，1)坐标转换环节放在位置环的外部： 惯性坐标下，设定的位置信号与当前位置的比较，其偏差经过坐标转换， 得到的随船位置信号作为位置环控制信号；2)坐标转换环节放在速度环 的外部：惯性坐标信号作为位置环控制信号，位置环的输出信号经坐标转 换后再作为速度环控制信号；

两种形式下位置环被控系统G₂的参考模型一致，即(1.5)式，

$\left(\begin{array}{c}u=u_g·f_u\left(s\right)·\frac{1}{s}\\ v=v_g·f_v\left(s\right)·\frac{1}{s}\\ r=r_g·f_r\left(s\right)·\frac{1}{s}\end{array}\right)$

(1.5)

故不影响位置环控制器的设计。

上述步骤7)设计内环控制器参数的具体方法是：根据速度环的指标

要求和推力实现的限制调节；上述步骤8)设计外环控制器参数的具

体方法是：根据位置环的指标要求和速度环性能限制调节。

本发明的有益效果是：

1)本发明针对船舶运动多中多变量耦合、非线性等问题，提出在船 舶控制中采用α阶逆系统方法，即通过反馈线性化实现非线性模型的解耦 控制。采用α阶逆系统后，船舶的内模控制结构更清晰，算法更加简单。

2)本发明中采用双闭环的内模控制，是船舶动力定位控制系统具有响 应快，鲁棒性好，抗扰动强，定位精确的等特点。

3)本发明的方法推导严格，结构简单，易实现调节参数，具有很强的 实用性。

本发明是一种方便实用的基于逆系统和内模控制的船舶动力定位控 制方法。

附图说明

图1为本发明基于逆系统和内模控制算法的船舶控制系统的原理图；

图2基于α阶逆系统构造成伪线性系统原理图；

图3基于逆系统和内模控制算法的船舶速度环控制系统结构图；

图4惯性坐标系与随船坐标系关系图；

图5基于逆系统和内模控制算法的船舶控制系统具体实施流程图。

具体实施方式

实施例：

通过下面实施例对本发明作进一步详细阐述。

本发明基于逆系统和内模控制算法的船舶动力定位控制方法，采 用α阶逆系统原理将耦合非线性船舶运动数学模型进行反馈线性化得到 伪线性系统；采用双闭环内模控制方法对伪线性系统进行控制；其具体步 骤如下：

1)建立船舶运动模型

根据广东工业大学海洋实验室实验船舶，以一艘按26：1缩小的2.8m 供给船为控制对象，低频下船舶在静水中模型如下：

$\left(\begin{array}{c}(m-X_{\stackrel{·}{u}})\stackrel{·}{·u}-X_u·u·\left|u\right|=F_u\\ (m-Y_{\stackrel{·}{v}})\stackrel{·}{v}-Y_v·v^3+[(m·X_g-Y_{\stackrel{·}{r}})\stackrel{·}{r}-Y_r·r]·\mathrm{sgn}\left(v\right)=F_v\\ (I_z-N_{\stackrel{·}{r}})\stackrel{·}{r}-N_r·r=F_r\end{array}\right)---\left(2.1\right)$

其中，$m-X_{\stackrel{·}{u}}=223.7,$X_u＝-46.4,$m-Y_{\stackrel{·}{v}}=1309v-123.72,$Y_v＝-257,

$I_z-N_{\stackrel{·}{r}}=580.45r-3.5557,$N_r＝-206

式中m是船舶质量，I_Z是转动惯量，x_G是船舶重心在随船坐标系中的 x轴坐标值，分别表示水动力在纵荡、横荡、艏摇三个自由度 因为各自加速度引起的附加质量，表示因为横荡跟艏摇耦合作用而引起 的附加质量。X_u、Y_v、Y_r、N_v、N_r分别表示船舶在各个运动方向的水动 力线性阻尼系数。F_u、F_v、F_r分别为横向、纵向的力和转矩。

2)船舶伪线性系统设计

根据上述船舶模型，实际船舶运动输入信号是F_u,F_v,F_r，输出信号是 u,v,r。构造船舶实际系统的一阶逆系统，其输入信号是输出信号 是F_u,F_v,F_r。实际系统和逆系统复核后形成伪线性系统G₁。通过这种反馈 线性化，便实现横荡和艏摇部分解耦，即

$\left(\begin{array}{c}\stackrel{·}{u}\\ \stackrel{·}{v}\\ \stackrel{·}{r}\end{array}\right)\Rightarrow \left(\begin{array}{c}u\\ v\\ r\end{array}\right)$

(2.2)

3)内环(速度环)内模控制器设计

忽略螺旋桨饱和问题，伪线性系统G₁近似为一个一阶积分环节，其系

统模型为

(2.3)

内环IMC控制器G_IMC(s)如下：

其中f₁(s)为速度环IMC滤波器；a，b为内环控制器参数。

4)速度环控制系统的参考模型计算

忽略伪线性系统G₁与系统模型的差异，速度环控制系统Δ输入与输 出的关系如下：

$\frac{Y\left(s\right)}{R\left(s\right)}=f_1\left(s\right)=\frac{1}{a·s+b}---\left(2.5\right)$

得到速度环控制系统Δ的参考模型(2.6)式，

$\left(\begin{array}{c}u=u_g·f_u\left(s\right)\\ v=v_g·f_v\left(s\right)\\ r=r_g·f_r\left(s\right)\end{array}\right)$

(2.6)

其中u,v,r分别为船舶纵荡速度、横荡速度和艏摇角速度，u_g,v_g,r_g分 别为速度环的给定控制信号，速度环针对三个自由度的IMC滤波器 f_u(s),f_v(s),f_r(s)设置类型即为f₁(s)。

5)外环(位置环)的内模控制器设计

速度环控制系统Δ经过积分环节，成为位置环的被控系统G₂。位置环 的被控系统的参考模型即为：

得到外环IMC控制器G_IMC(s)如下：

其中f₁(s)为速度环IMC滤波器；m，n，c为外环控制器参数。

位置环针对三个自由度的IMC滤波器f_u(s),f_v(s),f_r(s)设置类型即为 f₂(s)类型。

6)添加坐标系转换

添加坐标系转换环节，其不影响内外环控制器的设置。

7)调整内、外环控制器参数

根据实际调试情况，设计a，b，m，n，c代表的参数。

通过对MATLAB仿真曲线和数据分析后可以看出，本发明提出的在基 于逆系统和内模控制算法的船舶控制作用下，系统能够客服船舶非线性模 型模型不确定，控制量饱和等问题，能够快速跟踪期望位置，跟踪响应误 差小，定位精度高。

以上仅为本发明的优选实施例，但本发明的设计构思并不局限于此，凡利 用此构思对本发明做出的非实质性修改，也均落入本发明的保护范围之 内。