一种基于逆系统和内模控制的船舶动力定位控制方法
【专利摘要】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。
【专利说明】一种基于逆系统和内模控制的船舶动力定位控制方法
【技术领域】
[0001] 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】
[0002] 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。
[0003] 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 c?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 c?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 c?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。
[0004] 内模控制（MC)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】
[0005] 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。
[0006] 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：
[0007] 1)建立船舶运动系统数学模型；
[0008] 2)构造关于船舶的伪线性系统；
[0009] 3)设计内环的内模控制器；
[0010] 4)计算速度环控制系统的参考模型；
[0011] 5)设计外环的内模控制器；
[0012] 6)添加坐标系转换；
[0013] 7)设计内环控制器参数；
[0014] 8)设计外环控制器参数。
[0015] 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。
[0016] 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 性系统匕，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。
[0017] 上述步骤3)的内环是速度环。
[0018] 上述步骤3)设计内环的内模控制器的具体方法是：对伪线性系统匕进行内模控 制，根据伪线性系统h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 GIMC(s)如式（1. 1)，
【权利要求】
1. 一种基于逆系统和内模控制的船舶动力定位控制方法，其特征在于包括如下步骤： 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。
2. 根据权利要求1所述的基于逆系统和内模控制的船舶动力定位控制方法，其特征在 于上述步骤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。
3. 根据权利要求1所述的基于逆系统和内模控制的船舶动力定位控制方法，其特征在 于上述步骤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 Gi，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。
4. 根据权利要求1所述的基于逆系统和内模控制的船舶动力定位控制方法，其特征在 于上述步骤3)的内环是速度环。
5. 根据权利要求1所述的基于逆系统和内模控制的船舶动力定位控制方法，其特征在 于上述步骤3)设计内环的内模控制器的具体方法是：对伪线性系统匕进行内模控制，根据 伪线性系统h和内模控制器设计原理，得到伪线性系统模型&和内环MC控制器GISC(s)如 式（1. 1)，
(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。
6. 根据权利要求1所述的基于逆系统和内模控制的船舶动力定位控制方法，其特征在 于上述步骤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
(1.2) 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Λ的参考模型（1.3)式，
(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，ug，vg，rg分别为速度环的给 定控制信号，fu(s)，fv(s)，f,(s)分别为速度环针对三个自由度的MC滤波器。
7. 根据权利要求1所述的基于逆系统和内模控制的船舶动力定位控制方法，其特征在 于上述步骤5)的外环是位置环。
8. 根据权利要求1所述的基于逆系统和内模控制的船舶动力定位控制方法，其特征在 于上述步骤5)设计外环的内模控制器的具体方法是：根据被控制系统G 2和内模控制原理， 得到被控系统模型，设计外环IMC控制器GIK(s)，此时的被控系统G 2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。
9. 根据权利要求1所述的基于逆系统和内模控制的船舶动力定位控制方法，其特征在 于上述步骤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) 其中么》为惯性坐标系下船舶的二维速度和角速度，供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(λ-致，g卩（1.5)式，
(1.5) 故不影响位置环控制器的设计。
10. 根据权利要求1所述的基于逆系统和内模控制的船舶动力定位控制方法，其特征 在于上述步骤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。
【文档编号】G05B13/04GK104142626SQ201410163994
【公开日】2014年11月12日 申请日期:2014年4月22日 优先权日:2014年4月22日
【发明者】王钦若, 刘芸, 彭义, 张慧, 班勃 申请人:广东工业大学