一种基于符号函数的动力定位固定时间控制方法

1.本发明涉及动力定位控制技术领域，尤其涉及一种基于符号函数的动力定位固定时间控制方法。


背景技术：

2.目前，深海开发战略已经成为了前瞻性前沿攻关领域之一。海上作业船动力定位控制的研究作为重大科技核心内容之一，也受到了越来越多科技工作者的探索。开展深海运维保障船和装备试验船、重型破冰船等科技前沿领域攻关，推进大型液化天然气船舶和深海油气生产平台等研发应用，推动海上浮动式核动力平台等先进堆型示范，离不开动力定位系统控制器技术的不断研发和创新。
3.在深海开发过程中，油气生产运输平台经常会受到深海环境中风、浪、流的显著影响，因此在复杂恶劣的海洋环境下，应避免艏向角及位置等误差量对于海上作业船安全控制过程的影响，如大型液化天然气船舶转弯的时候，由于侧滑角没有和位置状态同时收敛到达稳定，导致船舶侧翻的情况，通过设计向量符号函数滑模控制器，保证位姿信号同时收敛趋于稳定的效果；针对海上作业船能够在规定的时间内运动到期望位置，如北极区域执行任务时需要避开冰层等障碍物，如果没有实现在有限时间或固定时间内到达指定位置，就会有撞到冰山的可能性，通过设计固定时间控制器，保证了重型破冰船的顺利通航任务。现有技术动力定位船可以实现运动状态稳定，但是较少关注位姿状态收敛时间，各状态是如何收敛的也没有考虑在控制设计中。综上所述，有待发明一种可以使动力定位船各状态量实现同步收敛的固定时间控制方法。


技术实现要素：

4.本发明提供一种基于符号函数的动力定位固定时间控制方法，解决了动力定位船各状态量在固定时间无法实现同步收敛的问题。
5.为达到以上目的，本发明采取的技术方案是：
6.一种基于符号函数的动力定位固定时间控制方法，包括如下步骤：
7.采集动力定位船的位姿信息；
8.基于所述动力定位船的位姿信息的运动学和动力学特性，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；
9.根据所述运动学模型和所述动力学模型，建立二阶仿射数学模型；
10.设置基于向量方向的符号函数；
11.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；
12.针对滑模面的触发条件，实现滑模面切换设计，保证非奇异现象的出现；
13.基于所述二阶仿射数学模型，根据所述滑模面，设计各状态量随时间同步收敛的固定时间控制器。
14.优选地，所述运动学模型为：
[0015][0016]
所述动力学模型为：
[0017][0018]
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；
[0019]
所述二阶仿射数学模型为：
[0020][0021]
其中，
[0022][0023][0024][0025]
式中，
[0026]
m(η(t))＝r(η(t))m0r
‑1(η(t))。
[0027]
优选地，所述基于向量方向的符号函数为：
[0028][0029]
其中，为任意n维向量，0
n
为n维零向量；
[0030]
所述时间同步稳定滑模面为s，
[0031][0032]
其中，和k1＞0,k2＞0,为滑模面参数。
[0033]
优选地，所述固定时间控制器为：
[0034][0035]
其中，控制器增益α2,β2为正常数，幂指数
[0036][0037]
式中，
[0038]
[0039]
本发明的有益效果在于：
[0040]
本发明基于方向向量符号函数的滑模控制设计使得动力定位船的位姿能够实现固定时间的同步收敛，同时避免奇异现象产生；
[0041]
本发明基于方向符号函数构建的控制器，能有效地提高控制性能，优化船舶运动路径，显著地降低能量消耗，对于深海开发工作有着重要的实际意义。
附图说明
[0042]
为了更清楚的说明本发明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发明的一些实施例，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。
[0043]
图1为本发明流程示意图。
[0044]
图2为本发明定点跟踪路线曲线图。
[0045]
图3为本发明能量消耗对比曲线图。
[0046]
图4为本发明位置量曲线图。
[0047]
图5为本发明速度量曲线图。
具体实施方式
[0048]
需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明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发明。
[0049]
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明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发明一部分实施例，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，决不作为对本发明及其应用或使用的任何限制。基于本发明中的实施例，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，都属于本发明保护的范围。
[0050]
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发明的示例性实施方式。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。
[0051]
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发明的范围。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。
[0052]
在本发明的描述中，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，仅是为了便于描述本发明和简化描述，在未作相反说明的情况下，这些方位词并不指示和暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位或者以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明保护范围的限制：方位词“内、外”是指相对于各部件本身的轮廓的内外。
[0053]
为了便于描述，在这里可以使用空间相对术语，如“在
……
之上”、“在
……
上方”、“在
……
上表面”、“上面的”等，用来描述如在图中所示的一个器件或特征与其他器件或特征的空间位置关系。应当理解的是，空间相对术语旨在包含除了器件在图中所描述的方位之外的在使用或操作中的不同方位。例如，如果附图中的器件被倒置，则描述为“在其他器件或构造上方”或“在其他器件或构造之上”的器件之后将被定位为“在其他器件或构造下方”或“在其位器件或构造之下”。因而，示例性术语“在
……
上方”可以包括“在
……
上方”和“在
……
下方”两种方位。该器件也可以其他不同方式定位(旋转90度或处于其他方位)，并且对这里所使用的空间相对描述作出相应解释。
[0054]
此外，需要说明的是，使用“第一”、“第二”等词语来限定零部件，仅仅是为了便于对相应零部件进行区别，如没有另行声明，上述词语并没有特殊含义，因此不能理解为对本发明保护范围的限制。
[0055]
本发明提供一种技术方案：一种基于符号函数的动力定位固定时间控制方法，流程如图1所示，包括如下步骤：
[0056]
采集动力定位船的位姿信息；
[0057]
基于动力定位船的位姿信息的运动学和动力学特性，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；
[0058]
根据运动学模型和动力学模型，建立二阶仿射数学模型；
[0059]
设置基于向量方向的符号函数；
[0060]
根据基于向量方向的符号函数设计时间同步稳定滑模面；
[0061]
针对滑模面的触发条件，实现滑模面切换设计，保证非奇异现象的出现；
[0062]
基于二阶仿射数学模型，根据滑模面，设计各状态量随时间同步收敛的固定时间控制器。
[0063]
实施例
[0064]
第一步：建立动力定位船的运动学和动力学模型：
[0065][0066][0067]
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。位置和速度向量的初始值分别设置为
[0068]
然后结合系统(1)和(2)将其建立二阶数学模型：
[0069][0070]
其中，
[0071][0072][0073][0074]
式中，
[0075]
m(η(t))＝r(η(t))m0r
‑1(η(t))
ꢀꢀꢀ
(7)
[0076]
第二步，设计一种新型的方向符号函数，具体形式定义如下：
[0077][0078]
其中，为任意n维向量，0
n
为n维零向量。该符号函数的指数幂可以定义为如下形式：
[0079][0080]
其中，p为幂指数。
[0081]
基于以上符号函数可以构建一种新型的时间同步稳定滑模面为：
[0082][0083]
式中，滑模面参数为k1＝0.1,k2＝0.1，阈值ε＝0.0001。
[0084]
如果控制器设计为
[0085][0086]
其中，0＜p2＜1,g2＞1,
[0087][0088][0089]
那么在η＝0时，ρ1和ρ2在
‑
1和
‑
3处会出现导致控制器出现奇异值的现象，所以这种滑膜面在s
*
＝0 or s
*
≠0,||q||＞ε时是可行的，约束条件为阈值ε＞0。
[0090]
第三步，针对可能出现的奇异现象，if s
*
≠0,||η||≤ε,滑模面设计为如下形式：
[0091][0092]
式中，滑模面参数γ1＝0.5,γ2＝0.5。
[0093]
第四步，基于第二步和第三步构建的滑模面，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为如下形式：
[0094][0095]
其中，控制器增益k3＝0.05,k4＝0.05，幂指数
[0096]
基于以上实施方法可以获得动力定位船固定时间动力定位控制的仿真结果如图
2
‑
5所示。图2是定点跟踪路线曲线，ftsc为本方法的代称，ftc为基于传统符号函数设计的滑模控制，在对比图中可以看出，本方法的路径为直线，在没有使用以消耗计算量为代价的优化设计方法，就实现路径最短，是因为基于向量符号函数设计的优势；图3中为能量消耗对比曲线，第一个子图能量计算方式为∫fds，两种方法分别为消耗了449j和860j。相比于ftc，基于ftsc节省了47.79％的能量。第一个子图能量计算方式为∫tdψ，两种方法分别为消耗了4.8j和6.1j。相比于ftc，基于ftsc节省了21.31％的能量；图4是动力定位过程中的位置量曲线，可以看状态量同步收敛；图5是使用本发明的控制方法得到的速度量曲线；上述仿真结果充分说明，本方法可以实现高精度的固定时间状态同步收敛动力定位控制。
[0097]
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。