基于動態面控制方法的船舶動力定位控制

張　敏,趙　斌

(1.河南機電高等專科學校 機電工程系,河南 新鄉 453003；

2.河南機電高等專科學校 電氣工程系，河南 新鄉 453003)

基于動態面控制方法的船舶動力定位控制

張敏1,趙斌2

(1.河南機電高等專科學校 機電工程系,河南 新鄉 453003；

2.河南機電高等專科學校 電氣工程系，河南 新鄉 453003)

摘要：隨著經濟全球化的發展，人們對海洋資源的開采和利用逐年加深，在開采過程中需要在船舶上進行數據采集，保證船舶的穩定性對研究海洋資源具有深遠的意義。本文通過引入動態面控制算法,利用動態面控制技術為動力定位船舶設計控制系統，每一步使用一階積分濾波器來評估虛擬控制輸入的導數，仿真結果顯示與傳統的backstepping方法相比減低了計算的復雜度，增強了魯棒性。

關鍵詞：動態面控制；動力定位船舶；船舶運動控制

0引言

隨著經濟全球化的發展，人們對海洋資源的開采和利用逐年加深，在開采過程中需要在船舶上進行數據采集，保證船舶的穩定性對研究海洋資源具有深遠的意義，傳統的拋錨定位受到水深、風浪的影響不能滿足實際應用的要求，所以對船舶動力定位控制的研究對于開采海洋資源振興國家經濟具有越來越重要的現實意義。

船舶動力定位控制是通過研究船舶流體力學、

船舶結構設計、計算機人工智能等技術，將在深海作業的船舶通過自身的動力抵抗風、浪、流等的干擾，實現動態控制船舶懸停在某一確定位置或者沿著某一事先設定的軌跡進行航海作業，這種方式操作簡單，定位快速精準。本文通過引入動態面控制算法,利用動態面控制技術為動力定位船舶設計控制系統，每一步使用一階積分濾波器來評估虛擬控制輸入的導數，仿真結果顯示與傳統的backstepping方法相比減低了計算的復雜度，增強了魯棒性。

1船舶動力定位的原理

船舶動力定位系統是通過精準的推進命令自動控制船舶的位置和航行方向。將風浪的狀況通過傳感器傳遞給系統的中央處理器進行數據處理，實時的將估算的船舶位置和航向顯示在控制臺上。在自動動力定位模式下中央處理器計算的定位點和人為設置的定位點相比較，通過推進命令來縮小兩者之間的差異，到達設置點后，系統會將風、浪、流等環境因素的干擾進行補償，確保船舶能穩定的停靠。基本原理圖如圖1所示。

圖1　動力定位系統基本原理框圖Fig.1　The basic block diagram of the dynamic positioning system

2基于動態面控制方法的船舶動力定位控制

2.1　船舶動力定位情況下的數學模型

在六自由度空間中動力定位船舶僅對前進、橫漂和首搖3個自由度的水平面運動進行研究，不考慮垂蕩、橫搖和縱搖對運動的影響，同時也忽略這3個自由度與其他方向的相關度。在低速航行中，船舶動力定位情況下的數學模型為[1-2]：

(1)

(2)

其中：η=[x,y,ψ]為慣性坐標系下船舶的實際位置(x,y)和首朝向角ψ∈[0,2π]形成的向量；v=[u,v,r]T為船舶前進速度、橫移速度、首搖角速度形成的速度向量；d=[d1,d2,d3]T為外部干擾的環境變化；M為慣性矩陣；D為線性阻尼矩陣；τ=[τ1,τ2,τ3]T為列入考慮范圍的3個自由度組成的控制力矩向量；J(ψ)為旋轉矩陣，且J(ψ)是可逆矩陣。

(3)

2.2　環境干擾已知條件下船舶動力定位動態面狀態反饋控制

1)控制律設計及穩定性分析

船舶在海域上航行受到風、浪、流等外部環境干擾d實時變化，但人們有強大的處理干擾能力，所以外部環境的干擾有限，故：

(4)

本文采用動態面控制方法控制船舶動力定位。

① 規定動力定位船舶的位置誤差面向量S1∈R3：

S1=η-ηd，

(5)

式中：ηd為常向量，兩邊求導得：

(6)

式中：v為虛擬控制向量，選擇虛擬鎮定函數向量φ1∈R3，

φ1=-J-1K1S1，

(7)

式中：K1是3×3的正定對稱參數矩陣。

Swaroop等[3-4]提出的動態面控制理論有效解決了計算復雜度的問題，故對虛擬鎮定函數向量引入一階低通濾波器：

(8)

式中T為濾波器的時間常量。

② 規定動力定位船舶的速度誤差面向量S2∈R3：

S2=v-Xd，

(9)

式中S2=[s2,1,s2,2,s2,3]。

由式(2)和式(9)得：

(10)

因此設計狀態反饋控制為：

τ=Dv+MXd-K2S2-Sgn(S2)d*，

(11)

式中K2為3×3的正定對稱參數矩陣；

(12)

規定系統的邊界層誤差向量Y2∈R3：

Y2=Xd-φ1，

(13)

由式(7)和式(13)可得：

Y2=Xd+J-1K1S1。

(14)

對式(14)兩邊取關于時間的導數得：

(15)

由Lyapunov函數知：

(16)

兩邊求關于時間的導數得：

(17)

由式(6)和式(9)，以及‖J‖=1和式(14)知：

(18)

由式(10)和式(11)知：

(19)

其中：

(20)

考慮存在非負的連續函數β(·)使

(21)

故：

(22)

由式(18)、 式(21)和式(22)得：

(23)

(24)

(25)

λmin(K1)-α1-α2>0，

(26)

(27)

(28)

2)仿真結果

根據Fossen等[5]提供的動力定位船舶來驗證動態面控制算法的有效性。一艘長為77.2 m，本為4.59×106kg的船舶，假如期望船舶的定位是ηd=[0m,0m,0rad]T，在OXoYo坐標系下船舶的初始狀態為η(0)=[20m,20m,π/36rad]T，作用于船舶的擾動為d=JT(ψ)b，由文獻[5]得：

(29)

式中n為均值為0的高斯白噪聲。

Tc=diag([1000,1000,1000])，

ρ=diag([5×104,5×104,5×104])。

圖2　船舶在xy-平面內位置變化Fig.2　Trajectory of the ship in xy-plane

圖3　船舶實際位置和首朝向角ψ經歷曲線Fig.3　Curves of actual position (x,y) and headingψversus time

圖2和圖3分別為船舶在xy-平面內位置變化、船舶實際位置和首朝向角ψ經歷曲線，仿真結果表明船舶能克服外界擾動，達到并保持在期望的位置。

3結語

本文通過引入動態面控制算法,利用動態面控制技術為動力定位船舶設計控制系統，每一步使用一階積分濾波器來評估虛擬控制輸入的導數，仿真結果顯示與傳統的backstepping方法相比減低了計算的復雜度，增強了魯棒性。

參考文獻：

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[4]SWAROOPD,HEDRICKJK,YIPP,etal.Dynamicsur-facecontrolforaclassofnonlinearsystems[J].IEEETransactionsonAutomaticControl,2000,45(10):1893-1899.

[5]FOSSENTI,STRANDJP.Passivenonlinearobserverdesignforshipsusinglyapunovmethods:full-scaleexperimentswithasupplyvessel[J].Automatica,1999,35(1):3-16.

Ship dynamic positioning control based on dynamic surface control method

ZHANG Min1，ZHAO Bin2

(1.Henan Mechanical & Electrical Engineering College, Department of Electrical and Mechanical

Engineering,Xinxiang 453003,China； 2.Henan Mechanical & Electrical Engineering College,

Department of Electrical Engineering,Xinxiang 453003,China)

Abstract：With the development of economic globalization, people exploit and utilize of marine resources each year to deepen. In the process of mining people need to collect data on the ship, so ensure the stability of the ship has far-reaching implications for the study of marine resources. This paper introduces dynamic surface control algorithm. Utilize dynamic surface control technology design control system for dynamic positioning ship. Simulation results show that this method reduced the computational complexity, enhanced robustness compared with the traditional method of backstepping.

Key words：dynamic surface control; dynamic positioning ships; ship motion control

作者簡介：張敏( 1978 - ) ，女，碩士，講師，研究方向為動力工程及應用方面。

收稿日期：2014-01-17； 修回日期： 2014-08-19

文章編號：1672-7649(2015)02-0164-04

doi：10.3404/j.issn.1672-7649.2015.02.036

中圖分類號：U664.8

文獻標識碼：A