[发明专利]基于观测器的非线性船舶时滞动力定位船鲁棒镇定系统

权利要求书

1.基于观测器的非线性船舶时滞动力定位船鲁棒镇定系统，包括海洋干扰力、动力定位船、GPS、罗经、信号处理模块、船舶速度观测器、鲁棒镇定控制器、执行信号检测模块、推力分配模块、推进器、响应信号检测模块、时间间隔测量模块、时滞补偿器，其特征在于：包括如下步骤，

S1、设计基于观测器的船舶动力定位系统过程框，以获得船舶状态量的信息。

S2、建立三自由度动力定位船的非线性时滞运动学和动力学方程；

动力定位船舶的三自由度低频运动模型为：

其中，式(1)中η是船舶在北东坐标系下的位置向量，分别表示为纵荡位移、横荡位移、艏摇角度，v＝[μ,υ,r]是随船坐标系下的速度向量，分别表示纵荡速度，横荡速度和艏摇角速度，τ∈R^3×3表示为控制量。M∈R^3×3是船体惯性矩阵，D∈R^3×3是线性水阻尼矩阵，并且w为外界干扰，海洋环境变化缓慢，视为定常干扰，是坐标转换矩阵，满足:

为满足所设计观测器系统稳定要求，引入虚拟控制变量，将模型(1)转换为：

根据时间间隔测量模块传来的时间信息，此时时滞时间常数h已知，从而建立时滞动力定位船舶的三自由度低频运动模型为：

S3,基于能量函数H(x(t))，将系统(4)等价为船舶PCH(Port-ControlledHamiltonian)模型，有如下形式：

S4、根据所建立的船舶PCH模型，设计如下观测器：

其中,u代表系统的鲁棒镇定控制器，当受环境干扰时引入β(t)。

依据Hamilton观测器设计理论，将系统(5)和(6)扩维可得：

分析系统(7)在无干扰时的稳定性，此时w＝0,β(t)＝0,可将系统转化为：

基于李雅普诺夫方法，分别从时滞无关和时滞相关两个方面验证系统(8)的稳定特性，为验证系统的无干扰时的稳定性，分别选取时滞无关的李雅普诺夫函数：

和时滞相关的李雅普诺夫函数：

其中P,Q,Z∈R^12×12，为符合系统稳定的待定正定矩阵，P＝P^T,Q＝Q^T,Z＝Z^T。

S5、研究船舶时滞动力定位系统在受海洋环境干扰时的稳定性，为满足系统(7)基于观测器的鲁棒控制要求，引入罚函数ρ0是权重矩阵，并设计基于观测器的鲁棒镇定控制器：

其中，

S6、根据步骤S5，将所设计的基于观测器的鲁棒镇定控制器(11)代入到系统(5)、(6)中，利用扩维技术可得：

通过选取时滞无关的李雅普诺夫函数(9)和时滞相关的李雅普诺夫函数(10)，可得系统(12)在所设计的鲁棒镇定控制器(11)下满足系统鲁棒性要求,同时当w＝0时，系统(12)满足系统稳定性要求。

S7、仿真测试，验证设计方案的有效性。