[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

说明书

本发明公开了基于观测器的非线性船舶时滞动力定位船鲁棒镇定系统，涉及船舶控制技术领域。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。本发明的有益效果在于：能够同时考虑船舶系统时滞和海洋干扰问题，使设计的观测器系统更加符合船舶海洋实际运动环境，有效解决了现有方法存在的问题。

技术领域

本发明涉及船舶控制技术领域，尤其是针对非线性船舶动力定位系统在有时滞和外部干扰情况下，基于观测器的鲁棒镇定系统设计。

背景技术

船舶动力定位系统(DP系统)利用其螺旋桨装置抵抗外界环境的干扰，使其在目标位置保持稳定，或在低速下跟踪预定的航迹，多数被应用于危险性较高的海洋工程作业中。国际海事组织及各国船级社规范中均要求动力定位船舶按所入船级等级配备相应种类和数量的位置参考和传感器系统，因此如何有效利用各种传感器的测量信息实现对船舶运动状态的准确估计进而提高动力定位系统的安全性、可靠性和作业性能成为一个亟待解决的问题；

观测器可以有效减少控制系统中传感器的数量，通过提高系统的冗余量来提高系统的安全性，并且在船舶未安装测速装置的情况下，观测器可为动力定位系统提供准确的速度估计以保证其通用性，同时观测器可以更好的镇定船舶系统。

通常情况下，船舶配备GPS和罗经用来测量船舶位置和艏向角，但在实际船舶运动过程中速度信息不容易得到，并且在船舶系统中存在时滞现象，由于存在时滞，船舶系统的响应时间会增加，超调量也会增加，并且在航行过程中，船舶会受到外界环境的干扰，观测值与实际值之间存在较大的差距，不能为鲁棒镇定控制器提供较为精确的速度估计值，使得DP系统不稳定，介于以上实际问题，对基于观测器的船舶时滞动力定位系统鲁棒镇定控制器设计问题进行研究，然而，由于船舶DP系统是一个非线性时滞系统，现有技术中并不存在关于非线性时滞系统的观测器设计理论。

发明内容

本发明的目的在于提供基于观测器的非线性船舶时滞动力定位船鲁棒镇定系统，能够同时考虑船舶系统时滞和海洋干扰问题，使设计的观测器系统更加符合船舶海洋实际运动环境，有效解决了现有方法存在的问题。

本发明为实现上述目的，通过以下技术方案实现：

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。进一步设计基于观测器的船舶时滞动力定位系统鲁棒镇定控制器，有如下步骤：

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：