[发明专利]一种基于符号函数的动力定位固定时间控制方法

说明书

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，涉及动力定位控制技术领域，包括如下步骤：采集动力定位船的位姿信息；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；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；设置基于向量方向的符号函数；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；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；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。本发明的控制方法具有控制精度高，优化路径，减少能量消耗等特性，适合应用于海上作业船动力定位固定时间控制任务中。

技术领域

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

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。

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。

发明内容

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。

为达到以上目的，本发明采取的技术方案是：

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：

采集动力定位船的位姿信息；

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；

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；

设置基于向量方向的符号函数；

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；

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；

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。

优选地，所述运动学模型为：

所述动力学模型为：

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；

所述二阶仿射数学模型为：