郭亮琨 楊宣訪 王家林

摘 要：針對(duì)動(dòng)力定位系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型不夠精確，而且具有很強(qiáng)的非線性特性問(wèn)題，采用自抗擾控制算法設(shè)計(jì)其控制器。該控制算法無(wú)需精確的數(shù)學(xué)模型，主要利用擴(kuò)張狀態(tài)觀測(cè)器估計(jì)船舶運(yùn)動(dòng)位置、速度和總擾動(dòng)，最后通過(guò)反饋控制對(duì)其進(jìn)行補(bǔ)償，從而實(shí)現(xiàn)船舶動(dòng)力定位的精確控制。但實(shí)際工程中，船舶的測(cè)量系統(tǒng)的測(cè)量噪聲是難以避免的，為了避免測(cè)量噪聲的影響，針對(duì)所設(shè)計(jì)的擴(kuò)張狀態(tài)觀測(cè)器采用FAL函數(shù)濾波器，在測(cè)量信號(hào)進(jìn)入擴(kuò)張狀態(tài)觀測(cè)器之前進(jìn)行濾波，以減小測(cè)量噪聲的影響。從而使得其反饋控制更加精確。最后以一艘供給船為例進(jìn)行仿真分析，驗(yàn)證了所設(shè)計(jì)非線性控制器的有效性和魯棒性。

關(guān)鍵詞：船舶動(dòng)力定位;自抗擾控制器;FAL函數(shù)濾波

中圖分類號(hào)：TP273 ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

動(dòng)力定位（Dynamic Positioning，DP）是指船舶不借助錨泊，而是通過(guò)自身安裝的推進(jìn)器來(lái)抵抗風(fēng)、浪、流等環(huán)境干擾的影響，實(shí)現(xiàn)其在海面上固定位置或預(yù)期航跡的保持[1]。動(dòng)力定位系統(tǒng)主要由測(cè)量系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、推進(jìn)器系統(tǒng)三部分組成，其中控制系統(tǒng)是整個(gè)系統(tǒng)的核心部分。第一代動(dòng)力定位系統(tǒng)采用“低通/陷波濾波算法+PID控制[2]”，因?yàn)榭焖傩院统{(diào)難以協(xié)調(diào)等不足逐漸被取代。第二代采用“Kalman濾波器+最優(yōu)控制”，但此控制算法依賴于數(shù)學(xué)模型的精度，且缺乏魯棒性[3]。近年來(lái)出現(xiàn)的第三代動(dòng)力定位系統(tǒng)采用了“非線性狀態(tài)估計(jì)+智能控制”，主要體現(xiàn)在魯棒控制、模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制等控制方法。因?yàn)橹悄芸刂扑惴ú粔虺墒?，適應(yīng)參數(shù)變化能力有限，還只是動(dòng)力定位控制系統(tǒng)研制的一種趨勢(shì)。所以動(dòng)力定位的控制方法一直是當(dāng)前的研究熱點(diǎn)。

1998年韓京清教授吸收現(xiàn)代控制理論成果，在PID控制基礎(chǔ)上提出了一種新的控制策略-自抗擾控制器[4]（Active Disturbance Rejection Controller， ADRC），它由跟蹤微分器、擴(kuò)張狀態(tài)觀測(cè)器和非線性狀態(tài)誤差反饋控制三部分組成。ADRC的抗干擾能力較強(qiáng)，并且無(wú)需精確的數(shù)學(xué)模型，相較于PID控制、最優(yōu)控制更適合于具有高度耦合的復(fù)雜非線性動(dòng)力定位系統(tǒng)，相較于智能控制更利于工程實(shí)現(xiàn)，其優(yōu)勢(shì)相當(dāng)明顯。ADRC目前在很多領(lǐng)域中，已得到關(guān)注與認(rèn)可。文獻(xiàn)[5]針對(duì)深空探測(cè)器的自主姿態(tài)穩(wěn)定問(wèn)題提出自抗擾控制律，通過(guò)擴(kuò)張狀態(tài)觀測(cè)器實(shí)時(shí)估計(jì)總擾動(dòng)并結(jié)合角速度偏差，反饋實(shí)現(xiàn)控制目的，仿真結(jié)果驗(yàn)證了該控制律的有效性和魯棒性。文獻(xiàn)[6]將自抗擾控制應(yīng)用于的矩陣變換器的閉環(huán)系統(tǒng)中解決輸出電壓易受影響問(wèn)題，提出雙環(huán)自抗擾控制策略，與基于PI控制相比，具有更優(yōu)的動(dòng)靜態(tài)性能。

在動(dòng)力定位領(lǐng)域中，文獻(xiàn)[7]提出基于自抗擾控制的船舶動(dòng)力定位控制策略，采用三階擴(kuò)張狀態(tài)觀測(cè)器估計(jì)船舶位置、速度和總擾動(dòng)，利用非線性反饋對(duì)誤差和擾動(dòng)進(jìn)行補(bǔ)償，仿真結(jié)果證明，該控制器不但可以有效地抑制海洋環(huán)境對(duì)動(dòng)力定位船舶的擾動(dòng)，并且對(duì)模型參數(shù)變化具有較強(qiáng)的魯棒性和適應(yīng)性。但實(shí)際工程中，動(dòng)力定位中的傳感器測(cè)量系統(tǒng)只能提供帶有測(cè)量噪聲船舶位置和姿態(tài)信息，若嘗試直接對(duì)其控制反而會(huì)影響擴(kuò)張狀態(tài)觀測(cè)器的估計(jì)，從而對(duì)自抗擾控制產(chǎn)生影響，是需要濾去的。鑒于此，采用一種基于Fal函數(shù)濾波的自抗擾控制器，考慮引入一個(gè)濾波器預(yù)先進(jìn)行濾波處理，進(jìn)一步使得其反饋控制更加精確，達(dá)到精度更高的控制效果。最后通過(guò)仿真驗(yàn)證其控制器的有效性和魯棒性。

1 船舶動(dòng)力定位系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型

1.1 低頻運(yùn)動(dòng)模型

船舶DP系統(tǒng)一般只考慮縱蕩、橫蕩和艏搖三自由度運(yùn)動(dòng)，為方便描述船舶在水平面的運(yùn)動(dòng)，建立兩個(gè)坐標(biāo)系統(tǒng)：地球坐標(biāo)系XOY和隨船坐標(biāo)系XOY，如圖1所示。

5 結(jié) 論

針對(duì)DP系統(tǒng)的非線性控制器設(shè)計(jì)問(wèn)題，采用一種基于Fal函數(shù)濾波的自抗擾控制器。通過(guò)加入Fal函數(shù)濾波器，減少了測(cè)量噪聲對(duì)船舶控制的影響，主要解決了實(shí)際DP系統(tǒng)中含有測(cè)量噪聲的問(wèn)題，進(jìn)一步提高控制器的動(dòng)態(tài)性能。最后通過(guò)仿真實(shí)驗(yàn)對(duì)比，結(jié)果表明該控制器可以有效地避免了測(cè)量噪聲的干擾，從而提高控制精度。

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