引用本文

张国庆, 黄晨峰, 吴晓雪, 张显库. 考虑伺服系统增益不确定的船舶动力定位自适应有限时间控制. 自动化学报, 2018, 44(10): 1907-1912. doi: 10.16383/j.aas.2017.c170111

ZHANG Guo-Qing, HUANG Chen-Feng, WU Xiao-Xue, ZHANG Xian-Ku. Adaptive Finite Time Dynamic Positioning Control of Fully-actuated Ship With Servo System Uncertainties. ACTA AUTOMATICA SINICA, 2018, 44(10): 1907-1912. doi: 10.16383/j.aas.2017.c170111

http://www.aas.net.cn/cn/article/doi/10.16383/j.aas.2017.c170111

关键词

全驱动船舶，有限时间，自适应控制，终端滑模，伺服系统增益不确定 

摘要

针对全驱动水面船舶动力定位控制问题，假设船舶模型参数摄动和外部扰动的上界已知，通过构造误差信号的非奇异终端滑模面（Non-singular terminal sliding mode，NTSM）提出了一种自适应终端滑模的控制方法.同时考虑伺服系统增益不确定问题，对未知的推力系数矩阵的倒数进行参数自适应，确保设计的控制器能使得船舶的位置及艏向角在有限时间内收敛于期望值，且能保证闭环系统实际有限时间稳定（Practical finite-time stable，PFS）.利用一艘供给船进行数值仿真研究，说明了设计的船舶动力定位自适应终端滑模控制律的有效性.

文章导读

由于海洋资源开发和海洋工程作业的需要, 人们对于深海作业的浮式生产系统(半潜平台、生产油船、供给船等)的定位方式日益重视.船舶动力定位技术是指在不借助锚泊系统的情况下, 船舶利用自身的推进装置抵御风、浪、流等外界扰动的影响, 以一定的姿态保持在海面某一目标位置或精确地跟踪某一轨迹, 以完成各种作业的功能[1-3].它具有不受海水深度影响、定位准确快速等优点.由于水面船舶不可避免地将遭受如风、浪和流等外部环境带来的强扰动, 以及复杂的水动力的不确定性, 给控制器的设计带来巨大的困难[4-6].同时, 船舶的纵荡, 横荡和艏摇三个自由度之间存在着强耦合, 且其中任一自由度的不稳定都将对整个系统造成巨大影响, 所以要求三个自由度同时稳定[7]. Do [8]基于李雅普诺夫直接法提出了一种输出反馈的控制方法, 通过构造自适应观测器来估计船舶的速度和未知参数, 设计的控制器能够迫使船舶位置和艏向角渐近稳定于期望值. Du等[9]采用高增益观测器对船舶的位置和艏向角进行估计, 并引入径向基函数(Radial basis function, RBF)神经网络补偿船舶模型的不确定性, 设计的控制器不需要模型和外界扰动的先验知识.王元慧等[10]基于非线性模型预测控制技术设计了船舶动力定位控制器, 并通过仿真验证了非线性模型预测控制器的有效性. Hassani等[11]提出了一种基于多模型的滤波理论的反馈控制方法, 通过对时变海洋环境中的高频部分进行滤波, 使船舶在恶劣海况下的动力定位性能得到显著提高. Grovlen等[12]通过引进矢量逆推的概念, 在控制器设计过程中忽略了时变环境扰动的影响, 从而简化了船舶动力定位控制律逆推方法, 并且得到全局指数稳定的结果.以上研究大多得到的是渐近稳定或指数稳定的控制结果, 鲜有基于有限时间理论[13]的船舶动力定位控制方法的相关文献.为此, 在考虑伺服系统增益不确定的前提下, 针对模型参数不确定、外部扰动未知的船舶动力定位控制问题, 本文提出了一类自适应非奇异终端滑模的控制方法, 并通过Lyapunov稳定性理论证明了闭环系统是实际有限时间稳定的, 最后采用一艘供给船进行数值仿真实验, 证明了所设计控制器的有效性.本文的创新点主要有: 1)设计了一种终端滑模的控制方法, 实现了船舶动力定位系统运动学回路和动力学回路的双环有限时间稳定, 且收敛精度高, 鲁棒性强; 2)针对伺服系统的增益不确定问题引入自适应参数学习律, 避免了再在执行部分构建控制命令--执行变量之间的闭环, 得到了控制输入为实际可测螺距变量的结果, 更易于工程实现.

图 1  供给船推进器布局图

图 4  船舶动力定位控制律历时变化曲线

图 6  执行器螺距控制输入历时变化曲线

本文针对水面船舶的动力定位问题, 考虑船舶在海洋工程实践中存在的伺服系统增益不确定现象, 通过对模型参数不确定和海洋环境扰动上界的估计, 设计了一种自适应终端滑模控制器.利用终端滑模具有有限时间收敛、鲁棒性强且收敛精度高的优点实现船舶运动学回路和动力学回路的有限时间收敛.同时对执行器的增益系数进行参数自适应, 进一步得到了控制输入为调距桨可变螺距输入的结果.借助Lyapunov稳定性理论证明了设计的自适应终端滑模控制器是实际有限时间稳定(PFS)的; 最后, 以一艘配备两个主推进器和首尾侧推的供给船进行了仿真研究, 仿真结果验证了自适应终端滑模控制器的有效性.

作者简介

张国庆

博士, 大连海事大学副教授, 上海交通大学博士后.主要研究方向为自适应控制, 非线性控制, 船舶运动控制.E-mail:zgq dlmu@163.com

黄晨峰  

大连海事大学博士研究生.主要研究方向为鲁棒控制, 非线性控制及船舶运动控制.E-mail:chenfengh@outlook.com

吴晓雪  

大连海洋大学信息工程学院讲师.主要研究方向为水面船舶运动建模, 非线性控制.E-mail:wxxue@dlou.edu.cn

张显库  

大连海事大学航海学院教授.主要研究方向为船舶运动控制, 鲁棒控制.本文通信作者.E-mail:zhangxk@dlmu.edu.cn