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船舶动力定位系统控制器的设计

发布时间：2017-02-07 10:30

本文关键词：船舶动力定位系统控制器的设计与仿真，，由笔耕文化传播整理发布。

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船舶动力定位系统控制器的设计

2.2 控制器设计模型

考虑到船舶推力器的动态特性,船舶的设计模型可以写为:

x=Ax+B c

R#A+AR#-R#BP

T-1

BR#+Q=0

(9)

2.5 考虑积分作用的改进的LQG反馈控制

考虑到DP系统中存在的非线性以及系统的扰动抑止性能,为了能够在纵荡、横荡位置和艏摇角度上获得稳定的零状态偏差,在控制律中引入3个积分作用,定义一个新的三维状态向量

z=e2 因此我们就能定义一个增广矩阵向量

x=[x,z]

(3)

船舶动力定位系统控制器的设计

式中,9维状态估计变量x=

,其中表

示估计的控制力向量,而 c表示需要加入的控制向量;矩阵A,B分别为

AL0

船舶动力定位系统控制器的设计

A B=

06!3-A(4)

(10)

TTT

得到如下的增广状态方程:

(11)

2.3 参考模型

DP研究除了定点控制外,还有一个重要的方面是跟踪控制。跟踪控制就是如何通过控制器产生一定的推力,使得船舶可以如何从某个设定点到新的设定点进行跟踪,这个运动可以是某个自由度单独的运动,也可以是三自由度的联合运动。为了描述跟踪控制,我们引入了如下的轨迹参考模型:

ad+ vd+#xd=#xref

x=A x+B LQ

矩阵A 和B 可由式(4)、(10)综合而来。据此我们

可以得到新的LQG算法指标J=ETlim #T

(eTQe+zQIz+ LQP LQ)dt

(12)

应用与式(8)、(9)相同的算法,可以求得相应的最优控制输入 LQ。

2.6 风力前馈控制器设计

风力对在海平面上行驶的船舶能产生很大的影响,为了快速的抵消由于风力带来的船舶扰动,一般在控制器设计中引入风力前馈控制。有关风力的运动模型可以参看文献[11],其前馈的控制规律如下:

FF=-Gw wind

(5)

其中三维向量ad,vd,xd表示在固定坐标系下

期望的船舶加速度、速度和位置轨迹曲线。向量xeref表示新的参考坐标,设计参数矩阵 , 都正定。通过转换矩阵,也可以很方便的得到在关于随船坐标系的ad,vd,xd向量的轨迹参考模型。

期望的加速度和速度向量

aed,

ved

如果为0的

话,其实就是定点控制,也即希望船舶不做任何移动。所以引入参考模型就在定点控制和跟踪控制两种控制模式中提供了平滑的过渡。2.4 LQG控制规律

控制器的控制规律采用LQG算法,此算法是通过取状态估计向量与期望状态向量的误差来产生一个比例反馈控制向量。反馈控制律使下式性能指标的最小化求得:

J=ETlin #T

(13)

其中, wind为船舶在纵荡、横荡和艏摇方向所受到的力和力矩。假设风在3个方向上是互不耦合

的,则Gw是对称阵:

Gw=diag(gw1,gw2,gw3)

其中0 gwi 1(i=1,2,3)2.7 参考模型前馈控制器

为了提高在跟踪控制的时候控制器的响应,可以根据参考模型的输入设计一个前馈控制器。前馈控制规律是:

d=Mad+Dvd

其中M、D的意义参阅文献[11]。2.8 综合控制规律

综合前面的控制作用,可以知道总的控制规律

(15)(14)

(eTQe+ LQP LQ)dt

(6)

式中e为状态估计值与期望值之间的误差变

TTT

量,e=[eT定义如下:1,e2,e3]

e1=[u,v,r]

e2=[x,y, ]T

(7)

e3= - FF- d应该是:

c= LQ+ FF+ d

(16)

其中注意 LQ是考虑了积分作用后的最优控制

向量。

其中e3中的 FF, d分别表示风力,以及模型参考的前馈力(后面有介绍)。对于线性时不变系统,可以求得最优控制律为:

-1T

BR#eLQ=-P其中R#为下式Ricatti方程的解

(8)

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