自抗扰控制在DP船控制中的应用研究

发布时间：2020-03-26 21:05

【摘要】：近年来,人类对资源的获取和开发利用不再局限于陆地,而把更多的目光投入了海洋,随之而来的就是开采资源技术的日益进步,船舶作为人类海上作业的平台要承担的任务更加艰巨。动力定位船也是随着开发海洋的不断深入而诞生的,从它诞生起,对它的控制问题就是人们关心的热点和难点。从DP船控制技术的发展至今,出现了很多优良的控制方法,常见控制方法包括经典PID控制、LQG控制、非线性控制、智能控制等,而经典PID控制由于结构简单易于实现等优点在过去一直是最为常用的控制手段,但因为快速性和超调难以协调等不足逐渐被这些新型控制所取代;幸运的是,中科院韩京清教授对经典PID的环节进行了改进得出了抗干扰能力、适应性和鲁棒性都很好的自抗扰控制(ADRC)技术,除了前面提到的优点这种技术还不依赖于对象的模型、无需测量系统扰动、算法简单、超调量小、控制精度高。首先本文从船舶运动学问题和动力学问题的角度研究了位置、速度和力及力矩的关系,推导船舶低频运动模型、高频运动模型;接着研究风、浪、流的环境力模型,为后面控制器的设计做准备。然后对ADRC的三个核心环节分别进行原理的讨论、算法的分析。在此基础上利用MATLAB Simulink的S-function进行三个组成部分模块的设计,并验证各自的功能是否得到实现,进而设计出DP船的自抗扰控制器。其次,为了解决海洋环境力对船舶的干扰所引起的控制效果不好的问题,设计了基于fal函数带有滤波环节的扩张状态观测器(ESO)使得ESO对扰动的估计信号中噪声得到大大地限制,进而改善控制性能。通过仿真试验得到船舶位置曲线,将引入滤波环节前后的船舶位置曲线进行对比验证了基于fal函数带有滤波环节的扩张状态观测器的功能。最后,由于ADRC的参数众多,各参数间的协调又没有固定的规则,整定参数一直都是该技术最棘手的问题。如果采用手动试凑的方式,既费时又费力甚至还不能得到理想的控制效果。于是本文针对这一问题设计了一种基于实时Simulink的遗传算法用于整定ADRC较难整定的参数。
【图文】：

框图,船舶动力定位,系统结构,框图

动力定位系统也具有以上特点，所以在设计船舶动力定位控制器时研究自抗扰控制技术很有学术意义。本文针对船舶动力定位系统的非线性性、模型具有不确定性和干扰作用较大的特性研究并设计适合动力定位船的自抗扰控制器并在此基础上引入遗传算法整定控制器参数以改善系统控制性能，并通过大量仿真试验验证效果。1.2 船舶动力定位系统的概述船舶动力定位系统，是指在不借助锚泊系统、利用自身推进装置，，有效地产生反力和反力矩，以抵抗风、流和浪作用于船上的环境外力和力矩，维持船舶在给定位置，或使船舶精确地跟踪某一给定轨迹[7]。船舶动力定位系统（Dynamic Positioning System，以下简称 DPS）主要由控制系统、测量系统以及推力系统三个部分组成，下图是 DPS的系统结构框图。图中的“控制器”对应控制系统；“传感器”对应测量系统；“推力器”对应推力系统；“给定值”表示输入信号，它与传感器从位置输出处采集到输出信号经滤波处理后的结果进行比较输入到控制器中经控制器计算使推力器接受到正确的指令；“环境因素”则包括海风、流和浪等环境力对系统的作用，是推力系统需要克服的。

示意图,惯性坐标系

行介绍；最后将对船舶运动模型进行仿真验证所推导的 DP 船模型的正确抗扰控制器的设计奠定基础。船舶运动坐标系习控制的人都知道在设计控制器之前必须要对被控对象有一个清楚的认识究的问题在进行设计动力定位控制器之前，必须首先建立一个合适合理的后才能借助这一模型进行仿真、调试等操作。而建立船舶模型就必须先建动的坐标系，就像大家熟悉的 GPS 定位时有坐标一样，描述船舶的位置状态则需要借助于船舶运动坐标系。舶的运动这一问题和力学中一般物体的运动相同，也分为运动学问题和动动学问题包括研究船舶的位置、速度、角速度和加速度等问题；动力学问究船舶的受力和力矩以及受到它们的作用后船舶位置和状态会如何发生变。正是由于这个原因，在建立船舶运动模型的时候也必须基于两种不同的坐坐标系和船体坐标系。惯性坐标系和船体坐标系的示意图分别为图 2.1 和
【学位授予单位】：哈尔滨工程大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TP273;U664.82

【参考文献】