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船舶动力定位自抗扰控制方法研究

2016-1-14 来源：舟山中远船务工程有限公司作者：徐凰凯

摘要：由于海况的复杂性和不确定性，传统的定位方法和技术已经不能满足现代船舶的技术要求，迫切需要一种新的技术能够抵抗多种干扰，文章就是根据这种需求，通过自抗扰控制算法实现船舶的动力定位系统控制。本算法设计的控制器具有很高的应用价值。

关键词：动力定位；自抗扰；控制器

引言

目前海洋系统及资源已经受到越来越多的重视，相应的海洋工程技术也在飞速发展，海洋平台和船舶是发展海洋工程的重要组成部分。船舶动力定位系统是指船舶在不借助锚泊，而单独用自身安装的推进器[1]来实现船舶在海面上固定位置的定位系统。由于船舶系统的复杂程度越来越高，原有的船舶定位技术已经不能完全满足现代船舶对定位的要求。

船舶定位主要是根据动力定位系统的控制算法来进行定位的，由于海况的复杂性和不确定性，传统的定位方法和技术已经不能满足现代船舶的技术要求，迫切需要一种新的能够抵抗多种干扰，同时控制简单的船舶定位控制器，本文就是根据这种需求，针对船舶动力定位存在非线性、不确定性强、干扰因素多的特点，通过自抗扰控制算法，来实现船舶的动力定位系统控制，解决了复杂海洋环境中船舶动力定位的控制问题。通过仿真验证，本算法设计的控制器具有较高的自抗扰性和较高的鲁棒性，具有很高的应用价值。

1 自抗扰控制技术分析

一般的控制要求经典的PID控制基本都可以满[2]足，PID算法具有结构简单和参数调节容易的优点，近年来取得了大范围应用。但是对于复杂控制系统，PID无法满足要求。自抗扰技术就是为了解决这个问题的，自抗扰控制技术就是一种估计补偿不确定因素[3]的控制技术。自抗扰控制利用特殊的非线性的控制算法，利用自抗扰控制可以使得控制精度和控制效果得到显著的改善，特别是在恶劣海况条件下实现高精度高效率控制的场合。

自抗扰控制器主要有四个部分组成：跟踪微分器、扩张状态器、非线性状态误差反馈控制率和扰动估计补偿。

2 自抗扰控制器设计

自抗扰控制器设计主要利用自抗扰的精度高、超调小和较高鲁棒性的特点，可以把复杂海况和船舶自身的不确定性都归入到系统的扰动，对系统的全部扰动进行评估加以补偿，在无法获取到船舶精确数学模型的局限下同样可以得到非常好的控制效果，具有较强的抗干扰能力和较好的鲁棒性。船舶动力定位一般从船舶的纵向、横向和艏向三个方向进行分析，假设纵荡、横荡、艏摇三个方向的耦合为零，分别在这三个方向上采用自抗扰控制方法设计三个独立的控制器，这三个独立控制器分别是纵荡控制器、横荡控制器和艏摇控制器。三个控制器的输入分别是：船舶实际的纵荡位置和目标纵荡位置、船舶实际的横荡位置和目标横荡位置、船舶实际艏摇角度和目标艏摇角度。三个控制器的输出分别是：纵荡控制推力指令、横荡控制推力指令、艏摇控制力矩指令。被控对象的输出一般含有测量噪声，船舶的纵荡位置、横荡位置、艏摇角度的测量信息也会受到噪声干扰，所以在设计时考虑到滤波功能。

利用MATLAB软件对设计的自抗扰控制器进行仿真验证，在不加入系统干扰的情况下即理想海况下仿真验证可以取得较好的控制效果，在加入小干扰和较大的干扰情况下，再次仿真验证，设计的自抗扰控制器同样可以取得较好的控制效果，证明该控制器具有较好的适应性和较高的鲁棒性。

3 结语

本文主要针对目前船舶定位算法不能满足实际需求，利用自抗扰算法的特殊非线性控制优点，在纵向、横向、艏向三个方向分别设计自抗扰控制器，通过仿真验证，该控制器设计可以使控制精度和控制效果得到显著的改善，具有较好的船舶动力效果。

参考文献

[1] 余培文.船舶动力定位系统控制技术的发展与展望[J].中国水运,2009(2):18-19.

[2] 黄一.自抗扰控制器的发展[J].控制理论与应用,2002(4):30-31.

[3] 谢洪艳.基于ADRC的水面船舶动力定位控制技术及仿真研究[J].自动化技术与应用,2010(3):43-44.

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