基于轨迹跟踪的动力定位控制器设计

的运 动状 态计算 使其 到 达设定 运 动状 态所需 的控
制力并 转 化为控 制 指 令 ， 最 后 由 推 进 系 统 执 行 控
制指 令完 成船 舶 的定位及 跟 踪任务 Ｉ 】 ］ ．
Ｂ ａ ｌ ｃ ｈ ｅ ｎ等 将卡 尔曼 （ Ｋａ ｌ ｍａ ｎ ） 滤波技术引 入 Ｄ Ｐ 系 统 是 为 了解 决 在 应 用 单 输 入 单 输 出 的
言
的级 联系 统稳 定性 证 明 的基 础上 ， 推导 出 了满 足 全局 指数 稳 定 性 的反 馈 控 制 律 ， 该控制律 为 Ｐ Ｄ 控制 项加 上 干扰 补偿 项 ； Ｆ ｏ ｓ ｓ ｅ ｎ等¨ ８ 在此 基 础 上 对 Ｄ Ｐ系统 中无源 性理论 的应用 进 行 了进一 步 的 完善 和总 结 ， 通 过 船 舶低 频 运 动 速度 的积 分 对反
关键 词 ： 动力定位 ； 控制 器 ； Ｐ Ｉ Ｄ｝ 定位 ； 跟 踪 中图法分类号 ： Ｕ６ ７ ４ ． ３ ８ ｄ ｏ ｉ ： １ ０ ． ３ ９ ６ ３ ／ ｊ ． ｉ ｓ ｓ ｎ ． ２ ０ ９ ５ — ３ ８ ４ ４ ． ２ ０ １ ７ ． ０ ３ ． ０ ２ ２
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０ 引
Ｖｏ１ ． ４１ ＮＯ． ３
Ｊ ｕ ｎ ．２ Ｏ ｌ ７
基 于 轨 迹 跟 踪 的动力 定 位 控制 器 设 计 ＊
王述 桓” 徐 海 祥 。 ’ 冯 辉。 余 文 璺。
（ 武 汉 理 工 大 学 交 通 学 院” 武汉 ４ ３ ０ ０ ６ ３ ） （ 高 性 能 船 舶 技 术 教 育 部 重 点 实 验 室 武汉 ４ ３ ０ ０ ６ ３ ）
对该 方法进 行 了进一 步 的完 善； Ｋａ ｔ ｅ ｂ ｉ 等［ ４ 将
Ｈ。 。 鲁 棒控 制方 法应 用到 ＤＰ系统 控制 器 的设 计 ； Ｔ ａ ｎ ｎ ｕ ｒ ｉ 等［ ５ 提 出非 线 性 滑 模 控 制 技 术 在 Ｄ Ｐ 系
统 中的应 用． Ｆ ｏ ｓ ｓ ｅ ｎ等 Ⅲ ６ ］ 基 于 系 统 无 源 性 理 论 提
Ｐ Ｉ Ｄ控制 器结合 低 通或 陷波 滤波 时 的相位 滞 后 和
积分 饱 和问题 ， 同 时 应 用 现 代 控 制 理 论 中 最 优 控
制理论 对船 舶 三 自由度 运 动 分 别进 行 控 制 ， 忽 略 了船 舶 三 自由度 运 动 的耦 合效 应 ； Ｓ ｏ ｒ ｅ ｎ ｓ ｅ ｎ等 ＿ ３
信息 ， 状态 估计 滤 波 器 通过 这 些 信 息 估 计 出 船舶
的实 际运 动状态 ， 然 后 控 制 器 依 据 船 舶 当 前 时 刻
馈控 制律 中 的干 扰项 进 行 估计 ， 但 控制 器 中待 整
定参 数较 多． Ｎｇ ｕ ｙ ｅ ｎ等 设 计 监 督 系 统 对 海 况 情况 进行 预测 分 析 ， 通 过切 换 逻 辑 选择 合 适 的 状 态观 测器 和控 制器 ， 用 以对 不 同海 况下 的船 舶 运 动进 行控 制 ， 但 在 恶 劣 海况 下 应 用 加 速度 反 馈 控 制 时加速 度难 以测 量． Ｆ ａ ｎ ｎ ｅ ｍｅ ｌ ｌ １ 。 。 将工 业控 制 中 的模 型 预 测 控 制方 法 引 入 ＤＰ系统 ， 并 加 入 推 力 限制 约束 ， 通 过多 步 预 测及 滚 动 优 化得 到 每 一 时 刻 系统 的最优 输入 ， 但对 运算 速度有 较 高要 求 ． 针对 动力定 位 系统 中 已有 的控制 算法 中存在 的 问题 ， 本 文在 保证 控制算 法 收敛 的前 提下 ， 采用
动力 定 位 系 统 （ ｄ ｙ ｎ ａ ｍｉ ｃ ｐ ｏ ｓ ｉ ｔ ｉ ｏ ｎ ｉ ｎ ｇ ， Ｄ Ｐ） 中
自动 定位 （ ａ ｕ ｔ ｏ ｐ ｏ ｓ ｉ ｔ ｉ ｏ ｎ ｉ ｎ ｇ ） 模 式 的工 作 原 理 为 ： 传 感器 系统 测量 船舶 的运 动状 态信 息及 各种 环境
了结 构较 为 简单 的 Ｐ Ｉ Ｄ 控制 方 法 ， 以系 统惯 性矩
阵 为依据 来设计 控 制 器 参 数 ， 减 少 了待 整 定 参 数
的数 量 ； 通 过使 控 制 器 的设 定 点 沿着 参 考 轨 迹缓
慢接 近期 望定 位 点来 避 免 推 力输 出饱 和情 况 ． 最
出一种 无 源非线 性 观测器 对船 舶运 动状 态进 行实 时估计 ， 包 括对 未建模 缓变 环 境力扰 动项 的估 计 ． Ｌ ｏ ｒ ｉ ａ 等 在对无 源非 线 性 观 测 器 与控 制 器 构 成
摘要 ： 为实现动力定位系统定位及跟踪 功能 ， 设 计 了基 于 Ｐ Ｉ Ｄ控 制 的反 馈 控 制 器 ． 该 控 制 器 一 方 面
简化 了控 制器 的结 构 使得 参 数 整 定 较 为 方 便 ， 另 一方 面通 过 使 控 制 器 的 设 定 点 沿 着 参 考 轨 迹 缓 慢 接近 期 望 定 位 点避 免 了推 力输 出饱 和 情 况 ． 通过仿 真实验 ， 对 比 了提 出 的 控 制 器 与 基 于干 扰 补 偿 的 反馈 控 制 器 的控 制 性 能 ． 仿 真 结果 表 明 ， 该 控 制 器 具有 参 数 易 整 定 、 鲁棒 性 强 和 控 制性 能 好 的 优势 ．
第４ １ 卷 第 ３期 ２ ， ０ １ ７ 年 ６月
武汉 理 工大学 学报 （ 交 通科 学与 工程 版）
Ｊ ｏ ｕ ｒ ｎ ａ ｌ ｏ ｆ Ｗｕ ｈ ａ ｎ Ｕｎ ｉ ｖ ｅ ｒ ｓ ｉ ｔ ｙ ｏ ｆ Ｔｅ ｃ ｈ ｎ ｏ ｌ ｏ ｇ ｙ
（ Ｔｒ ａ ｎ ｓ ｐ ｏ ｒ ｔ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ Ｓ ｃ ｉ ｅ ｎ ｃ ｅ＆ Ｅｎ ｇ ｉ ｎ ｅ ｅ ｒ ｉ ｎ ｇ ）
收 稿 日期 ： ２ ０ １ ７ － ０ ３ — ２ ２
后， 设 计基 于船 模 参 数 的仿 真 试 验 对设 计 的 控 制