一种基于模型预测控制的松弛动力定位控制系统技术方案

本发明专利技术公开了一种基于模型预测控制的松弛动力定位控制系统，包括：传感器模块、扩展卡尔曼滤波器、海图计算单元、环境干扰补偿器、控制器、船舶动力装置。传感器模块包括位置参考系统和罗经，将北东坐标信息x、y和航向信息ψ传给扩展卡尔曼滤波器；扩展卡尔曼滤波器估计出系统的状态估计信息，海图计算单元将产生状态期望信息，环境干扰补偿器得到环境干扰力传送给控制器，控制器包括优化器和非线性模型预测控制器，优化器产生最优初始控制值传送给非线性模型预测器，非线性模型预测器产生控制指令传送给船舶动力装置。本发明专利技术产生的控制信号是缓慢变化的，从能量角度来看是最优的，有效的减少能耗和推进装置的磨损。

【技术实现步骤摘要】
一种基于模型预测控制的松弛动力定位控制系统
本专利技术属于船舶运动控制领域，尤其涉及船舶动力定位的一种基于模型预测控制的松弛动力定位控制系统。
技术介绍
随着技术的发展，人们的活动范围也逐渐从沿岸和近海扩展到深远海海域。各项海洋工程都需要装有动力定位的船舶保障和支持。动力定位系统是一种由传感器系统(位置参考系统、风传感器等)、推进装置、动力装置和控制器等组成的闭环反馈控制系统，如附图1所示。动力定位系统采用推力器来提供抵抗风、浪、流等作用在船上的环境力，从而使船尽可能地保持在海平面上要求的位置上。其定位成本不会随着水深增加而增加，并且操作也比较方便，因此动力定位技术成为深海开发的关键技术之一，广泛应用于海洋钻井船、平台支持船、潜水器支持船、管道和电缆敷设船、科学考察船、深海救生船等船舶上。根据动力定位作业所需定位精度不同，船舶动力定位系统一般包括高精度定位模式和松弛定位模式。随着海上油气资源的开发不断向深海拓展，传统的锚泊定位方式正逐渐被动力定位所取代，依靠海洋结构物的自身动力进行定位已经成为深海油气生产设施的主要选择。船舶在进行不同的动力定位作业时，对动力定位系统的定位精度要求也不一样。在某些海上作业中，对动力定位系统的定位精度要求比较松弛，允许船舶定位在某一范围内，而不是精确的某点上。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供具有高控制性能的一种基于模型预测控制的松弛动力定位控制系统。本专利技术是通过以下技术方案实现的：一种基于模型预测控制的松弛动力定位控制系统，包括传感器模块、扩展卡尔曼滤波器、海图计算单元、环境干扰补偿器、控制器、船舶动力装置；传感器模块包括位置参考系统和罗经，位置参考系统采集船舶实际位置经纬度转化为北东坐标系信息x、y后传送给扩展卡尔曼滤波器，罗经采集航向信息ψ传送给扩展卡尔曼滤波器；扩展卡尔曼滤波器根据接收的北东坐标信息x、y和航向信息ψ估计出的状态估计信息，状态估计信息包括：北向坐标估计值东向坐标估计值航向角估计值纵向速度估计值横向速度估计值转首角速度估计值动力定位流流速估计值和动力定位流流向估计值将状态估计信息分别传送给海图计算单元、环境干扰补偿器和控制器；海图计算单元根据接收的北向坐标估计值东向坐标估计值航向角估计值和控制台人机界面输入的指令，产生动态的北向坐标期望值xd、东向坐标期望值yd、航向角期望值ψd，传送给控制器；环境干扰补偿器根据接收的状态估计信息，使用历史控制信息，得到环境干扰力以缓慢变化的形式传送给控制器；控制器包括优化器和非线性模型预测控制器，优化器产生最优初始控制值传送给非线性模型预测器，非线性模型预测器产生控制指令传送给船舶动力装置。本专利技术一种基于模型预测控制的松弛动力定位控制系统还可以包括：1、优化器采用线性二次最优控制，船舶的数学模型为：其中：ν＝[uvr]Τ为船舶附体坐标系下的纵向、横向速度和回转速率，η＝[xyψ]Τ为北东大地坐标系下的北东坐标位置和航向角度，M为惯性矩阵，包括船体惯量MRB和附加质量矩阵MA，和推进器的推力τ＝[τXτYτN]Τ；得到船舶数学模型的向量形式：其中x0为当前时刻得到的状态估计值x＝[uvr]Τ，u＝[XYN]Τ，优化器采用的最优控制为：u*(t,x)＝-R-1(t)BΤ(t)K(t)x其中K(t)是黎卡提矩阵微分方程：K(tf)＝F的唯一非负解值，状态矩阵性能指标为：其中对于任意t∈[t0,tf]，都有F≥0，Q≥0，R＞0。2、非线性模型预测控制器为：Lk＝(xk-xd)TQ(xk-xd)+ukTRuk+ΔukTSΔukVN＝(xN-xd)TQN(xN-xd)+uNTRNuN+ΔuNTSNΔuN)其中：Q＝diag{Qu,Qv,Qr,Qx,Qy,Qψ}R＝diag{RX,RY,RN}S＝diag{SΔX,SΔY,SΔN}xk＝[uk,vk,rk,xk,yk,ψk]Txd＝[0,0,0,xd,yd,0,0,0,0]Tuk＝[X,Y,N]Τ。3、环境干扰补偿器为：其中：为系统输出估计误差，为船舶高频运动估计向量，为低频运动估计向量，为环境干扰力，K1、K2、K3和K4为增益矩阵，T为包含时间常数的三维对角矩阵，为阻尼矩阵。4、扩展卡尔曼滤波器的扩展状态为x＝[xyψuvrUcψc]Τ，扩展后的系统状态方程为：测量向量y＝[xyψ]Τ，测量方程为：yk＝hxk，h＝[I3×303×5]，I为单位阵，0为零阵，扩展卡尔曼滤波器的滤波过程为：步骤一：本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于模型预测控制的松弛动力定位控制系统，其特征在于：包括传感器模块、扩展卡尔曼滤波器、海图计算单元、环境干扰补偿器、控制器、船舶动力装置；传感器模块包括位置参考系统和罗经，位置参考系统采集船舶实际位置经纬度转化为北东坐标系信息x、y后传送给扩展卡尔曼滤波器，罗经采集航向信息ψ传送给扩展卡尔曼滤波器；扩展卡尔曼滤波器根据接收的北东坐标信息x、y和航向信息ψ估计出的状态估计信息，状态估计信息包括：北向坐标估计值东向坐标估计值航向角估计值纵向速度估计值横向速度估计值转首角速度估计值动力定位流流速估计值和动力定位流流向估计值将状态估计信息分别传送给海图计算单元、环境干扰补偿器和控制器；海图计算单元根据接收的北向坐标估计值东向坐标估计值航向角估计值和控制台人机界面输入的指令，产生动态的北向坐标期望值xd、东向坐标期望值yd、航向角期望值ψd，传送给控制器；环境干扰补偿器根据接收的状态估计信息，使用历史控制信息，得到环境干扰力以缓慢变化的形式传送给控制器；控制器包括优化器和非线性模型预测控制器，优化器产生最优初始控制值传送给非线性模型预测器，非线性模型预测器产生控制指令传送给船舶动力装置。

【技术特征摘要】
1.一种基于模型预测控制的松弛动力定位控制系统，其特征在于：包括传感器模块、扩展卡尔曼滤波器、海图计算单元、环境干扰补偿器、控制器、船舶动力装置；传感器模块包括位置参考系统和罗经，位置参考系统采集船舶实际位置经纬度转化为北东坐标系信息x、y后传送给扩展卡尔曼滤波器，罗经采集航向信息ψ传送给扩展卡尔曼滤波器；扩展卡尔曼滤波器根据接收的北东坐标信息x、y和航向信息ψ估计出的状态估计信息，状态估计信息包括：北向坐标估计值东向坐标估计值航向角估计值纵向速度估计值横向速度估计值转首角速度估计值动力定位流流速估计值和动力定位流流向估计值将状态估计信息分别传送给海图计算单元、环境干扰补偿器和控制器；海图计算单元根据接收的北向坐标估计值东向坐标估计值航向角估计值和控制台人机界面输入的指令，产生动态的北向坐标期望值xd、东向坐标期望值yd、航向角期望值ψd，传送给控制器；环境干扰补偿器根据接收的状态估计信息，使用历史控制信息，得到环境干扰力以缓慢变化的形式传送给控制器；控制器包括优化器和非线性模型预测控制器，优化器产生最优初始控制值传送给非线性模型预测器，非线性模型预测器产生控制指令传送给船舶动力装置。2.根据权利要求1所述的一种基于模型预测控制的松弛动力定位控制系统，其特征在于：所述的优化器采用线性二次最优控制，船舶的数学模型为：其中：ν＝[uvr]Τ为船舶附体坐标系下的纵向、横向速度和回转速率，η＝[xyψ]Τ为北东大地坐标系下的北东坐标位置和航向角度，M为惯性矩阵，包括船体惯量MRB和附加质量矩阵MA，和推进器的推力τ＝[τXτYτN]Τ；得到船舶数学模型的向量形式：其中x0为当前时刻得到的状态估计值x＝[uvr]Τ，u＝[XYN]Τ，优化器采用的最优控制为：u*(t，x)=-R-1(t)BT(t)K(t)x其中K(t)是黎卡提矩阵微分方程：K(tf)＝F的唯一非负解值，状态矩阵性能指标为：其中对于任意t∈[t0,t...

【专利技术属性】
技术研发人员：夏国清，刘菊，陈兴华，刘建旭，李娟，刘向波，
申请(专利权)人：哈尔滨工程大学，
类型：发明
国别省市：黑龙江;23