一种基于烟花算法的船舶动力定位预测控制器设计方法技术

本发明专利技术公开了一种基于烟花算法的船舶动力定位预测控制器设计方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤一，建立动力定位船舶模型；步骤二，辨识模型参数，得到A(q

【技术实现步骤摘要】
一种基于烟花算法的船舶动力定位预测控制器设计方法


[0001]本专利技术涉及一种船舶动力定位预测控制器设计方法，尤其涉及一种满足系统约束加 快滚动优化的船舶动力定位预测控制器设计方法。

技术介绍

[0002]传统锚泊定位不需要复杂的推进器系统，不需要额外的电动机和控制器，不会因为 系统故障船舶位置跑偏。然而一旦锚泊，操纵性受很大限制，再次移动时，需要处理锚， 抛锚、取锚时间长。且随着水深的增加，锚泊系统布置安装变得困难，造价和安装费用 激增，多点抛锚的方法显得不再适用；动力定位系统与传统锚泊系统相比，其不采用锚 泊技术，而是使用一些先进的精密仪器测量由外界干扰导致的船舶位置和艏向的变化量， 然后通过计算机控制系统对信息进行处理并计算出推进器所需要产生的推力和力矩，最 后通过推进器作用使船舶保持预定位置和艏向或者沿着期望的航迹运动。与传统锚泊技 术相比，动力定位的优点在于定位成本和精度均不受水深影响，操纵性极好，可以实时 变换位置，能够快速运作、机动性强，不存在破坏海底设备和海床的隐患，避免了与其 他船舶或海洋平台锚链交缠的危险，定位精度高等；预测控制是一类特殊的控制，其有 三个基本特征：预测模型、滚动优化和反馈校正。它的当前控制动作是在每一个采样瞬 间通过求解一个有限时域开环最优控制问题而获得。过程的当前状态作为最优控制问题 的初始状态，解得的最优控制序列只实施第一个控制作用。广义预测控算法在自校正 原理的基础上，通过系统实际的输入输出值不断对预测模型参数进行校正，釆用了最小 方差控制的模型形式避免了稳态误差的出现，并吸取了动态矩阵预测控制算法中多步预 测、滚动优化的控制策略而产生的。该算法是自适应控制算法，其不仅对模型要求较低 而且具有较强的鲁棒性。
[0003]现有技术的缺点是，首先传统GPC控制器的滚动优化效率低下，在存在输入约束的 情况下，通过滚动优化得到的控制增量不能满足系统控制要求；再者，传统的优化算法 如粒子群优化算法，基因遗传算法等存在着问题，如遗传算子设定不当将影响算法的搜 索性能并使得算法易陷入局部最优解，粒子群算法中初始种群过大将导致算法搜索速度 变慢的问题，这将制约着基于群体智能算法预测控制器的性能。

技术实现思路

[0004]专利技术目的：本专利技术旨在提供一种满足系统约束加快滚动优化的船舶动力定位预测控 制器设计方法，能够解决控制过程中存在的滚动优化效率低下，控制增量不满足约束条 件的问题。
[0005]技术方案：本专利技术所述的一种基于烟花算法的船舶动力定位预测控制器设计方法， 包括以下步骤：
[0006]步骤一，建立模型；
[0007]步骤二，根据采样系统的实际运行数据，辨识出模型参数，得到A(q
‑1)，B(q
‑1)的 表达式；
[0008]步骤三，将辨识得到的A(q
‑1)，B(q
‑1)带入到丢番图方程，通过丢番图方程递推， 得到E
j
(q
‑1)，F
j
(q
‑1)的表达式；
[0009]步骤四，根据计算得到的B(q
‑1)，E
j
(q
‑1)，F
j
(q
‑1)计算得到系数矩阵G；
[0010]步骤五，根据目标函数进行滚动优化，求得控制增量Δτ；
[0011]步骤六，判断控制增量是否满足约束条件，若满足，进入步骤七，如不满足，则采 用烟花算法流程来进行寻优，将Δτ作为寻优烟花，寻优结束得到最优Δτ；
[0012]步骤七，根据最优Δτ计算该时刻的控制输入τ(k)，输入给控制系统；
[0013]步骤八，转到第二步，根据系统实际运行数据不断重复控制流程，寻得下一时刻的 最优控制输出，直到控制结束。
[0014]进一步的，所述步骤一中，建立模型的过程具体为：建立船舶需要的大地坐标系及 船舶坐标系，根据运动学和动力学对船舶进行分析建模，得到船舶的六自由度数学模型
[0015][0016][0017]其中向量ν＝[u,v,ω,p,q,r]T
,代表船舶在船体坐标系下线速度和角速度，向量 η＝[x,y,z,φ,θ,ψ]T
，代表大地坐标系下船舶的位置和姿态角；R(ψ)是旋转矩阵，M是 系统惯性矩阵，C(ν)是科里奥利向心力矩阵，D(ν)为阻尼系数矩阵，g(η)为重力/浮力引 起的力和力矩矢量，τ为船舶推进系统力和力矩矢量，g0为船舶压载水提供的均衡力矢 量，ω为环境干扰作用力矢量；
[0018]对于动力定位船，动力定位时船舶速度小，且为了避免高频运动造成不必要的响应 损失，船舶的运动模型考虑变为三自由度模型，为令ν＝[u,v,r]T
，η＝[x,y，ψ]T
；则3 自由度船舶运动模型为：
[0019][0020][0021]其中v＝[u,v,r]T
，η＝[x,y，ψ]T
，其余符号意义不变；
[0022]船舶模型进行离散化，
[0023]令A＝
‑
M
‑1D,B＝
‑
M
‑1,U＝τ+ω,可得
[0024][0025]由数学模型(3)(4)可离散化得到得
[0026][0027]其中Y＝η，P＝(AT+I)，H＝BT，A＝
‑
M
‑1D,B＝
‑
M
‑1,U＝τ+ω,T为采 样周期；
[0028]由式(6)可得v(k
‑
1)，v(k
‑
2)，再次带入(6)得
[0029][0030]得到船舶得CARIMA模型为
[0031](I+A
10
q
‑1+A
20
q
‑2)Y(k)＝(B
00
+B
10
q
‑1)τ(k
‑
1)+C(q
‑1)ω(k
‑
1)
ꢀꢀꢀ
(8)
[0032]其中，q
‑1是后移算子；则由(8)得
[0033]A(q
‑1)Y(k)＝B(q
‑1)τ(k
‑
1)+ξ(k)
ꢀꢀꢀ
(9)
[0034]其中，
[0035][0036][0037]式中，
[0038]A
i
(q
‑1)＝1+a
i1
q
‑1+
…
+a
in
q
‑
n
,
[0039][0040]进一步的，所述步骤二中，得到A(q
‑1)，B(q
‑1)的表达式具体过程为：
[0041]把模型参数和数据记为：
[0042][0043]其中，则
[0044]则可以得到
[0045][0046][0047][0048]其中，μ＝diag[本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于烟花算法的船舶动力定位预测控制器设计方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤一，建立动力定位船舶模型；步骤二，根据采样系统的实际运行数据，辨识出模型参数，得到A(q
‑1)，B(q
‑1)的表达式；步骤三，将辨识得到的A(q
‑1)，B(q
‑1)带入到丢番图方程，通过丢番图方程递推，得到E
j
(q
‑1)，F
j
(q
‑1)的表达式；步骤四，根据计算得到的B(q
‑1)，E
j
(q
‑1)，F
j
(q
‑1)计算得到系数矩阵G；步骤五，根据目标函数进行滚动优化，求得控制增量Δτ；步骤六，判断控制增量是否满足约束条件，若满足，进入步骤七，如不满足，则采用烟花算法流程来进行寻优，将Δτ作为寻优烟花，寻优结束得到最优Δτ；步骤七，根据最优Δτ计算该时刻的控制输入τ(k)，输入给控制系统；步骤八，转到第二步，根据系统实际运行数据不断重复控制流程，寻得下一时刻的最优控制输出，直到控制结束。2.如权利要求1所述的基于烟花算法的船舶动力定位预测控制器设计方法，其特征在于，所述步骤一中，建立模型的过程具体为：建立船舶需要的大地坐标系及船舶坐标系，根据运动学和动力学对船舶进行分析建模，得到船舶的六自由度数学模型据运动学和动力学对船舶进行分析建模，得到船舶的六自由度数学模型其中向量v＝[u，v，ω，p，q，r]
T
，代表船舶在船体坐标系下线速度和角速度，向量η＝[x，y，z，φ，θ，ψ]
T
，代表大地坐标系下船舶的位置和姿态角；是旋转矩阵，M是系统惯性矩阵，C(v)是科里奥利向心力矩阵，D(v)为阻尼系数矩阵，g(η)为重力/浮力引起的力和力矩矢量，τ为船舶推进系统力和力矩矢量，g0为船舶压载水提供的均衡力矢量，ω为环境干扰作用力矢量；对于动力定位船，动力定位时船舶速度小，且为了避免高频运动造成不必要的响应损失，船舶的运动模型考虑变为三自由度模型，为令v＝[u，v，r]
T
，η＝[x，y，ψ]
T
；则3自由度船舶运动模型为：舶运动模型为：其中v＝[u，v，r]
T
，η＝[x，y，ψ]
T
，其余符号意义不变；船舶模型进行离散化，令A＝
‑
M
‑1D，B＝
‑
M
‑1，U＝τ+ω，可得由数学模型(3)(4)可离散化得到得其中Y＝η，P＝(AT+I)，H＝BT，T为采样周期；由式(6)可得v(k
‑
1)，v(k
‑
2)，再次带入(6)得
得到船舶得CARIMA模型为(I+A
10
q
‑1+A
20
q
‑2)Y(k)＝(B
00
+B
10
q
‑1)τ(k
‑
1)+C(q
‑1)ω(k
‑
1)
ꢀꢀꢀꢀ
(8)其中，q
‑1是后移算子；则由(8)得A(q
‑1)Y(k)＝B(q
‑1)τ(k
‑
1)+ξ(k)
ꢀꢀꢀꢀ
(9)其中，其中，式中，A
i
(q
‑1)＝1+a
i1
q
‑1+
…
+a
in
q
‑
n
，。3.如权利要求1所述的基于烟花算法的船舶动力定位预测控制器设计方法，其特征在于，所述步骤二中，得到A(q
‑1)，B(q
‑1)的表达式具体过程为：把模型参数和数据记为：把模型参数和数据记为：其中，则则可以得到则可以得到则可以得到其中，μ＝diag[μ1‑1*ones(4)，μ2‑1*ones(4)，μ3‑1*ones(4)]其中，μ1，μ2，μ3为遗忘因子，常选为0.95＜μ1，μ2，μ3＜1；通过不断的实际输入输出的数据来进行在线模型参数估计，并在接下来的滚动优化中采用修正过的参数来修正控制律。
4.如权利要求1所述的基于烟花算法的船舶动力定位预测控制器设计方法，其特征在于，步骤三，得到E
j
(q
‑1)，F
j
(q
‑1)的表达式的具体过程为：考虑丢番图方程：E＝E
j
(q
‑1)A(q
‑1)Δ+q
‑
j
F
j
(q
‑
j
)
ꢀꢀꢀꢀ
(13)式中，j＝1，2，3，...，N，N是预测时域，Δ＝1
‑
q
‑1是差分算子；是差分算子；其中，E
ij
(q
‑1)＝e
ij，0
+e
ij，1
q
‑1+
…
+e
ij，j

【专利技术属性】
技术研发人员：刘文彬，李众，
申请(专利权)人：江苏科技大学，
类型：发明
国别省市：