【技术实现步骤摘要】
一种基于在线分组优化模型预测的船舶动力定位控制方法
[0001]本专利技术涉及一种船舶动力定位控制方法，尤其涉及一种利用分组区间的快速滚动优化的动力定位控制器设计方法。
技术介绍
[0002]随着经济的快速发展以及人类对于海洋资源的需求量日益增加，如何开发深海资源成为了当代海洋发展的热门话题，航海技术的发展迫在眉睫，船舶是海洋开发过程中必不可少的交通工具和作业平台，船舶定位主要是锚泊定位，即利用附着在海床下的锚链来抵抗船舶所受到的环境干扰力，从而船舶稳定的保持在海面上。但是，当船舶在深海区域时，锚链的长度受到限制，抛锚的难度也随之增加，并且定位精度也得不到保障，锚泊定位无法满足正常的作业要求。因此，动力定位系统应运而生，与传统的锚泊定位相比，动力定位系统利用船舶自身安装的推进器来产生相应的推力，从而抵抗对船舶造成的环境力。动力定位系统具有快速性和操纵性等特点，面对复杂的海洋情况，动力定位系统能够实时的做出反应，保持船舶在期望的运动位置。
[0003]动力定位系统主要包括三个系统，分别是测量系统，高层控制系统以及低层推...
【技术保护点】
【技术特征摘要】
1.一种基于在线分组优化模型预测的船舶动力定位控制方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：(1)建立船舶的三自由度运动学和动力学模型；(2)建立估计外界环境干扰对船舶的作用大小的扰动观测器；(3)在现有模型预测控制方程的基础上建立基于扰动观测器的模型预测控制方程，利用已知的状态信息和设定的预测步长预测状态变量，通过状态变量预测控制方程的输出值；(4)对输出值进行滚动优化，滚动优化的目标是输出作用于系统的最优控制量；(5)根据步骤(4)中求取的最优的系统控制输入求取船舶的动力定位控制力。2.根据权利要求1所述的基于在线分组优化模型预测的船舶动力定位控制方法，其特征在于，所述步骤(1)中，建立模型的参考坐标系为大地坐标系和船体坐标系，船舶的三自由度分别为横荡运动、纵荡运动和艏摇运动，所述运动学模型如下所示：式中，η＝[x,y,ψ]
T
为表示船位置和艏向角的向量；ν＝[u,v,r]
T
为速度向量，其中，u表示横荡速度，v表示纵荡速度，r表示艏摇速度；R(ψ)为旋转矩阵，其值为所述动力学模型如下所示：式中，τ＝[τ
X
,τ
Y
,τ
Z
]，τ表示的是推进器得到的推力以及推力矩，其中，τ
X
表示的是船舶在纵荡方向上控制所需的合力，τ
Y
表示的是船舶在横荡方向上控制所需的合力，τ
Y
表示的是船舶在艏摇方向上控制所需的合力以及力矩大小；d＝[d
X
,d
Y
,d
X
]，d表示的是船舶在运动时所受到的环境扰动力以及力矩，其中，d
X
表示的是船舶在横荡方向上所受到的扰动力，d
Y
表示的是船舶在横荡方向上所受到的扰动力，d
Y
表示的是船舶在艏摇方向上所受到的扰动力以及力矩；M为系统惯性矩阵，其表达式如下：D为流体线性阻尼矩阵，其表达式如下：上式中，m为船舶自身的质量；x
g
表示的是船舶的几何中心；分别为船舶的水动力导数；表示的是横荡和艏摇之间的耦合而产生的附加质量；I
z
为转动惯量。3.根据权利要求1所述的基于在线分组优化模型预测的船舶动力定位控制方法，其特
征在于，所述步骤(2)中，扰动观测器的表达式如下：ξ(k)＝(I
‑
K0B
d
)(ξ(k
‑
1)+K0x(k
‑
1))
‑
K0(A
d
x(k
‑
1)+B
d
u(k
‑
1))其中，表示的第k个时刻的扰动的估计值的大小；ξ(k)表示的是观测器的辅助向量；矩阵K0是正定对称矩阵，表示调节矩阵。4.根据权利要求1所述的基于在线分组优化模型预测的船舶动力定位控制方法，其特征在于，所述步骤(3)包括以下步骤：(31)建立用于对输出进行分组的低值区间、中值区间和高值区间；当输入量为较小值时，进入低值区间，当输入量为较大值时，进入高值区间，其他输入量进入中值区间；(32)随机选取三个区间的输入量的一个最优值u
*
(rand1)、u
*
(rand2)、u
*
(rand3)分别进行滚动优化，获得对应的状态变量值，通过状态变量预测系统的实际输出量；(33)将三个区间的实际输出量分别与期望输出对比，将与期望输出的误差最小的输出量作为最优解，即作用于系统的控制量。5.根据权利要求4所述的基于在线分组优化模型预测的船舶动力定位控制方法，其特征在于，所述步骤(31)中的低值区间、中值区间和高值区间按如下步骤进行分区：根据初始预测值对应的输出变量，即第一次的输出变量y(k)，求得k时刻的最优值，k时刻的最优值为u
*<...
【专利技术属性】
技术研发人员：李冬琴，宣威，周利，陈文文，张锋，马家泰，
申请(专利权)人：江苏科技大学，
类型：发明
国别省市：
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