一种基于事件触发的动力定位船舶H制造技术

本发明专利技术涉及一种基于事件触发的动力定位船舶H

【技术实现步骤摘要】
一种基于事件触发的动力定位船舶H
∞
最优控制方法


[0001]本专利技术属于船舶运动控制领域，涉及一种基于事件触发的动力定位船舶H
∞
最优控制方法。

技术介绍

[0002]随着人们对海洋资源不断地勘探与开发，船舶动力定位技术得到了迅速发展。面对复杂多变的海洋环境，对海上作业船舶的效率、安全性、自动化程度提出了更高的技术要求。近年来，关于动力定位船舶的研究主要存在两个问题：第一，在传统网络控制系统中，控制信号连续不断地从控制器传输到执行器,不仅增加了计算负担而且会产生不必要的信道占用。第二，船舶控制问题中稳定性、控制性能以及鲁棒性等是其主要关心的问题，目前对船舶鲁棒控制研究大部分都是以忽略模型之间相互耦合影响为前提的，作为解决实际鲁棒控制问题的有效手段之一，非线性H
∞
控制因其复杂的HJI(Hamilton
‑
Jacobi
‑
Isaacs)不等式求解而受限，这给实际应用带来较大的难度。
[0003]专利CN111381595A《基于事件触发的船舶动力定位方法》中：在事件触发控制系统的研究上存在不足，系统的自适应参数选取偏小，稳定性证明上并不完善，全回转推进器的方位角变化不合理。论文《考虑事件触发输入的船舶自适应动力定位控制》自适应参数取值过小，6个参数选取过于接近，且未关注推进器存在固有的非线性动力学，如死区、饱和、滞后等。
[0004]基于上述分析，本专利技术提出了一种基于事件触发的动力定位船舶H
∞r/>最优控制方法。利用事件触发的控制策略和时间触发的干扰策略，降低信号传递次数，仅当不满足触发条件时才更新事件触发的控制器，减少设备与控制器之间的通信，提供最小采样时间的正下界，以避免事件触发系统在有限时间内触发次数无穷大，即Zeno行为。同时，将H
∞
最优控制问题化为二人零和差分博弈，避免非线性H
∞
控制设计中复杂的HJI不等式求解过程，便于实际应用。

技术实现思路

[0005]本专利技术的目的是提出一种基于事件触发的动力定位船舶H
∞
最优控制方法，解决HJI不等式求解过于复杂的问题，而且避免了计算负担，不会产生不必要的信道占用。
[0006]为实现上述目的，本专利技术采用如下设计方案。具体步骤如下：
[0007]步骤1：
[0008]建立动力定位船舶的动力学模型：假设动力定位船舶沿大地坐标系的x轴，以小于预设阈值的速度匀速航行，则动力学模型表示为矩阵形式如下：
[0009][0010][0011][0012]式中，M是包含附加质量的惯性矩阵，ν＝(u,v,r)
T
表示动力定位船舶在船舶附体坐标下的纵荡速度u，横荡速度v，和艏摇角速度r构成的向量，τ为控制输入矢量，即推进器推力，其中τ
u
，τ
v
，τ
r
分别为前进控制力，横移控制力和艏摇控制力距，m是船舶的质量，D为水阻尼系数矩阵，为船舶在纵荡，横荡，艏摇方向上的附加质量和艏向附加转动惯量系数，X
u
，Y
v
，Y
r
，N
v
，N
r
为船舶三个方向上的线性阻尼值，I
z
表示船舶的转动惯量，x
G
表示船体重心位于x方向的坐标，b(t)表示包括波浪，风，洋流在内的扰动矢量。
[0013]对于船舶动力定位系统，当艏摇角很小时，有
[0014]R(ψ)≈I
ꢀꢀꢀ
(4)式中，R(ψ)表示大地坐标系下船舶附体坐标系变换的旋转矩阵设u＝τ，动力定位船舶状态空间模型可表示为
[0015][0016]式中，x(t)∈R
n
是状态向量，A∈R
n
×
n
是系统矩阵，u(t)∈R
m
是控制输入向量，B＝g(t)∈R
n
×
m
，E＝k(t)∈R
n
×
q
是光滑函数矩阵，ω(t)∈R
q
表示由未建模的动力学风、洋流和二阶波浪漂移引起的慢变环境干扰，这些干扰都包含在偏差项内。
[0017]步骤2
[0018]引入一个采样数据系统其特征是事件触发瞬间序列单调递增，λ
j
是第j次连续采样瞬间且λ
j
＜λ
j+1
。采样数据系统的输出是一系列采样状态。采样数据系统的输出是一系列采样状态所提出的控制方案中，控制器在事件触发时刻t∈[λ
j
,λ
j+1
]更新，假设采样数据系统的任务延迟为零，定义当前状态x(t)和采样状态之间的事件触发误差为
[0019][0020]步骤3
[0021]在事件触发控制机制中，触发条件由事件触发错误和状态相关阈值决定，在t＝λ
j
触发条件不满足时，则触发一个事件。然后，对系统状态进行采样，将事件触发误差e
j
(t)重置为0，t＝λ
j
时，控制器基于新采样状态更新，使用零阶保持器后，获得的控制序列变为连续输入信号对于动力定位船舶模型，基于事件触发的自适应模型为
[0022][0023]步骤4
[0024]构建一个事件触发控制率υ(t)，使得动力定位系统(3)渐近稳定，且L2增益小于等
于γ，即
[0025][0026]式中，γ是规定的正常数，Q和R为对称的正定矩阵；
[0027]步骤5
[0028]在时间触发的情况下，值函数定义为
[0029][0030]非线性Bellman方程为
[0031][0032]式中，表示偏导数算子，将H
∞
最优控制问题公式化为二人零和差分博弈，控制输入是一个最小化的参与者，干扰是一个最大化的参与者。此时，有唯一解(u
*
,ω
*
)，u
*
和ω
*
是最优控制和最坏情况干扰，相应的HJI方程为
[0033][0034]步骤6
[0035]根据值函数(9)，Bellman方程(10)的解是反馈控制和干扰策略的最优值函数V
*
(t)，最优控制和最坏情况下的干扰策略为
[0036][0037][0038]步骤7
[0039]在事件触发条件下，基于采样状态信息而不是实际状态x(t)更新控制输入，式(12)可以写为
[0040][0041]式中，通过事件触发控制率(10)，HJI方程(7)在每个触发瞬间t＝λ
j
为
[0042][0043]步骤8
[0044]在采样时刻更新事件触发控制策略，基于神经网络的值函数可以写为
[0045][0046]式中，W
c
∈R<本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于事件触发的动力定位船舶H
∞
最优控制方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1动力定位船舶状态空间模型表示为式中，x(t)∈R
n
是状态向量，A∈R
n
×
n
是系统矩阵，u(t)∈R
m
是控制输入向量，B＝g(t)∈R
n
×
m
，E＝k(t)∈R
n
×
q
是光滑函数矩阵，ω(t)∈R
q
表示由未建模的动力学风、洋流和二阶波浪漂移引起的慢变环境干扰，这些干扰都包含在偏差项内；步骤2引入一个采样数据系统其特征是事件触发瞬间序列单调递增，λ
j
是第j次连续采样瞬间且λ
j
＜λ
j+1
，采样数据系统的输出是一系列采样状态采样数据系统的输出是一系列采样状态所提出的控制方案中，控制器在事件触发时刻t∈[λ
j
,λ
j+1
]更新，假设采样数据系统的任务延迟为零，定义当前状态x(t)和采样状态之间的事件触发误差为步骤3在t＝λ
j
触发条件不满足时，则触发一个事件，然后，对系统状态进行采样，将事件触发误差e
j
(t)重置为0，t＝λ
j
时，控制器基于新采样状态更新，使用零阶保持器后，获得的控制序列变为连续输入信号对于动力定位船舶模型，基于事件触发的自适应模型为步骤4构建一个事件触发控制率υ(t)，使得动力定位系统(3)渐近稳定，且L2增益小于等于γ，即式中，γ是规定的正常数，Q和R为对称的正定矩阵；步骤5在时间触发情况下，值函数定义为非线性B...

【专利技术属性】
技术研发人员：栾添添，谭政纲，孙明晓，李鸣阳，王海滨，刘彩云，王璐璐，
申请(专利权)人：哈尔滨理工大学，
类型：发明
国别省市：