一种海上航天发射与回收船舶动力定位容错抗干扰方法技术

本发明专利技术提供一种海上航天发射与回收船舶动力定位容错抗干扰方法，属于海上航天发射与回收船舶自动控制技术领域；本发明专利技术的方法主要面向考虑未知外界海洋环境干扰和推进器发生混合故障的海上航天发射与回收船舶动力定位控制的研究，运用干扰观测器和偏差故障观测器以及乘性故障自适应观测器，解决海上航天发射与回收船舶动力定位所受到的未知外界海洋环境干扰在线估计抑制和对海上航天发射与回收船舶推进器发生的混合故障进行估计和补偿问题；通过利用复合容错抗干扰控制器来矫正跟踪反馈控制误差问题，有效增强海上航天发射与回收船舶的抗干扰能力，提高了海上航天发射与回收船舶控制的可靠性，使海上航天发射与回收船舶的期望位置达到预期效果。舶的期望位置达到预期效果。舶的期望位置达到预期效果。

【技术实现步骤摘要】
一种海上航天发射与回收船舶动力定位容错抗干扰方法


[0001]本专利技术属于海上航天发射与回收船舶动力定位容错抗干扰
，具体涉及一种海上航天发射与回收船舶动力定位容错抗干扰方法。

技术介绍

[0002]随着我国航天技术的不断发展，运载火箭海上发射因具有灵活性强、任务适应性好、发射经济性优等特点已成为近年来的研究热点。海上发射相较于陆地发射优势明显，海上发射可将火箭灵活地安排至靠近赤道的区域发射，这样可以节省很多火箭的推力和燃料，还可以满足各种倾角卫星的发射需求，有效助推中国航天走出国门；此外随着航天发射活动的需求量日益增加，陆地人口密度更加稠密，因为一些发射场的地理位置原因，陆地发射后可能面临着火箭一级和二级残骸掉落的安全问题。海上发射不仅能有效解决这个问题，大幅降低陆地发射时的人员疏散成本，还可以灵活选择发射点和落区。
[0003]完成火箭发射与回收任务需要利用海上航天发射与回收船舶来进行操纵作业，而海上航天发射与回收船舶进行操纵作业时需要以一定的姿态保持在海面某目标位置。由于海洋环境的复杂性，海上航天发射与回收船舶所受到的外界环境干扰会根据外界条件的变化呈现出明显的不确定性。此外海上航天发射与回收船舶在执行任务过程中也难免会遇到推进器故障的情况，因此传统的锚泊定位难以满足任务的多样性需求。而动力定位技术与传统的锚泊定位相比，具有定位精度更高、灵活性更好、适用于多种海况、操作方便、机动性强等优点。因此开展海上航天发射与回收船舶动力定位的控制研究具有重要的理论意义和实际应用价值。
[0004]现有研究方法多假设海上航天发射与回收船舶动力定位控制系统不存在外界干扰或干扰频率已知，且不考虑系统控制中推进器发生混合故障的问题；然而在实际工程应用中，海上航天发射与回收船舶动力定位控制系统在运行过程中时常会受到外界海洋环境等干扰，而且系统中的推进器难免会发生多重类型的混合故障，除此之外，现有技术考虑海上航天发射与回收船舶在混合故障以及存在外界干扰下的动力定位容错抗干扰控制的实际性能要求较少，使用成本较高不易于工程实现。
[0005]因此，如何在考虑未知外界海洋环境干扰和推进器发生混合故障的条件下实现海上航天发射与回收船舶动力定位容错抗干扰控制设计就成为了亟待解决的问题。

技术实现思路

[0006]本专利技术的目的是针对上述技术中存在的不足之处，提出一种海上航天发射与回收船舶动力定位容错抗干扰方法，旨在解决现有海上航天发射与回收船舶动力定位容错抗干扰的问题。
[0007]本专利技术提供一种海上航天发射与回收船舶动力定位容错抗干扰方法，所述方法包括以下过程：
[0008]S1：基于海上航天发射与回收船舶动力定位在大地坐标系下的位置信息和艏向角
信息，以及海上航天发射与回收船舶附体坐标系下对应的速度信息，建立海上航天发射与回收船舶动力定位非线性运动学模型；
[0009]S2：考虑海上航天发射与回收船舶进行操纵作业和所处的海洋环境中风、浪、流以及未建模动态的时变环境干扰，同时考虑海上航天发射与回收船舶推进器发生复合故障下的动力定位问题，建立海上航天发射与回收船舶动力定位动力学模型；
[0010]S3：设计干扰观测器估计并抵消海上航天发射与回收船舶动力定位中的时变环境干扰；设计偏差故障观测器对加性故障进行在线估计，并对海上航天发射与回收船舶推进器发生的加性故障进行补偿；设计乘性故障自适应观测器对乘性故障下的效率因子进行估计补偿；
[0011]S4：基于所述干扰观测器、所述偏差故障观测器以及所述乘性故障自适应观测器，并应用投影算法设计一种复合抗干扰容错控制器；
[0012]S5：利用线性矩阵不等式算法，求解海上航天发射与回收船舶动力定位的容错抗干扰控制器中的增益矩阵、干扰观测器、偏差故障观测器中的观测增益矩阵，从而实现海上航天发射与回收船舶动力定位达到预期值。
[0013]进一步地，所述步骤S1中海上航天发射与回收船舶动力定位运动学模型的具体为：
[0014][0015][0016]式中：η＝[x,y,ψ]T
为北东坐标系下的位置向量，由船舶实际位置(x,y)和艏向角ψ构成；υ＝[u,v,r]T
为附体坐标系下对应的速度向量，其构成包括船舶前进速度u、横漂速度v和艏摇角速度r；J(ψ)定义为旋转矩阵，表示从附体坐标系到北东坐标系的旋转矩阵。
[0017]进一步地，所述步骤S2中海上航天发射与回收船舶动力定位的动力学模型为：
[0018][0019]式(3)中，M为包含附加质量的惯性矩阵；D(v)为阻尼矩阵；τ
F
为推进器提供的控制向量；d(t)为未知干扰向量；θ(t)＝[θ1(t),θ2(t),θ3(t)]T
为海上航天发射与回收船舶推进器发生偏差故障时船体上的等效时变作用力和力矩向量。
[0020]进一步地，所述进一步地，所述为推进器布置矩阵；U
p
＝diag(u
p1
，...，u
pn
)为推进器输出的推力向量；δ＝[δ1,...,δ
n
]T
为效率因子矩阵；其中：
[0021][0022]式(4)中，l
i
＝[l
x1
,l
y1
]是水平面上的第i个推进器的位置坐标；为第i推进器的方位角。
[0023]进一步地，所述M的惯性矩阵为：
[0024][0025]式(5)中，m为海上航天发射与回收船舶的质量；为海上航天发射与回收船舶运动所引起的附加质量；I
z
为转动惯量；x
G
为船心与所建立坐标系原点的距离。
[0026]进一步地，所述D(v)的阻尼矩阵为：
[0027][0028]式(6)中，u为海上航天发射与回收船舶航行所用的速度矢量；X
u
,Y
υ
,Y
r
,N
υ
,N
r
为阻尼系数。
[0029]进一步地，所述步骤S3中干扰观测器、偏差故障观测器以及乘性故障自适应观测器的具体设计过程为：根据式(1)、(3)中的未知干扰向量d(t)，设计如下干扰观测器：
[0030][0031]式(7)中，为干扰的估计值，为效率因子估计值，为加性故障估计值，K1,K0∈R3×3为干扰观测器的增益矩阵且满足K1＝K0M
‑1，q∈R3为由式(7)产生的辅助中间向量。
[0032]进一步地，海上航天发射与回收船舶所受的偏差故障可以表示为θ(t)＝[θ1(t),θ2(t),θ3(t)]T
，对于海上航天发射与回收船舶的推进器加性故障，设计偏差故障观测器对故障进行估计，并在控制器中利用估计值对故障进行抵消，设计的偏差故障观测器如下：
[0033][0034]式(8)中，为故障的估计值，K2∈R3×3为故障观测器的增益矩阵，k∈R3为由式(8)产生的辅助中间向量。
[0035]本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种海上航天发射与回收船舶动力定位容错抗干扰方法，其特征在于，所述方法包括以下过程：S1：基于海上航天发射与回收船舶动力定位在大地坐标系下的位置信息和艏向角信息，以及海上航天发射与回收船舶附体坐标系下对应的速度信息，建立海上航天发射与回收船舶动力定位非线性运动学模型；S2：考虑海上航天发射与回收船舶进行操纵作业和所处的海洋环境中风、浪、流以及未建模动态的时变环境干扰，同时考虑海上航天发射与回收船舶推进器发生复合故障下的动力定位问题，建立海上航天发射与回收船舶动力定位动力学模型；S3：设计干扰观测器估计并抵消海上航天发射与回收船舶动力定位中的时变环境干扰；设计偏差故障观测器对加性故障进行在线估计，并对海上航天发射与回收船舶推进器发生的加性故障进行补偿；设计乘性故障自适应观测器对乘性故障下的效率因子进行估计补偿；S4：基于所述干扰观测器、所述偏差故障观测器以及所述乘性故障自适应观测器，并应用投影算法设计一种复合抗干扰容错控制器；S5：利用线性矩阵不等式算法，求解海上航天发射与回收船舶动力定位的容错抗干扰控制器中的增益矩阵、干扰观测器、偏差故障观测器中的观测增益矩阵，从而实现海上航天发射与回收船舶动力定位达到预期值。2.根据权利要求1所述的海上航天发射与回收船舶动力定位容错抗干扰方法，其特征在于，所述步骤S1中所述海上航天发射与回收船舶动力定位运动学模型的具体为：在于，所述步骤S1中所述海上航天发射与回收船舶动力定位运动学模型的具体为：式中：η＝[x,y,ψ]
T
为北东坐标系下的位置向量，由船舶实际位置(x,y)和艏向角ψ构成；υ＝[u,v,r]
T
为附体坐标系下对应的速度向量，其构成包括船舶前进速度u、横漂速度v和艏摇角速度r；J(ψ)定义为旋转矩阵，表示从附体坐标系到北东坐标系的旋转矩阵。3.根据权利要求1所述的海上航天发射与回收船舶动力定位容错抗干扰方法，其特征在于，所述步骤S2中海上航天发射与回收船舶动力定位的动力学模型为：式(3)中，M为包含附加质量的惯性矩阵；D(v)为阻尼矩阵；τ
F
为推进器提供的控制向量；d(t)为未知干扰向量；θ(t)＝[θ1(t),θ2(t),θ3(t)]
T
为海上航天发射与回收船舶推进器发生偏差故障时船体上的等效时变作用力和力矩向量。4.根据权利要求3所述的海上航天发射与回收船舶动力定位容错抗干扰方法，其特征在于，所述在于，所述为推进器布置矩阵；U
p
＝diag(u
p1
，
…
，u
pn
)为推进器输出的推力向量；δ＝[δ1,...,δ
n
]
T
为效率因子矩阵；其中：
式(4)中，l
i
＝[l
x1
,l
y1
]是水平面上的第i个推进器的位置坐标；为第i推进器的方位角。5.根据权利要求3所述的海上航天发射与回收船舶动力定位容错抗干扰方法，其特征在于，所述M的惯性矩阵为：式(5)中，m为海上航天发射与回收船舶的质量；为海上航天发射与回收船舶运动所引起的附加质量；I
z
为转动惯量；x
G
为船心与所建立坐标系原点的距离。6.根据权利要求3所述的海上航天发射与回收船舶动力定位容错抗干扰方法，其特征在于，所述D(v)的阻尼矩阵为：式(6)中，u为海上航天发射与回收船舶航行所用的速度矢量；X
u
,Y
υ
,Y
r
,N
...

【专利技术属性】
技术研发人员：胡鑫，孙忠玉，巩庆涛，滕瑶，李康强，神克常，刘志朋，张梦雨，
申请(专利权)人：鲁东大学，
类型：发明
国别省市：