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带有UKF滚动时域估计的动力定位控制器

更新时间：2019-12-24 15:43:59 大小：1M 上传用户：xiaohei1810 查看TA发布的资源 标签：动力定位控制器 下载积分：1分评价赚积分（如何评价?）打赏收藏评论(0) 举报

资料介绍

针对随机扰动下船舶的动力定位控制问题，将基于无迹卡尔曼滤波的滚动时域估计与非切换解析模型预测控制相结合提出一种非线性控制器设计方法。应用基于无迹卡尔曼滤波的滚动时域估计结合差分法所得的离散模型设计非线性滤波器，获取系统状态估计值，并采用无迹卡尔曼滤波方法计算到达代价；参照船舶动力学模型，应用非切换解析模型预测控制方法，设计动力定位非线性控制器。将所提出的方法应用于某供应船动力定位控制器的设计。通过仿真验证了所设计的动力定位控制器的有效性。

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第３７卷第１０期ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ

ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ Ｖｏｌ．３７ №．１０

ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ Ｏｃｔ．２０１６

ꢀ 哈ꢀ 尔ꢀ 滨ꢀ 工ꢀ 程ꢀ 大ꢀ 学ꢀ 学ꢀ 报

２０１６年１０月ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ

ꢀ ꢀ

ꢀ

ＪｏｕｒｎａｌｏｆＨａｒｂｉｎＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ

带有ＵＫＦ滚动时域估计的动力定位控制器

苏义鑫，赵俊

（武汉理工大学自动化学院，湖北武汉４３００７０）

摘ꢀ 要：针对随机扰动下船舶的动力定位控制问题，将基于无迹卡尔曼滤波的滚动时域估计与非切换解析模型预

测控制相结合提出一种非线性控制器设计方法。应用基于无迹卡尔曼滤波的滚动时域估计结合差分法所得的离

散模型设计非线性滤波器，获取系统状态估计值，并采用无迹卡尔曼滤波方法计算到达代价；参照船舶动力学模

型，应用非切换解析模型预测控制方法，设计动力定位非线性控制器。将所提出的方法应用于某供应船动力定位

控制器的设计。通过仿真验证了所设计的动力定位控制器的有效性。

关键词：动力定位；无迹卡尔曼滤波；滚动时域估计；到达代价；非线性控制器

ＤＯＩ：１０．１１９９０／ｊｈｅｕ．２０１５０６０５８

网络出版地址：ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．ｃｎｋｉ．ｎｅｔ／ｋｃｍｓ／ｄｅｔａｉｌ／２３．１３９０．ｕ．２０１６０８２９．１４２２．０５８．ｈｔｍｌ

－

中图分类号：Ｕ６６１．３３８ꢀ 文献标志码：Ａꢀ 文章编号：１００６７０４３（２０１６）１０１３８１０７

ＤｙｎａｍｉｃｐｏｓｉｔｉｏｎｉｎｇｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒｗｉｔｈＵＫＦｍｏｖｉｎｇｈｏｒｉｚｏｎｅｓｔｉｍａｔｉｏｎ

ＳＵＹｉｘｉｎ，ＺＨＡＯＪｕｎ

（ＳｃｈｏｏｌｏｆＡｕｔｏｍａｔｉｏｎ，ＷｕｈａｎＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｗｕｈａｎ４３００７０，Ｃｈｉｎａ）

Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ａｄｅｓｉｇｎｍｅｔｈｏｄｆｏｒａｄｙｎａｍｉｃｐｏｓｉｔｉｏｎｉｎｇ（ＤＰ）ｎｏｎｌｉｎｅａｒｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒｗａｓｐｒｏｐｏｓｅｄｆｏｒｓｕｒｆａｃｅｖｅｓｓｅｌｓ

ｓｕｆｆｅｒｉｎｇｆｒｏｍｒａｎｄｏｍｄｉｓｔｕｒｂａｎｃｅ．Ｔｈｉｓｍｅｔｈｏｄｃｏｍｂｉｎｅｄａｍｏｖｉｎｇｈｏｒｉｚｏｎｅｓｔｉｍａｔｉｏｎ（ＭＨＥ）ｂａｓｅｄｏｎｔｈｅｕｎ⁃

ｓｃｅｎｔｅｄＫａｌｍａｎｆｉｌｔｅｒｉｎｇａｎｄｎｏｎ⁃ｓｗｉｔｃｈｉｎｇａｎａｌｙｔｉｃｍｏｄｅｌｐｒｅｄｉｃｔｉｖｅｃｏｎｔｒｏｌ（ＭＰＣ）．ＭＨＥｂａｓｅｄｏｎｕｎｓｃｅｎｔｅｄ

Ｋａｌｍａｎｆｉｌｔｅｒｉｎｇｗａｓａｐｐｌｉｅｄｔｏｔｈｅｄｅｓｉｇｎｏｆｎｏｎｌｉｎｅａｒｆｉｌｔｅｒｉｎａｃｃｏｒｄａｎｃｅｗｉｔｈｔｈｅｄｉｓｃｒｅｔｅｍｏｄｅｌ，ｗｈｉｃｈｗａｓ

ｔｒａｎｓｆｏｒｍｅｄｂｙｔｈｅｄｉｆｆｅｒｅｎｃｅｍｅｔｈｏｄ．ＵＫＦｗａｓａｐｐｌｉｅｄｔｏｔｈｅｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎｏｆｔｈｅａｒｒｉｖａｌｃｏｓｔ．Ｒｅｆｅｒｒｉｎｇｔｏｔｈｅｄｙ⁃

ｎａｍｉｃｍｏｄｅｌｏｆａｓｈｉｐ，ｎｏｎ⁃ｓｗｉｔｃｈｉｎｇａｎａｌｙｔｉｃＭＰＣｗａｓａｐｐｌｉｅｄｔｏｄｅｓｉｇｎＤＰｎｏｎｌｉｎｅａｒｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒｏｆｔｈｅｍａｒｉｎｅ

ＤＰ．ＴｈｅｐｒｏｐｏｓｅｄｍｅｔｈｏｄｗａｓａｐｐｌｉｅｄｔｏｔｈｅｄｅｓｉｇｎｏｆａｓｕｐｐｌｙｍａｒｉｎｅＤＰｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ．Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｒｅｓｕｌｔｓｓｈｏｗｔｈｅ

ｅｆｆｅｃｔｉｖｅｎｅｓｓｏｆｔｈｅｄｅｓｉｇｎｅｄＤＰｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ．

Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｄｙｎａｍｉｃｐｏｓｉｔｉｏｎｉｎｇ；ｕｎｓｃｅｎｔｅｄＫａｌｍａｎｆｉｌｔｅｒｉｎｇ；ｍｏｖｉｎｇｈｏｒｉｚｏｎｅｓｔｉｍａｔｉｏｎ；ａｒｒｉｖａｌｃｏｓｔ；ｎｏｎｌｉｎｅａｒ

ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ

ꢀ ꢀ 动力定位（ｄｙｎａｍｉｃｐｏｓｉｔｉｏｎｉｎｇ，ＤＰ）船舶是一种

重要的海洋工程船舶，可应用于管道铺设、援潜救生

等多种工程作业中^［１］。船舶在定位过程中受外界扰

动的影响，选择适当的滤波方法，将其与控制方法相

结合用于控制器设计有着重要的意义。船舶ＤＰ系

统的滤波问题，通常采用扩展卡尔曼滤波^［２］（ｅｘｔｅｎｄｅｄ

Ｋａｌｍａｎｆｉｌｔｅｒｉｎｇ，ＥＫＦ）方法来解决，该方法采用线性

化模型进行滤波，但线性化可能带来误差过大和计算

困难等问题。文献［３］采用粒子滤波（ｐａｒｔｉｃｌｅｆｉｌｔｅ⁃

ｒｉｎｇ，ＰＦ）方法估计船舶的状态，该方法无需对模型进

行线性化，但存在样本退化和对量测模型要求较高等

问题。文献［４］中给出了一种基于ＵＫＦ的滚动时域

估计（ｍｏｖｉｎｇｈｏｒｉｚｏｎｅｓｔｉｍａｔｉｏｎ，ＭＨＥ）方法，该方法通

过无迹卡尔曼滤波（ｕｎｓｃｅｎｔｅｄＫａｌｍａｎｆｉｌｔｅｒｉｎｇ，ＵＫＦ）

计算到达代价，将状态估计问题转化为有限时域优化

问题，利用在线滚动优化使得估计问题得到动态满

足

^［５］。该方法采用确定性采样方法，避免了样本退

化，并且具有无需线性化的特点，能够避免线性化带

来的误差过大和计算困难等问题。

船舶的动力学特性具有明显的非线性特征，为了

解决船舶ＤＰ控制问题，科研人员将非线性预测控制

方法引入到船舶ＤＰ控制系统中，例如基于支持向量

机的模型预测控制^［６］和切换解析模型预测控制^［７］

（ｓｗｉｔｃｈａｎａｌｙｔｉｃｍｏｄｅｌｐｒｅｄｉｃｔｉｖｅｃｏｎｔｒｏｌ，ＳＡＭＰＣ）等。

ＳＡＭＰＣ具有模型预测控制的特点，并吸取了反馈线

－

－－

网络出版日期：２０１６０８２９．

收稿日期：２０１５０６１２．

基金项目：国家自然科学基金项目（６１３７４１５１）；湖北省自然科学基金

项目（２０１３ＣＦＢ３３５）．

－

作者简介：苏义鑫（１９６５），男，教授，博士生导师；

－

赵俊（１９８２），男，博士研究生．

万方数据

－

通信作者：赵俊，Ｅｍａｉｌ：ｚｈａｏ＿ｊｕｎ＠ｗｈｕｔ．ｅｄｕ．ｃｎ．

·１３８２·

哈ꢀ 尔ꢀ 滨ꢀ 工ꢀ 程ꢀ 大ꢀ 学ꢀ 学ꢀ 报ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ 第３７卷

性化的优点，但是运用该方法设计的控制器需要在不

同状态间切换，可能引起系统振荡。张国银等^［８］在前

人的工作基础上提出了基于相关度的非切换解析模

型预测控制算法（ｎｏｎ⁃ｓｗｉｔｃｈａｎａｌｙｔｉｃｍｏｄｅｌｐｒｅｄｉｃｔｉｖｅ

ｃｏｎｔｒｏｌ，ＮＳＡＭＰＣ），避免了控制器在不同状态间切

换。王元慧等^［９］采用该算法设计动力定位非线性控

制器，取得了较好的控制效果。

ｄ

τ_Ｘ

ｍ_１１

ｄ_２２

ì_·

＝－

＋

ｕ

^１１ｕ

ｍ_１１

ｍ_２３

ｄ

τ_Ｙ

ｍ_２２

τ_Ｎ

ï_·

－

＋

（７）

ｖ

ｒ

ｖ

^２３ｒ

ｍ_２２

ｍ_３２

ｍ_２２

ｄ_３２

ｍ_２２

ｄ

ｒ

ｖ

^３３ｒ

ï^·

－

ｍ_３３

将系统写成如下的规范形式：

鉴于基于ＵＫＦ的ＭＨＥ与ＮＳＡＭＰＣ的特点，本

文将二者相结合，提出一种船舶ＤＰ非线性控制器

设计方法。对承受外界扰动的某供应船，采用本文

所提出的方法设计ＤＰ非线性控制器，并进行仿真

验证。

ｘ

＝

＋

ｆ（ｘ）ｇ（ｘ）ｕ

（８）

{

＝

ｙ

ｈ（ｘ）

式中：ｘ ∈ Ｒ^ｎ为系统的状态向量；ｕ ∈ Ｒ^ｌ为系统的

ｍ

＝

控制输入；ｙ ∈ Ｒ为系统输出；本文取ｎ６，ｌ３，

＝

ｍ

３。

Ｔ

＝

［ｘ，ｙ，ψ，ｕ，ｖ，ｒ］

ｘ

［ｘ_１，ｘ_２，ｘ_３，ｘ_４，ｘ_５，ｘ_６］

１ꢀ 动力定位船舶运动模型

（９）

对于水面ＤＰ船舶，只考虑纵荡、横荡和艏摇这

三个水平面上的自由度的运动。假设船舶运动模型

的惯性矩阵Ｍ_１和阻尼矩阵Ｄ为已知，并且为定常

矩阵，船舶做低速运动，可以忽略二阶项，得到三自

－

ｘ_４ｃｏｓｘ_３ｘ_５ｓｉｎｘ_３

＋

ｘ_４ｓｉｎｘ_３ｘ_５ｃｏｓｘ_３

ｘ_６

＝

ｆ（ｘ）

（１０）

由度船舶动力学模型^［９］

：

ａ_１１ｘ_４

＝

Ｒ（ψ）ν

＋

ｃ_１１ｘ_６ａ_２１ｘ_５ａ_２２ｘ_６

（１）

{

＋

＝

Ｍ_１ν Ｄν

＋

ｃ_２２ｘ_５ａ_３１ｘ_５ａ_３２ｘ_６

式中： η

［ｘ，ｙ，ψ］^Ｔ为北东坐标系下船舶的位置和

艏向角度向量； ν ［ｕ，ｖ，ｒ］^Ｔ为随船坐标系下船舶的

＝

ｇ（ｘ）［ｇ_１（ｘ），ｇ_２（ｘ），ｇ_３（ｘ）］

＝

Ｔ

０

ｂ_１１

０

ｂ_２２

０

纵荡、横荡和艏摇角速度向量；Ｒ（ψ）为北东坐标系

０

（１１）

（１２）

＝

和随船坐标之间的转换矩阵； τ

［τ_Ｘ，τ_Ｙ，τ_Ｎ］^Ｔ代表

０

ｂ_３３

控制向量，由推进器在纵荡、横荡和艏摇三个方向上

Ｔ

＝

［τ_Ｘ，τ_Ｙ，τ_Ｎ］

ｕ

［ｕ_１，ｕ_２，ｕ_３］

产生的力和力矩组成；Ｍ_１是惯性矩阵，满足正定要求

Ｔ

＝

ｙ

［ｙ_１，ｙ_２，ｙ_３］

（１３）

＝

Ｍ_１

Ｍ_１^Ｔ＞０；Ｄ是水动力阻尼矩阵，严格正定。本

Ｔ

＝

［ｘ，ｙ，ψ］

ｈ（ｘ）［ｈ_１（ｘ），ｈ_２（ｘ），ｈ_３（ｘ）］

文中所有关于时间ｔ的函数在不产生歧义的情况下

简写为函数名，例如，ｘ（ｔ）简写为ｘ。矩阵定义：

（１４）

ｄ

ｄ_３２

，

－

ｃｏｓ ψ

ｓｉｎ ψ

０

ｓｉｎ ψ

０

１

＝－

式中：ａ_１１

^１１，ａ_２１

ｍ_１１

^２２，ａ_２２

ｍ_２２

^２３，ａ_３１

ｍ_２２

＝

ｍ_３３

Ｒ（ψ）

ｃｏｓ ψ

（２）

０

ｄ_３３

１

＝－

＝

ａ_３２

，ｂ_１１

，ｂ_２２

，ｂ_３３

，ｃ_１１

ｄ

０

ｍ_３３

ｍ_１１

ｍ_２２

ｍ_３３

１１

ｍ

ｍ_３２

０

ｄ_２２

ｄ

＝

_２３ú

Ｄ

（３）

^２３，ｃ_２２

ｍ_２２

。

－

＝－

ｍ_３３

考虑系统扰动和测量噪声对船舶的影响：

０

ｄ_３２ｄ_３３

ｍ

０

１１

＝

＋

ｘ

ｆ（ｘ）ｇ（ｘ）ｕ

０

ｍ_２２

ｍ

＝

_２３ú

Ｍ_１

（４）

（１５）

{

＋

ｚ

ｈ（ｘ）

ｍ_３２ｍ_３３

＝

式中：ｚ

［ｚ_１，ｚ_２，ｚ_３］^Ｔ为测量输出， ω

ꢀ ꢀ 为了便于控制器设计，根据式（２）～（４），将式

［ω_１，ω_２，ω_３］^Ｔ为零均值系统扰动向量， υ 为零均值

（１）转换为微分方程组形式：

测量噪声向量。

＝

－

ｕｃｏｓ ψ ｖｓｉｎ ψ

ｘ

ï_·

＝

＋

ｙ

ｕｓｉｎ ψ ｖｃｏｓ ψ

（５）

（６）

２动力定位控制器设计

ï^·

＝

ｒ

在外界环境中存在着各种扰动，选择适当的滤

波方法，能够减少不必要的操作、节能减排和延长设

备使用寿命。选用适当的滤波方法设计滤波器，是

ＤＰ控制系统设计中所需解决的重要问题。基于

＝

ｙ

ｘ

１

２

３

ｙ

万方数据

ｙ

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