一種基于模型預(yù)測控制的松弛動力定位控制系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種基于模型預(yù)測控制的松弛動力定位控制系統(tǒng)，包括：傳感器模塊、擴展卡爾曼濾波器、海圖計算單元、環(huán)境干擾補償器、控制器、船舶動力裝置。傳感器模塊包括位置參考系統(tǒng)和羅經(jīng)，將北東坐標信息x、y和航向信息ψ傳給擴展卡爾曼濾波器；擴展卡爾曼濾波器估計出系統(tǒng)的狀態(tài)估計信息，海圖計算單元將產(chǎn)生狀態(tài)期望信息，環(huán)境干擾補償器得到環(huán)境干擾力傳送給控制器，控制器包括優(yōu)化器和非線性模型預(yù)測控制器，優(yōu)化器產(chǎn)生最優(yōu)初始控制值傳送給非線性模型預(yù)測器，非線性模型預(yù)測器產(chǎn)生控制指令傳送給船舶動力裝置。本發(fā)明產(chǎn)生的控制信號是緩慢變化的，從能量角度來看是最優(yōu)的，有效的減少能耗和推進裝置的磨損。
【專利說明】一種基于模型預(yù)測控制的松弛動力定位控制系統(tǒng)【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于船舶運動控制領(lǐng)域，尤其涉及船舶動力定位的一種基于模型預(yù)測控制的松弛動力定位控制系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著技術(shù)的發(fā)展，人們的活動范圍也逐漸從沿岸和近海擴展到深遠海海域。各項海洋工程都需要裝有動力定位的船舶保障和支持。動力定位系統(tǒng)是一種由傳感器系統(tǒng)(位置參考系統(tǒng)、風(fēng)傳感器等)、推進裝置、動力裝置和控制器等組成的閉環(huán)反饋控制系統(tǒng)，如附圖1所示。動力定位系統(tǒng)采用推力器來提供抵抗風(fēng)、浪、流等作用在船上的環(huán)境力，從而使船盡可能地保持在海平面上要求的位置上。其定位成本不會隨著水深增加而增加，并且操作也比較方便，因此動力定位技術(shù)成為深海開發(fā)的關(guān)鍵技術(shù)之一，廣泛應(yīng)用于海洋鉆井船、平臺支持船、潛水器支持船、管道和電纜敷設(shè)船、科學(xué)考察船、深海救生船等船舶上。根據(jù)動力定位作業(yè)所需定位精度不同，船舶動力定位系統(tǒng)一般包括高精度定位模式和松弛定位模式。
[0003]隨著海上油氣資源的開發(fā)不斷向深海拓展，傳統(tǒng)的錨泊定位方式正逐漸被動力定位所取代，依靠海洋結(jié)構(gòu)物的自身動力進行定位已經(jīng)成為深海油氣生產(chǎn)設(shè)施的主要選擇。船舶在進行不同的動力定位作業(yè)時，對動力定位系統(tǒng)的定位精度要求也不一樣。在某些海上作業(yè)中，對動力定位系統(tǒng)的定位精度要求比較松弛，允許船舶定位在某一范圍內(nèi)，而不是精確的某點上。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明的目的是提供具有高控制性能的一種基于模型預(yù)測控制的松弛動力定位控制系統(tǒng)。
[0005]本發(fā)明是通過以下技術(shù)方案實現(xiàn)的:
[0006]一種基于模型預(yù)測控制的松弛動力定位控制系統(tǒng)，包括傳感器模塊、擴展卡爾曼濾波器、海圖計算單元、環(huán)境干擾補償器、控制器、船舶動力裝置；
[0007]傳感器模塊包括位置參考系統(tǒng)和羅經(jīng)，位置參考系統(tǒng)采集船舶實際位置經(jīng)緯度轉(zhuǎn)化為北東坐標系信息x、y后傳送給擴展卡爾曼濾波器，羅經(jīng)采集航向信息Ψ傳送給擴展卡爾曼濾波器；
[0008]擴展卡爾曼濾波器根據(jù)接收的北東坐標信息X、y和航向信息Ψ估計出的狀態(tài)估計信息，狀態(tài)估計信息包括:北向坐標估計值1、東向坐標估計值夕、航向角估計值^縱向
速度估計值?、橫向速度估計值?、轉(zhuǎn)首角速度估計值f、動力定位流流速估計值^和動力
定位流流向估計值.將狀態(tài)估計信息分別傳送給海圖計算單元、環(huán)境干擾補償器和控制器； [0009]海圖計算單元根據(jù)接收的北向坐標估計值1、東向坐標估計值f、航向角估計值V和控制臺人機界面輸入的指令，產(chǎn)生動態(tài)的北向坐標期望值Xd、東向坐標期望值yd、航向角期望值Vd，傳送給控制器；
[0010]環(huán)境干擾補償器根據(jù)接收的狀態(tài)估計信息，使用歷史控制信息，得到環(huán)境干擾力?以緩慢變化的形式傳送給控制器；
[0011]控制器包括優(yōu)化器和非線性模型預(yù)測控制器，優(yōu)化器產(chǎn)生最優(yōu)初始控制值傳送給非線性模型預(yù)測器，非線性模型預(yù)測器產(chǎn)生控制指令傳送給船舶動力裝置。
[0012]本發(fā)明一種基于模型預(yù)測控制的松弛動力定位控制系統(tǒng)還可以包括:
[0013]1、優(yōu)化器采用線性二次最優(yōu)控制，
[0014]船舶的數(shù)學(xué)模型為:
【權(quán)利要求】
1.一種基于模型預(yù)測控制的松弛動力定位控制系統(tǒng)，其特征在于:包括傳感器模塊、擴展卡爾曼濾波器、海圖計算單元、環(huán)境干擾補償器、控制器、船舶動力裝置； 傳感器模塊包括位置參考系統(tǒng)和羅經(jīng)，位置參考系統(tǒng)采集船舶實際位置經(jīng)緯度轉(zhuǎn)化為北東坐標系信息x、y后傳送給擴展卡爾曼濾波器，羅經(jīng)采集航向信息ψ傳送給擴展卡爾曼濾波器；擴展卡爾曼濾波器根據(jù)接收的北東坐標信息χ、y和航向信息Ψ估計出的狀態(tài)估計信息，狀態(tài)估計信息包括:北向坐標估計值東向坐標估計值> 骯向角估計值W縱向速度估計值《2、橫向速度估計值?、轉(zhuǎn)首角速度估計值f、動力定位流流速估計值和動力定位流流向估計值，將狀態(tài)估計信息分別傳送給海圖計算單元、環(huán)境干擾補償器和控制器； 海圖計算單元根據(jù)接收的北向坐標估計值1、東向坐標估計值3>、航向角估計值夕和控制臺人機界面輸入的指令，產(chǎn)生動態(tài)的北向坐標期望值xd、東向坐標期望值yd、航向角期望值Vd，傳送給控制器； 環(huán)境干擾補償器根據(jù)接收的狀態(tài)估計信息，使用歷史控制信息，得到環(huán)境干擾力6以緩慢變化的形式傳送給控制器； 控制器包括優(yōu)化器和非線性模型預(yù)測控制器，優(yōu)化器產(chǎn)生最優(yōu)初始控制值傳送給非線性模型預(yù)測器，非線性模型預(yù)測器產(chǎn)生控制指令傳送給船舶動力裝置。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于模型預(yù)測控制的松弛動力定位控制系統(tǒng)，其特征在于: 所述的優(yōu)化器采用線性二次最優(yōu)控制， 船舶的數(shù)學(xué)模型為:
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種基于模型預(yù)測控制的松弛動力定位控制系統(tǒng)，其特征在于:所述的非線性模型預(yù)測控制器為:
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種基于模型預(yù)測控制的松弛動力定位控制系統(tǒng)，其特征在于:所述的環(huán)境干擾補償器為:
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的一種基于模型預(yù)測控制的松弛動力定位控制系統(tǒng)，其特征在于:所述的擴展卡爾曼濾波器的擴展狀態(tài)為χ = [χ y Ψ u V r Uc ΨJt，擴展后的系統(tǒng)狀態(tài)方程為:
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的一種基于模型預(yù)測控制的松弛動力定位控制系統(tǒng)，其特征在于:所述的優(yōu)化器的最優(yōu)性能指標為:
【文檔編號】G05D1/02GK103970021SQ201410216174
【公開日】2014年8月6日 申請日期:2014年5月21日 優(yōu)先權(quán)日:2014年5月21日
【發(fā)明者】夏國清, 劉菊, 陳興華, 劉建旭, 李娟 , 劉向波 申請人:哈爾濱工程大學(xué)