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【发明授权】一种抗水动力干扰的船舶动力定位鲁棒H∞控制方法_哈尔滨理工大学_202210621008.4 

申请/专利权人:哈尔滨理工大学

申请日:2022-06-02

公开(公告)日:2022-12-02

公开(公告)号:CN114879481B

主分类号:G05B11/42

分类号:G05B11/42

优先权:

专利状态码:有效-授权

法律状态:2022.12.02#授权;2022.08.26#实质审查的生效;2022.08.09#公开

摘要:针对具有复杂水动力参数和非线性特性的船舶动力定位系统,本发明公开了一种鲁棒H∞抗干扰控制方法,具体包括以下步骤:建立动力定位船舶的三自由度动力学模型和运动学模型;将建立的数学模型转化为鲁棒H∞控制问题;构建存储函数使其满足耗散不等式;通过给出含有不确定性的非线性系统具有鲁棒H∞性能的充分条件,得到闭环系统具有局部鲁棒干扰抑制性能的状态反馈控制率。本发明通过设计非线性状态反馈控制率克服了系统固有的非线性特性,解决了动力定位系统中水动力参数复杂且难以整定的技术问题,提出的鲁棒H∞控制方法在保证控制稳定性的同时,还能有效地降低模型的复杂度和控制过程中的计算量。

主权项:1.一种抗水动力干扰的船舶动力定位鲁棒H∞控制方法,其特征在于,包括以下步骤:步骤1:建立动力定位船的三自由度动力学模型和运动学模型: 式中,η=x,y,ψT表示动力定位船舶在大地坐标系下的位置信息x,y和艏向角度信息ψ构成的向量,x,y分别表示动力定位船舶在大地坐标系下的横坐标和纵坐标,ν=μ,v,r表示动力定位船舶在船舶附体坐标下的纵荡速度μ、横荡速度v、和艏摇角速度r构成的向量,Rψ表示大地坐标系向船舶附体坐标系变换的旋转矩阵;步骤2:将建立的数学模型转化为鲁棒H∞控制问题做进一步研究,按照求解H∞控制问题的思路来对整体系统控制器进行求解; 式中,x=[ζηpv]T∈R12是由动力定位船的位置和速度矢量组成的状态向量,fx和hx式光滑函数向量,g1x和g2x是光滑的函数矩阵,Δf是一个光滑不确定的映射,u=τ∈R3为控制输入矢量,即推进器推力,矩阵A,B1,B2,C分别为动力定位船舶各子系统的系统矩阵,由系统数学模型可以得到,y∈R3表示量测输出即船舶总体的位置,ω=[wwwsea]T∈R6表示慢变环境干扰,wω∈R3×1是噪声干扰矢量,wsea是海洋环境干扰,kx是已知的光滑映射; C=[CωI3×303×3]式中,Aw∈R6×6,Eω∈R6×3,Cω∈R3×6分别表示船舶系统矩阵,水动力干扰矩阵及测量矩阵,具体形式如下所示: 式中,ζi是相对阻尼系数,ωp是海浪的峰值频率,k1,k2,k3是反映海况变化时影响船舶运动响应的参数;步骤3:通过引入一个不确定的随机变量,建立如下的非线性系统: y=hx5式中,状态向量x∈R12,ω∈Rv,y∈Rs分别为输入量和输出量,g是光滑函数矩阵,f,h是光滑映射,满足f0=0,h0=0,根据式4和5,定义一个扩展的非线性系统: 式中,ω'∈Rr+q,y'∈Rs+q,λx>0是一个给定的光滑尺度函数;步骤4:确定非线性系统具有鲁棒H∞性能的一个充分条件,设系统4和5对于任意Δfx∈Ω是零阶可观的,如果存在一个光滑的尺度函数λx>0使系统6和7的供给率是耗散的,那么存在一个非负定光滑函数Vx≥0,V0=0且: 因此, 步骤5:利用该条件,基于Hamilton-Jacobi不等式10,导出闭环系统具有局部鲁棒干扰抑制性能的状态反馈控制律,从而实现期望的系统性能要求; 给出鲁棒H∞控制问题的一个解: 结合式3和11最终所得到控制率αx为: 式中,M为船舶包含附加质量的惯性矩阵,Vx为Hamilton-Jacobi不等式的一个非负定光滑解。

全文数据:

权利要求:

百度查询: 哈尔滨理工大学 一种抗水动力干扰的船舶动力定位鲁棒H∞控制方法

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