考虑迟滞输入的船舶异步自触发动力定位控制

Guoqing ZHANG, Mingqi YAO, Qihe SHAN & Weidong ZHANG. Observer-based asynchronous self-triggered control for a dynamic positioning ship with the hysteresis input. Sci China Inf Sci, DOI: 10.1007/s11432-021-3496-6

研究意义

随着海洋工程领域对自动控制系统要求的不断提高，更先进的动力定位（dynamic positioning, DP）系统引起了广泛的关注。它在钻井平台、海底电缆和管道敷设、浮式生产卸载和存储单元（FPSOs）、石油和天然气行业等方面发挥着关键作用。

在实际应用中，有限的通信带宽很难适应控制器和推进器之间控制信号的连续传输，这可能会影响控制系统的稳定性，甚至导致一些传统的理论算法失效。

此外，在物理机械驱动装置中，迟滞特性是普遍存在的，特别是对于稳定在预定位置的DP船。

因此，考虑有限的通信带宽和执行器迟滞特性的船舶动力定位控制研究在海洋工业中具有重要的理论和现实意义。

本文工作

面向有限通信带宽和执行器迟滞特性，本文提出了一种船舶自适应异步自触发动力定位控制算法。

首先采用神经网络观测器对船舶状态进行在线估计，同时引入动态面控制技术（DSC）解决“复杂度爆炸”问题。

然后，设计了一种异步自触发机制，以实现控制信号的非周期间歇式传输。

在此基础上，通过构造自适应参数补偿了执行器的迟滞非线性。

不同于传统的船舶动力定位控制方案，本文算法考虑了物理驱动过程，以推力器螺距比作为实际控制输入，更加符合工程实际。该算法具有易于实现、速度可观测、通信负担小等优点。

本文的创新点如下：

（1）针对通信带宽约束，设计了一种新颖的异步自触发机制，即对于每个推进器的控制信号都设计了一个子自触发机制，其相互独立的，不相互影响，从而实现了控制信号在控制器-推进器信道中的非周期间歇式传输。下一采样时刻能够根据当前时刻的相关信息进行计算获得。与传统的事件触发控制方案不同，本文所提出的异步自触发控制方案不需要对触发条件进行连续监控，更加易于工程实现。

（2）实际工程中不可获得的速度可以由所设计的神经网络状态观测器进行估计。同时，考虑了物理驱动装置中普遍存在的迟滞特性，采用自适应技术对迟滞非线性进行在线补偿。相比于传统的构造迟滞逆函数方法，该方法极大程度上简化了稳定性分析过程，降低了计算负载。

实验结果

本文所提出的控制方案在MATLAB平台上进行了实验验证。采用NORSOK风谱和JONSWAP浪谱对海洋环境扰动进行模拟。以配备两个主推进器、三个隧道式推进器和一个全回转推进器的动力定位船舶为实验对象，并将获得的实验结果与引入迟滞特性的传统动力定位控制算法进行比较。

船舶姿态变化曲线和船舶控制输入曲线如图5和6所示，从图中可以看出，所提出的控制算法具有更加优越的系统稳定性。引入平均绝对误差(MAE)，平均绝对控制输入(MAI)，平均总变差(MTV)三个性能指标对本算法进行评价。MAE、MAI、MTV分别用于描述系统响应性能、系统能耗以及平滑性。

对比结果如表2所示，从表中结果可以看出，虽然本文算法对于 ψ_e 的MAE指标和对于 τ_r 的MAI指标略大于对比算法，但从整体性能结果上来看，本文控制算法显然更具优势。

此外，引入触发次数(TC)、最大触发时刻间隔(TTImax)、最小触发时刻间隔(TTImin)三个性能指标，定量分析本算法在节约通信资源方面的优越性。分析结果如表3所示。

具有迟滞非线性的控制输入曲线如图9所示。图9中的下面两个子图反映了No.6推进器的迟滞输入、自触发输入和实际输入之间的关系。

Nos.1-5推力器的迟滞和自触发输入曲线演化情况与No.6推力器相似，为提高清晰度和可读性，在图中省略了这些曲线。

图中全回转推进器的方位角输入出现跳变情况，其虽看似不合理，实则不然。实际上，全回转推进器方位角的作用范围为 (−180°,180°]，因此，方位角变化曲线实际上是平滑的。

实验结果表明，本文算法能够显著降低控制信号的传输次数，极大程度上节约了通信资源。同时，对于执行器固有的迟滞特性具有显著的补偿效果，且具有高精度、稳定性强、低通信负载、易于工程实现等优点。

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