專利名稱：自適應干擾補償的動態面挖泥船動力定位控制系統及其方法
技術領域：
本發明涉及的是一種船舶工程技術領域的控制系統，具體是一種自適應干擾補償的動態面挖泥船動力定位控制系統及其方法。
背景技術：
在挖泥船疏浚作業過程中，為了實現對疏浚港口或河道的連續作業，需要對挖泥機構的挖泥位置進行定位，從而要求對挖泥船進行定位控制或循跡控制。定位的要求利于挖泥船進行連續疏浚作業，同時盡量少地占用被疏浚港口或河道的空間，減少對港口運行的影響。因此動力定位系統是先進挖泥船的必備系統。由于挖泥操作干擾較大，單純負反饋的動力定位系統無法穩定。為了解決挖泥強干擾對動力定位系統的影響，常規做法是在動力定位控制系統的基礎上加裝挖泥力與力矩傳感器做前饋補償，解決挖泥操作中的強干擾造成的定位不穩，但是額外加裝的力與力矩傳感器，增加了系統的成本與復雜度。經過對現有技術文獻的檢索，中國專利公開號CN1121607A，專利名為船舶動力定位的神經網絡控制系統及其方法，描述了船舶動力定位的神經網絡控制系統及其方法， 該系統采用“引導模擬退火方法”的神經網絡數據訓練方法，但并沒有針對挖泥船的強干擾給出解決方法，因此對于挖泥船這樣的具有強反作用干擾的船只，傳統動力定位控制系統不能滿足挖泥船動力定位控制的要求。
發明內容
本發明針對現有技術存在的上述不足，提供一種自適應干擾補償的動態面挖泥船動力定位控制系統及其方法，能自適應估算挖泥干擾的變化并進行補償，從而解決挖泥強干擾對動力定位系統的影響，解決挖泥船動力定位的特殊要求。本發明是通過以下技術方案實現的本發明涉及一種自適應干擾補償的動態面挖泥船動力定位控制系統，包括計算機、現場總線網絡、測位系統、執行機構、非線性觀測器、自適應率模塊和控制器，其中計算機、測位系統、執行機構通過總線網絡連接，計算機分別通過實時讀取測位系統的位置信息并通過計算機內的非線性觀測器得到低頻的位置信息和船舶的速度信息，控制器根據非線性觀測器的信息計算干擾的自適應值進行前饋補償，控制器計算出執行機構應該執行的輸出信號并通過總線傳輸給執行機構，執行機構執行計算機的指令產生推力和力矩。所述的測位系統為衛星定位系統或水聲定位系統。所述的現場總線網絡是由計算機、執行機構等組成的工業以太網絡。所述的執行機構是由一套全回轉螺旋槳或三個以上分布在同一平面上的推進器組成。所述的非線性觀測器能夠觀測得出船舶的低頻位置信息和速度信息。
所述的控制器是依據動態面控制的設計方法設計的控制器，根據給定位置信息與當前位置信息，計算執行機構應該執行的力與力矩，使船舶保持穩定位置。所述的自適應率模塊在線估計實時的挖泥干擾和環境干擾。本發明涉及上述系統的控制方法，包括以下步驟第一步、利用DGPS或水聲定位儀以及電羅經測出船舶的縱蕩、橫蕩、艏搖信息；第二步、將第一步得到的信號經過帶有陷波器的觀測器消除高頻成分后，得到船舶的速度信號和低于波浪頻率的位置信號，將這兩類信號送到控制器；第三步、控制器中包含具有干擾自適應的動態面控制算法，根據自適應動態面控制規則及自適應控制調節參數，計算干擾的自適應值和控制量。第四步、控制器所產生的執行指令經總線網絡輸出給執行機構。第五步、執行機構按指令執行，將船舶移動到指定位置。考慮到船體受到挖泥反作用力與變化的環境作用力，利用自適應控制來提高控制的性能。常規上來說，當船體受到強挖泥反作用力和力矩，會使船舶位置發生偏移。在人工控制下，可以依據偏移量調整推力器的輸出，使其恢復到原來的位置。而自適應控制根據自適應率模塊實時估算干擾的力與力矩值，根據估算的干擾實時進行補償，從而能較好抵消挖泥反作用干擾對船體的作用，使船體以最小的誤差和沖擊接近指定位置，降低能耗，提高挖泥船的定位精度。本發明不需要在挖泥船的挖泥機構上額外加裝傳感器，采用算法的自適應率模塊估算外部干擾并進行實時補償，能較好的前饋抵消挖泥干擾或環境干擾，以最小的誤差與沖擊接近指定位置，故能提高動力定位精度。本發明由于無需加裝額外干擾傳感器，因而避免由傳感器帶來的控制系統不穩定和成本增加。
圖1是本發明的結構示意圖。
具體實施例方式下面對本發明的實施例作詳細說明，本實施例在以本發明技術方案為前提下進行實施，給出了詳細的實施方式和具體的操作過程，但本發明的保護范圍不限于下述的實施例。如圖1所示，本發明包括計算機1、現場總線網絡2、測位系統3、執行機構4、非線性觀測器5、控制器6、自適應率模塊7，計算機1、測位系統3、執行機構4通過總線網絡連接，計算機1通過實時讀取測位系統3的位置信息，通過計算機1內的非線性觀測器5得到低頻的位置信息和船舶的速度信息，控制器6根據非線性觀測器5的信息計算干擾的自適應值進行前饋補償，控制器6計算出執行機構4應該執行的輸出信號，通過總線2傳輸給執行機構4，執行機構4執行計算機1的指令產生推力和力矩。所述的測位系統為衛星定位系統或水聲定位系統。所述的現場總線網絡2是由計算機、執行機構等組成的工業以太網絡。所述的執行機構4是由一套全回轉螺旋槳或三個以上分布在同一平面上的推進器組成。
所述的非線性觀測器5能夠觀測得出船舶的低頻位置信息和速度信息。所述的控制器6是依據動態面控制的設計方法設計的控制器，根據給定位置信息與當前位置信息，計算執行機構應該執行的力與力矩，使船舶保持穩定位置。所述的自適應率模塊7在線估計實時的挖泥干擾和環境干擾。本系統控制方法，包括以下步驟第一步、利用DGPS或水聲定位儀以及電羅經測出船舶的縱蕩、橫蕩、艏搖信息；第二步、將第一步得到的信號經過帶有陷波器的觀測器消除高頻成分后，得到船舶的速度信號和低于波浪頻率的位置信號，將這兩類信號送到控制器；第三步、控制器中包含具有干擾自適應的動態面控制算法，根據自適應動態面控制規則及自適應控制調節參數，計算干擾的自適應值和控制量。第四步、控制器所產生的執行指令經總線網絡輸出給執行機構。第五步、執行機構按指令執行，將船舶移動到指定位置。
權利要求
1.一種自適應干擾補償的動態面挖泥船動力定位控制系統，其特征在于，包括計算機、現場總線網絡、測位系統、執行機構、非線性觀測器、自適應率模塊和控制器，其中計算機、測位系統、執行機構通過總線網絡連接，計算機分別通過實時讀取測位系統的位置信息并通過計算機內的非線性觀測器得到低頻的位置信息和船舶的速度信息，控制器根據非線性觀測器的信息計算干擾的自適應值進行前饋補償，控制器計算出執行機構應該執行的輸出信號并通過總線傳輸給執行機構，執行機構執行計算機的指令產生推力和力矩。
2.根據權利要求1所述的自適應干擾補償的動態面挖泥船動力定位控制系統，其特征是，所述的測位系統為衛星定位系統或水聲定位系統。
3.根據權利要求1所述的自適應干擾補償的動態面挖泥船動力定位控制系統，其特征是，所述的現場總線網絡是由計算機、執行機構等組成的工業以太網絡。
4.根據權利要求1所述的自適應干擾補償的動態面挖泥船動力定位控制系統，其特征是，所述的執行機構是由一套全回轉螺旋槳或三個以上分布在同一平面上的推進器組成。
5.根據權利要求1所述的自適應干擾補償的動態面挖泥船動力定位控制系統，其特征是，所述的非線性觀測器能夠觀測得出船舶的低頻位置信息和速度信息。
6.根據權利要求1所述的自適應干擾補償的動態面挖泥船動力定位控制系統，其特征是，所述的控制器是依據動態面控制的設計方法設計的控制器，根據給定位置信息與當前位置信息，計算執行機構應該執行的力與力矩，使船舶保持穩定位置。
7.根據權利要求1所述的自適應干擾補償的動態面挖泥船動力定位控制系統，其特征是，所述的自適應率模塊在線估計實時的挖泥干擾和環境干擾。
8.一種根據上述任一權利要求所述系統的控制方法，其特征在于，包括以下步驟第一步、利用DGPS或水聲定位儀以及電羅經測出船舶的縱蕩、橫蕩、艏搖信息；第二步、將第一步得到的信號經過帶有陷波器的觀測器消除高頻成分后，得到船舶的速度信號和低于波浪頻率的位置信號，將這兩類信號送到控制器；第三步、控制器中包含具有干擾自適應的動態面控制算法，根據自適應動態面控制規則及自適應控制調節參數，計算干擾的自適應值和控制量；第四步、控制器所產生的執行指令經總線網絡輸出給執行機構；第五步、執行機構按指令執行，將船舶移動到指定位置。
全文摘要
一種船舶工程技術領域的自適應干擾補償的動態面挖泥船動力定位控制系統及其方法，該系統包括計算機、現場總線網絡、測位系統、執行機構、非線性觀測器、自適應率模塊和控制器，計算機、測位系統、執行機構通過總線網絡連接，計算機分別通過實時讀取測位系統的位置信息并通過計算機內的非線性觀測器得到低頻的位置信息和船舶的速度信息，控制器根據非線性觀測器的信息計算干擾的自適應值進行前饋補償，控制器計算出執行機構應該執行的輸出信號并通過總線傳輸給執行機構，執行機構執行計算機的指令產生推力和力矩。本發明能自適應估算挖泥干擾的變化并進行補償，從而解決挖泥強干擾對動力定位系統的影響，解決挖泥船動力定位的特殊要求。
文檔編號G05D3/00GK102176168SQ201110080330
公開日2011年9月7日 申請日期2011年3月31日 優先權日2011年3月31日
發明者喬樹通, 姜建國, 張宇華, 楊興武, 蔣燕君 申請人:上海交通大學