动力定位船舶纵向运动的反步法控制器设计*

张晓兰 王钦若 时丽丽

（广东工业大学自动化学院）

1 引言

随着人类向深海进军，动力定位系统越来越广泛地应用于海上作业船舶、海上平台、水下潜器和军用舰船。它一般由位置测量系统、控制系统、推力系统三部分构成[1]。位置测量系统测量当前船位；控制器根据测量船位与期望值的偏差，计算出抗拒环境干扰力，使船舶恢复到期望位置所需的推力；推力系统进行能量管理并对各推力器的推力进行分配，推力器产生的推力使船舶在风流浪的干扰下保持设定的航向和船位。动力定位系统的核心是控制技术，它标志着动力定位系统的发展水平。

反步法基本思想是将复杂的非线性系统分解成不超过系统阶数的子系统，然后为每个子系统设计部分李雅普诺夫函数(简称V函数)和中间虚拟控制量，一直“后退”到整个系统，将它们集成起来完成整个控制律的设计[2]。它在每一步把状态坐标的变化、不确定参数的自适应调节函数和一个已知 V函数的虚拟控制系统的镇定函数等联系起来，通过逐步修正设定轨迹与实际轨迹之间的偏差，实现系统的全局调节或跟踪，使系统达到期望的性能指标[3]。反步法中引进的虚拟控制本质上是一种静态补偿的思想，前面子系统必须通过后面子系统的虚拟控制才能达到镇定控制的目的。在反步法设计中，最关键的是构造合理的虚拟控制器，消除不确定性的影响。

2 船舶的低频运动模型

在建立船舶数学模型时，分别建立两个坐标系：大地坐标系和随船坐标系。……