1.一种动力定位船舶的抗干扰控制方法,其特征在于,包括:通过分析所述动力定位船舶的运动特性和动力特征,结合海洋风、浪和流的环境干扰,建立所述动力定位船舶的状态空间数学模型;
基于所述状态空间数学模型,设计干扰观测器,并利用所述干扰观测器,获取所述动力定位船舶的外部环境干扰预估量;
基于所述外部环境干扰预估量,设计抗干扰控制器,并基于所述抗干扰控制器、所述状态空间数学模型和所述外部环境干扰预估量,获取所述动力定位船舶的抗干扰控制闭环系统;
基于所述抗干扰控制闭环系统,对所述动力定位船舶进行基于干扰补偿的抗干扰控制。
2.根据权利要求1所述的方法,其特征在于,所述建立所述动力定位船舶的状态空间数学模型的步骤具体包括:通过分析所述动力定位船舶的运动特性,建立所述动力定位船舶的运动学模型,并通过分析所述动力定位船舶的动力特性,建立所述动力定位船舶的动力学模型;
利用一阶马尔科夫过程,模拟所述海洋风、浪和流的环境干扰的作用力,获取外部环境干扰模型;
基于所述运动学模型、所述动力学模型和所述外部环境干扰模型,获取所述状态空间数学模型。
3.根据权利要求2所述的方法,其特征在于:
所述建立所述动力定位船舶的运动学模型的步骤具体包括:基于所述动力定位船舶在大地坐标系下的位置信息和艏向角度信息,以及所述动力定位船舶在船舶附体坐标系下的纵荡速度、横荡速度和艏摇角速度,建立所述运动学模型如下:式中,η=[x,y,ψ]T表示所述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分别表示所述动力定位船舶在大地坐标系下的横坐标和纵坐标,υ=[u,v,r]表示所述动力定位船舶在船舶附体坐标系下的纵荡速度u、横荡速度v和艏摇角速度r构成的向量,R(ψ)表示所述大地坐标系向所述船舶附体坐标系变换的旋转矩阵;
所述建立所述动力定位船舶的动力学模型的步骤具体包括:若所述动力定位船舶沿所述大地坐标系的x轴,以小于预设阈值的速度匀速航行,则建立所述动力学模型如下:式中,Xk表示所述动力定位船舶在船舶附体坐标系下的参量k旋转变换至大地坐标系时沿X轴方向的水动力,k取为u或 Yl,Nl分别表示所述动力定位船舶在船舶附体坐标系下的参量l旋转变换至大地坐标系时沿Y轴和Z轴方向的水动力,其中l为v、r、或 m表示所述动力定位船舶的质量,IZ表示绕Z轴的惯性矩,ω1、ω2、ω3表示所述海洋风、浪和流的环境干扰作用于所述动力定位船舶船体上的等效时变作用力和力矩,τ1、τ2、τ3分别表示所述动力定位船舶的推进装置沿着纵荡方向、横荡方向和艏摇方向分别产生的纵荡力、横荡力和艏摇力矩,xG表示所述动力定位船舶的重心, 分别表示所述动力定位船舶在纵荡方向、横荡方向和艏摇方向上的加速度;
将所述动力学模型表示为矩阵形式如下:
其中,
式中,M为包含附加质量的惯性矩阵,D为线性阻尼矩阵。
4.根据权利要求3所述的方法,其特征在于:
所述获取外部环境干扰模型的步骤具体包括:基于所述等效时变作用力和力矩ω1、ω2和ω3构成的干扰向量ω(t)=[ω1,ω2,ω3]T,构建如下外部环境干扰模型:式中,T∈R3×3为时间常数正定对角矩阵,Ψ∈R3×3为高斯白噪声幅值正定对角矩阵,n∈R3为有界的零均值高斯白噪声向量;
所述获取所述状态空间数学模型的步骤具体包括:
基于所述运动学模型、所述动力学模型和所述外部环境干扰模型,获取所述状态空间数学模型如下:式中:
X(t)=[ηT υT], C=[I3×3 03×3],τ(t)=[τ1,τ2,τ3]T表示所述推进装置沿着纵荡方向、横荡方向和艏摇方向分别产生的纵荡力τ1、横荡力τ2和艏摇力矩τ3构成的补偿向量,X(t)表示所述状态空间数学模型的系统状态,A、B、E、C分别表示所述状态空间数学模型的系统矩阵、输入矩阵、干扰系数矩阵和输出矩阵。
5.根据权利要求4所述的方法,其特征在于,所述设计干扰观测器的步骤具体包括:基于所述状态空间数学模型,构建所述干扰观测器如下:
式中,q(t)表示所述干扰观测器的辅助状态向量,L表示所述干扰观测器的增益矩阵,表示所述外部环境干扰预估量,为对所述干扰向量ω(t)的预估值。
6.根据权利要求5所述的方法,其特征在于,所述设计抗干扰控制器的步骤具体包括:基于所述外部环境干扰预估量 构建所述抗干扰控制器如下:
式中,K表示所述抗干扰控制器的增益矩阵;
所述获取所述动力定位船舶的抗干扰控制闭环系统的步骤具体包括:定义所述干扰观测器的观测误差为: 则可得导数公式:
用dW(t)/dt替换n(t),获取所述导数公式的一般等价方程:deω(t)=(-T-1-LE)eω(t)d(t)+ΨdW(t);
其中dW(t)为独立的维纳过程;
将所述状态空间数学模型、所述抗干扰控制器和所述一般等价方程联合,获取所述抗干扰控制闭环系统如下:
7.根据权利要求6所述的方法,其特征在于,在所述获取所述抗干扰控制闭环系统的步骤之后,还包括:利用极点配置法,调整所述干扰观测器的增益矩阵L,以使所述干扰观测器的跟踪性能和收敛速度满足设定要求;
利用线性矩阵不等式算法,调节所述抗干扰控制器的增益矩阵K,以对所述动力定位船舶的抗干扰控制进行镇定。
8.一种动力定位船舶的抗干扰控制装置,其特征在于,包括:第一建模模型,用于通过分析所述动力定位船舶的运动特性和动力特征,结合海洋风、浪和流的环境干扰,建立所述动力定位船舶的状态空间数学模型;
第二建模模型,用于基于所述状态空间数学模型,设计干扰观测器,并利用所述干扰观测器,获取所述动力定位船舶的外部环境干扰预估量;
第三建模模型,用于基于所述外部环境干扰预估量,设计抗干扰控制器,并基于所述抗干扰控制器、所述状态空间数学模型和所述外部环境干扰预估量,获取所述动力定位船舶的抗干扰控制闭环系统;
控制模块,用于基于所述抗干扰控制闭环系统,对所述动力定位船舶进行基于干扰补偿的抗干扰控制。
9.一种电子设备,其特征在于,包括:至少一个存储器、至少一个处理器、通信接口和总线;
所述存储器、所述处理器和所述通信接口通过所述总线完成相互间的通信,所述通信接口还用于所述电子设备与动力定位船舶设备之间的信息传输;
所述存储器中存储有可在所述处理器上运行的计算机程序,所述处理器执行所述计算机程序时,实现如权利要求1至7中任一所述的方法。
10.一种非暂态计算机可读存储介质,其特征在于,所述非暂态计算机可读存储介质存储计算机指令,所述计算机指令使所述计算机执行如权利要求1至7中任一所述的方法。