1.一种基于干扰观测器的船舶动力定位系统的抗干扰饱和控制方法，其特征在于：(1.1)考虑慢变环境干扰，根据动力定位船舶的运动学模型和动力学模型，建立动力定位船舶的状态空间模型；

(1.2)设计状态观测器估计动力定位船舶的速度和位置；设计干扰观测器估计并抵消慢变环境干扰；在此基础上，构造鲁棒滤波器来滤除海洋环境中的一阶波诱导干扰；

(1.3)基于状态观测器和干扰观测器设计一种改进的复合饱和控制器，具体步骤是：基于动力定位船舶速度和位置以及慢变环境干扰的预估量，设计一种饱和补偿器,以克服了船舶控制系统所提供的控制力和力矩受到的饱和约束的影响，得到如下复合饱和控制器：式中，U(t)船舶动力定位系统的控制向量，Ψ(t)和K1是待构造的饱和补偿器的辅助状T态变量和增益矩阵,K是待求解的反馈增益矩阵,sat(τ(t))＝[sat(τ1(t))…sat(τm(t))]是一个非线性函数，每个元素都满足如下关系：为了补偿控制器饱和的影响,设计如下饱和补偿器：

式中， K2>0，△u(t)＝u(t)‑r(t)，

是参考输出， 可以通过线性矩阵不等式解出，ε是设计的一个小的正参数，ψ(t)是饱和补偿器的状态变量；

(1.4)基于动力定位船舶的状态空间模型和复合饱和控制器，得到动力定位船舶的抗干扰饱和闭环控制系统；

(1.5)利用线性矩阵不等式算法，求解动力定位船舶复合饱和控制器的增益矩阵K和状态观测器、干扰观测器以及鲁棒滤波器的观测增益矩阵L，从而实现期望的系统性能要求。

2.根据权利要求1所述的一种基于干扰观测器的船舶动力定位系统的抗干扰饱和控制方法，其特征在于：步骤(1.1)中建立所述动力定位船舶的运动学模型和动力学模型的具体步骤是：(2.1)建立动力定位船舶运动学模型的步骤具体包括：基于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，建立如下动力定位船舶的运动学模型：T

式中，η＝[x,y,ψ]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，υ＝[u,v,r]表示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)表示大地坐标系向船舶附体坐标系变换的旋转矩阵；

(2.2)建立动力定位船舶动力学模型的步骤具体包括：假设动力定位船舶沿大地坐标系的χ轴，以小于预设阈值的速度匀速航行，则建立如下的动力学模型：式中，χk表示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χ轴方向的水动力，k取为u或 Yl,Nl分别表示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 xG表示动力定位船舶的重心， 分别表示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，mT表示动力定位船舶的质量，IZ表示绕Z轴的惯性矩，b＝[b1,b2,b3]表示慢变环境干扰作用于T动力定位船舶上的作用力和力矩；τ＝[τ1,τ2,τ3] 是由力与力矩组成的三维列向量，分别表示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；

将动力学模型表示为如下的矩阵形式：

其中，

式中，M是包含附加质量的惯性矩阵，其中m是船舶的质量，船舶沿相应轴加速度作用下的浪涌、摇摆和偏航的零频附加质量定义为 由于船舶在海洋水面运行时，会受到波浪漂移和层流表面摩擦的影响，因此会产生线性阻尼矩阵D，是严格正定的；

(2.3)由于船舶的艏向角度信息ψ非常小，常取R(ψ)≈I，另外，令U＝τ,联立上述动力定位船舶的运动学模型和动力学模型可得动力定位船舶的状态空间模型为：‑1 ‑1 m

式中，A0＝‑M D,B0＝M ；U(t)∈R是船舶动力定位系统的控制向量；y0是位置和航向测量方程；ηw是由一阶波诱导干扰导致的波频运动；d0是零均值高斯白噪声；d(t)表示利用一阶马尔可夫过程模拟慢变环境干扰力；

(2.4)获取慢变环境干扰模型的步骤具体包括：

慢变环境干扰作用于船体上的作用力和力矩b1、b2和b3构成的干扰向量b(t)＝[b1,b2,Tb3]，是一个恒定的偏差项，利用一阶马尔可夫过程模拟海上环境因素引起的缓慢变化的环境干扰作用力，该慢变环境干扰模型的描述形式为：

3×3 3×3

式中，T∈R 为时间常数正定对角矩阵，Ψ∈R 为高斯白噪声幅值正定对角矩阵，ξ13

(t)∈R为有界的零均值高斯白噪声向量；

(2.5)船舶的振荡运动主要是由波浪的线性作用引起的，这种运动被模拟成窄带信号，对线性波谱提出了以下线性模型近似：式中，w0i是波浪谱的主要频率；是波浪的相对阻尼比系数，取值0.05～0.3；ki是与波的强度相关的参数，其大小与海况有关；

上述线性模型的状态空间实现表示为：

3

式中：wa＝[w1,w2,w3]∈R ,

3

wb＝[w4,w5,w6]∈R， Ξ2＝diag{χ1,χ2,χ3}.

由此，得到如下波频运动模型：

r×r r×n n×r n

式中，Ω∈R ，Ξ∈R 和Γ∈R 是适当维数的常数矩阵，ξ2∈R是零均值高斯白噪声向量，船舶的波频响应可以由低频运动分量上叠加的一阶波浪诱导运动ηw＝[xw,yw,ψw]产生。

3.根据权利要求1所述的一种基于干扰观测器的船舶动力定位系统的抗干扰饱和控制方法，其特征在于：设计步骤(1.2)中的状态观测器、干扰观测器和鲁棒滤波器：(3.1)基于动力定位船舶的状态空间模型以及慢变环境干扰模型，构建如下状态观测器和干扰观测器：式中，L1和L2表示状态观测器和干扰观测器的增益矩阵， 是慢变环境干扰向量b(t)的预估量；

(3.2)海洋环境中的一阶波诱导干扰会造成船舶的波频运动，表现为周期性的振荡，当波频运动进入反馈通道时，会增加燃油消耗，引起执行器的磨损，因此，基于(2.5)中的波频干扰模型，构建如下鲁棒滤波器滤除一阶波诱导干扰：式中，L3和L4是鲁棒滤波器的增益矩阵； 表示波频干扰向量w(t)的预估值；C为输出矩阵；

(3.3)结合状态观测器、干扰观测器和鲁棒滤波器，可得：式中：

4.根据权利要求1所述的一种基于干扰观测器的船舶动力定位系统的抗干扰饱和控制方法，其特征在于：步骤(1.4)中得到船舶动力定位系统的抗干扰饱和闭环控制系统的具体方法是：将复合饱和控制器代入到船舶动力定位系统的运动状态空间模型，得到如下抗干扰饱和闭环控制系统：定义误差为： 则可得误差系统为：

5.根据权利要求1所述的一种基于干扰观测器的船舶动力定位系统的抗干扰饱和控制方法，其特征在于：在步骤(1.4)中得到抗干扰饱和闭环控制系统的步骤之后，还包括：(6.1)利用线性矩阵不等式算法，调整状态观测器、干扰观测器和鲁棒滤波器的增益矩阵L，以使所述状态观测器、干扰观测器和鲁棒滤波器的跟踪性能和收敛速度满足设定要求；

(6.2)利用线性矩阵不等式算法，调节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饱和闭环控制系统进行镇定。