一种海上航天发射与回收船舶动力定位容错抗干扰方法

1.本发明属于海上航天发射与回收船舶动力定位容错抗干扰技术领域，具体涉及一种海上航天发射与回收船舶动力定位容错抗干扰方法。


背景技术：

2.随着我国航天技术的不断发展，运载火箭海上发射因具有灵活性强、任务适应性好、发射经济性优等特点已成为近年来的研究热点。海上发射相较于陆地发射优势明显，海上发射可将火箭灵活地安排至靠近赤道的区域发射，这样可以节省很多火箭的推力和燃料，还可以满足各种倾角卫星的发射需求，有效助推中国航天走出国门；此外随着航天发射活动的需求量日益增加，陆地人口密度更加稠密，因为一些发射场的地理位置原因，陆地发射后可能面临着火箭一级和二级残骸掉落的安全问题。海上发射不仅能有效解决这个问题，大幅降低陆地发射时的人员疏散成本，还可以灵活选择发射点和落区。
3.完成火箭发射与回收任务需要利用海上航天发射与回收船舶来进行操纵作业，而海上航天发射与回收船舶进行操纵作业时需要以一定的姿态保持在海面某目标位置。由于海洋环境的复杂性，海上航天发射与回收船舶所受到的外界环境干扰会根据外界条件的变化呈现出明显的不确定性。此外海上航天发射与回收船舶在执行任务过程中也难免会遇到推进器故障的情况，因此传统的锚泊定位难以满足任务的多样性需求。而动力定位技术与传统的锚泊定位相比，具有定位精度更高、灵活性更好、适用于多种海况、操作方便、机动性强等优点。因此开展海上航天发射与回收船舶动力定位的控制研究具有重要的理论意义和实际应用价值。
4.现有研究方法多假设海上航天发射与回收船舶动力定位控制系统不存在外界干扰或干扰频率已知，且不考虑系统控制中推进器发生混合故障的问题；然而在实际工程应用中，海上航天发射与回收船舶动力定位控制系统在运行过程中时常会受到外界海洋环境等干扰，而且系统中的推进器难免会发生多重类型的混合故障，除此之外，现有技术考虑海上航天发射与回收船舶在混合故障以及存在外界干扰下的动力定位容错抗干扰控制的实际性能要求较少，使用成本较高不易于工程实现。
5.因此，如何在考虑未知外界海洋环境干扰和推进器发生混合故障的条件下实现海上航天发射与回收船舶动力定位容错抗干扰控制设计就成为了亟待解决的问题。


技术实现要素：

6.本发明的目的是针对上述技术中存在的不足之处，提出一种海上航天发射与回收船舶动力定位容错抗干扰方法，旨在解决现有海上航天发射与回收船舶动力定位容错抗干扰的问题。
7.本发明提供一种海上航天发射与回收船舶动力定位容错抗干扰方法，所述方法包括以下过程：
8.s1：基于海上航天发射与回收船舶动力定位在大地坐标系下的位置信息和艏向角
信息，以及海上航天发射与回收船舶附体坐标系下对应的速度信息，建立海上航天发射与回收船舶动力定位非线性运动学模型；
9.s2：考虑海上航天发射与回收船舶进行操纵作业和所处的海洋环境中风、浪、流以及未建模动态的时变环境干扰，同时考虑海上航天发射与回收船舶推进器发生复合故障下的动力定位问题，建立海上航天发射与回收船舶动力定位动力学模型；
10.s3：设计干扰观测器估计并抵消海上航天发射与回收船舶动力定位中的时变环境干扰；设计偏差故障观测器对加性故障进行在线估计，并对海上航天发射与回收船舶推进器发生的加性故障进行补偿；设计乘性故障自适应观测器对乘性故障下的效率因子进行估计补偿；
11.s4：基于所述干扰观测器、所述偏差故障观测器以及所述乘性故障自适应观测器，并应用投影算法设计一种复合抗干扰容错控制器；
12.s5：利用线性矩阵不等式算法，求解海上航天发射与回收船舶动力定位的容错抗干扰控制器中的增益矩阵、干扰观测器、偏差故障观测器中的观测增益矩阵，从而实现海上航天发射与回收船舶动力定位达到预期值。
13.进一步地，所述步骤s1中海上航天发射与回收船舶动力定位运动学模型的具体为：
[0014][0015][0016]
式中：η＝[x,y,ψ]
t
为北东坐标系下的位置向量，由船舶实际位置(x,y)和艏向角ψ构成；υ＝[u,v,r]
t
为附体坐标系下对应的速度向量，其构成包括船舶前进速度u、横漂速度v和艏摇角速度r；j(ψ)定义为旋转矩阵，表示从附体坐标系到北东坐标系的旋转矩阵。
[0017]
进一步地，所述步骤s2中海上航天发射与回收船舶动力定位的动力学模型为：
[0018][0019]
式(3)中，m为包含附加质量的惯性矩阵；d(v)为阻尼矩阵；τf为推进器提供的控制向量；d(t)为未知干扰向量；θ(t)＝[θ1(t),θ2(t),θ3(t)]
t
为海上航天发射与回收船舶推进器发生偏差故障时船体上的等效时变作用力和力矩向量。
[0020]
进一步地，所述进一步地，所述为推进器布置矩阵；u
p
＝diag(u
p1
，...，u
pn
)为推进器输出的推力向量；δ＝[δ1,...,δn]
t
为效率因子矩阵；其中：
[0021][0022]
式(4)中，li＝[l
x1
,l
y1
]是水平面上的第i个推进器的位置坐标；为第i推进器的方位角。
[0023]
进一步地，所述m的惯性矩阵为：
[0024][0025]
式(5)中，m为海上航天发射与回收船舶的质量；为海上航天发射与回收船舶运动所引起的附加质量；iz为转动惯量；xg为船心与所建立坐标系原点的距离。
[0026]
进一步地，所述d(v)的阻尼矩阵为：
[0027][0028]
式(6)中，u为海上航天发射与回收船舶航行所用的速度矢量；xu,y
υ
,yr,n
υ
,nr为阻尼系数。
[0029]
进一步地，所述步骤s3中干扰观测器、偏差故障观测器以及乘性故障自适应观测器的具体设计过程为：根据式(1)、(3)中的未知干扰向量d(t)，设计如下干扰观测器：
[0030][0031]
式(7)中，为干扰的估计值，为效率因子估计值，为加性故障估计值，k1,k0∈r3×3为干扰观测器的增益矩阵且满足k1＝k0m-1
，q∈r3为由式(7)产生的辅助中间向量。
[0032]
进一步地，海上航天发射与回收船舶所受的偏差故障可以表示为θ(t)＝[θ1(t),θ2(t),θ3(t)]
t
，对于海上航天发射与回收船舶的推进器加性故障，设计偏差故障观测器对故障进行估计，并在控制器中利用估计值对故障进行抵消，设计的偏差故障观测器如下：
[0033][0034]
式(8)中，为故障的估计值，k2∈r3×3为故障观测器的增益矩阵，k∈r3为由式(8)产生的辅助中间向量。
[0035]
进一步地，海上航天发射与回收船舶所受的乘性故障可用效率因子表示；对于海上航天发射与回收船舶的推进器乘性故障，设计自适应故障观测器对乘性故障效率因子进行估计，并在控制器中利用估计值对故障进行抵消，设计的自适应故障观测器如下：
[0036][0037]
式(9)中，为效率因子的估计值，k3,k4∈r3×3为乘性故障自适应观测器的增益矩阵，proj
(0,1
]为投影算子可以确保估计值处于(0,1]。
[0038]
进一步地，所述步骤s4中所述复合容错抗干扰控制器的具体设计过程为：在干扰观测器、偏差故障观测器以及乘性故障自适应观测器的基础上，设计如下复合容错抗干扰
控制器：
[0039][0040]
式(10)中，z1＝η-ηd为海上航天发射与回收船舶的位置误差；z2＝ν-α1为海上航天发射与回收船舶的速度向量误差；l2＝l
2t
∈r3×3为设计控制器增益矩阵；α1∈r3为虚拟函数向量。
[0041]
进一步地，在所述步骤s4、s5中得到复合容错抗干扰控制器的步骤之后，还包括：
[0042]
s6：利用线性矩阵不等式算法，调节干扰观测器和偏差故障观测器的增益矩阵k0，k1，k2，调节乘性故障自适应观测器增益矩阵k3，k4，以使所述干扰观测器和偏差故障观测器以及乘性故障自适应观测器的跟踪性能和收敛速度满足设定要求；k0∈r3×3、k1∈r3×3、k2∈r3×3，其中，k0，k1，k2均为设计参数矩阵，且干扰观测器设计矩阵满足k1＝k0m-1
；k3为给定的hurwitz矩阵，给定一个正定矩阵q＝q
t
∈r3×3存在一个正定矩阵k4＝k
4t
∈r3×3且满足k
3t
k4+k4k3＝-q；
[0043]
s7：利用线性矩阵不等式算法，调节复合抗干扰容错控制器的增益矩阵l1、l2，以使海上航天发射与回收船舶动力定位误差达到任意期望精度；l1、l2满足-l1z
1t
z1＜0、-l2z
2t
z2＜0，z1＝η-ηd为海上航天发射与回收船舶的位置误差，z2＝ν-α1为海上航天发射与回收船舶的速度向量误差，α1∈r3为虚拟函数向量。
[0044]
综上所述，本发明提供的海上航天发射与回收船舶动力定位容错抗干扰方法，具有如下有益效果：
[0045]
第一、本发明提供的海上航天发射与回收船舶动力定位容错抗干扰方法，针对海上航天发射与回收船舶在未知外界海洋环境干扰和推进器发生混合故障下的动力定位，运用干扰观测器和偏差故障观测器以及乘性故障自适应观测器，解决了海上航天发射与回收船舶动力定位所受到的未知外界海洋环境干扰在线估计抑制和对海上航天发射与回收船舶推进器发生混合故障进行估计和补偿的问题；除此之外，针对矫正跟踪反馈控制误差问题，有效增强海上航天发射与回收船舶的抗干扰能力，提高海上航天发射与回收船舶控制的可靠性，使海上航天发射与回收船舶的跟踪位置达到预期效果。
[0046]
第二、本发明提供的海上航天发射与回收船舶动力定位容错抗干扰方法，考虑了海上航天发射与回收船舶动力定位的复合容错抗干扰控制的实际性能，使用成本较低，易于工程实现。
附图说明
[0047]
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
[0048]
以下将结合附图对本发明作进一步说明：
[0049]
图1为本发明一种海上航天发射与回收船舶动力定位容错抗干扰方法的流程图；
[0050]
图2为本发明实施例提供的海上航天发射与回收船舶动力定位图；
[0051]
图3为本发明实施例提供的海上航天发射与回收船舶位置跟踪图；
[0052]
图4为本发明实施例提供的海上航天发射与回收船舶速度跟踪图；
[0053]
图5为本发明实施例提供的海上航天发射与回收船舶动力定位抗干扰图；
[0054]
图6为本发明实施例提供的海上航天发射与回收船舶动力定位偏差故障图；
[0055]
图7为本发明实施例提供的海上航天发射与回收船舶动力定位乘性故障图；
[0056]
图8为本发明实施例提供的海上航天发射与回收船舶动力定位控制率图。
具体实施方式
[0057]
为了使本发明所要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
[0058]
需要说明的是，当元件被称为“固定于”或“设置于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者间接在该另一个元件上。当一个元件被称为是“连接于”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或间接连接至该另一个元件上。
[0059]
此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。“若干”的含义是一个或一个以上，除非另有明确具体的限定。
[0060]
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
[0061]
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
[0062]
如图1所示，本发明提供的海上航天发射与回收船舶动力定位容错抗干扰方法具体包括以下过程：
[0063]
s1：基于海上航天发射与回收船舶动力定位在大地坐标系下的位置信息和艏向角信息，以及海上航天发射与回收船舶附体坐标系下对应的速度信息，建立海上航天发射与回收船舶动力定位非线性运动学模型；
[0064]
s2：考虑海上航天发射与回收船舶进行操纵作业和所处的海洋环境中风、浪、流以及未建模动态的时变环境干扰，同时考虑海上航天发射与回收船舶推进器发生复合故障下的动力定位问题，建立海上航天发射与回收船舶动力定位动力学模型；
[0065]
s3：设计干扰观测器估计并抵消海上航天发射与回收船舶动力定位中的时变环境干扰；设计偏差故障观测器对加性故障进行在线估计，并对海上航天发射与回收船舶推进器发生的加性故障进行补偿；设计乘性故障自适应观测器对乘性故障下的效率因子进行估计补偿；
[0066]
s4：基于所述干扰观测器、所述偏差故障观测器以及所述乘性故障自适应观测器，并应用投影算法设计一种复合抗干扰容错控制器；
[0067]
s5：利用线性矩阵不等式算法，求解海上航天发射与回收船舶动力定位的容错抗干扰控制器中的增益矩阵、干扰观测器、偏差故障观测器中的观测增益矩阵，从而实现海上航天发射与回收船舶动力定位达到预期值；
[0068]
本发明提供的海上航天发射与回收船舶动力定位容错抗干扰方法，主要面向考虑未知外界海洋环境干扰和推进器发生混合故障的海上航天发射与回收船舶动力定位控制的研究，运用干扰观测器和偏差故障观测器以及乘性故障自适应观测器，解决海上航天发射与回收船舶动力定位所受到的未知外界海洋环境干扰在线估计抑制和对海上航天发射与回收船舶推进器发生的混合故障进行估计和补偿的问题；利用复合容错抗干扰控制器来矫正跟踪反馈控制误差问题，有效增强海上航天发射与回收船舶的容错抗干扰能力，提高海上航天发射与回收船舶动力定位控制的可靠性，使海上航天发射与回收船舶的跟踪目标位置达到预期效果。
[0069]
优选地，结合上述方案，所述步骤s1中海上航天发射与回收船舶动力定位运动学模型的具体为：
[0070][0071][0072]
式中：η＝[x,y,ψ]
t
为北东坐标系下的位置向量，由船舶实际位置(x,y)和艏向角ψ构成；υ＝[u,v,r]
t
为附体坐标系下对应的速度向量，其构成包括船舶前进速度u、横漂速度v和艏摇角速度r；j(ψ)定义为旋转矩阵，表示从附体坐标系到北东坐标系的旋转矩阵。
[0073]
优选地，结合上述方案，所述步骤s2中海上航天发射与回收船舶动力定位的动力学模型为：
[0074][0075]
式(3)中，m为包含附加质量的惯性矩阵；d(v)为阻尼矩阵；τf为推进器提供的控制向量；d(t)为未知干扰向量；θ(t)＝[θ1(t),θ2(t),θ3(t)]
t
为海上航天发射与回收船舶推进器发生偏差故障时船体上的等效时变作用力和力矩向量。
[0076]
优选地，结合上述方案，所述优选地，结合上述方案，所述为推进器布置矩阵；u
p
＝diag(u
p1
，
…
，u
pn
)为推进器输出的推力向量；δ＝[δ1,
…
,δn]
t
为效率因子矩阵；其中：
[0077][0078]
式(4)中，li＝[l
x1
,l
y1
]是水平面上的第i个推进器的位置坐标；为第i推进器的方位角。
[0079]
优选地，结合上述方案，所述m的惯性矩阵为：
[0080][0081]
式(5)中，m为海上航天发射与回收船舶的质量；为海上航天发射与回收船舶运动所引起的附加质量；iz为转动惯量；xg为船心与所建立坐标系原点的距离。
[0082]
优选地，结合上述方案，所述d(v)的阻尼矩阵为：
[0083][0084]
式(6)中，u为海上航天发射与回收船舶航行所用的速度矢量；xu,y
υ
,yr,n
υ
,nr为阻尼系数。
[0085]
优选地，结合上述方案，所述步骤s3中干扰观测器、偏差故障观测器以及乘性故障自适应观测器的具体设计过程为：根据式(1)、(3)中的未知干扰向量d(t)，设计如下干扰观测器：
[0086][0087]
式(7)中，为干扰的估计值，为效率因子估计值，为加性故障估计值，k1,k0∈r3×3为干扰观测器的增益矩阵且满足k1＝k0m-1
，q∈r3为由式(7)产生的辅助中间向量；
[0088]
定义干扰观测器的估计误差向量为
[0089][0090]
优选地，结合上述方案，海上航天发射与回收船舶所受的偏差故障可以表示为θ(t)＝[θ1(t),θ2(t),θ3(t)]
t
，对于海上航天发射与回收船舶的推进器加性故障，设计偏差故障观测器对故障进行估计，并在控制器中利用估计值对故障进行抵消，设计的偏差故障观测器如下：
[0091][0092]
式(8)中，为故障的估计值，k2∈r3×3为故障观测器的增益矩阵，k∈r3为由式(8)产生的辅助中间向量；
[0093]
定义偏差故障观测器估计误差向量为
[0094][0095]
优选地，结合上述方案，海上航天发射与回收船舶所受的乘性故障可用效率因子表示，其中，0＜δ＜1代表推进器发生部分失效故障，即推进器无法正常输出所需控制力矩但仍能够保持工作状态，δ＝1代表推进器没有故障产生；对于海上航天发射与回收船舶的推进器乘性故障，设计自适应故障观测器对乘性故障效率因子进行估计，并在控制器中利用估计值对故障进行抵消，设计的自适应故障观测器如下：
[0096]
[0097]
式(9)中，为效率因子的估计值，k3,k4∈r3×3为乘性故障自适应观测器的增益矩阵，proj
(0,1
]为投影算子可以确保估计值处于(0,1]；
[0098]
定义乘性故障自适应观测器效率因子估计误差向量为
[0099][0100]
优选地，结合上述方案，所述步骤s4中所述复合容错抗干扰控制器的具体设计过程为：在干扰观测器、偏差故障观测器以及乘性故障自适应观测器的基础上，设计如下复合容错抗干扰控制器：
[0101][0102]
式(10)中，z1＝η-ηd为海上航天发射与回收船舶的位置误差；z2＝ν-α1为海上航天发射与回收船舶的速度向量误差；l2＝l
2t
∈r3×3为设计控制器增益矩阵；α1∈r3为虚拟函数向量。
[0103]
优选地，结合上述方案，所述步骤s4中基于干扰观测器和偏差故障观测器以及乘性故障自适应观测器设计一种复合容错抗干扰控制器，具体过程为：
[0104]
设海上航天发射与回收船舶的位置误差为z1＝η-ηd，对位置间的误差进行求导，可以获得：
[0105][0106]
定义一个虚拟函数向量α1∈r3如下：
[0107]
α1＝-j-1
(ψ)l1z1+j-1
(ψ)ηdꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(12)；
[0108]
式(12)中，参数矩阵l1＝l
1t
∈r3×3是正定的。
[0109]
再设海上航天发射与回收船舶的速度向量误差为z2＝ν-α1，由此，(11)式可以表示为：
[0110][0111]
接下来，再构造函数对此进行求导可以得到
[0112][0113]
对速度向量误差求导有：
[0114][0115]
接着选取增广李雅普诺夫函数则该函数的导数为：
[0116][0117]
在干扰观测器和故障观测器的基础上，海上航天发射与回收船舶的复合抗干扰容错控制器设计如下：
[0118]
[0119]
式(17)中，l2＝l
2t
∈r3×3为设计控制器增益矩阵。
[0120]
优选地，结合上述方案，利用线性矩阵不等式算法，求解海上航天发射与回收船舶动力定位的复合容错抗干扰控制器中的增益矩阵和干扰观测器、故障观测器中的观测增益矩阵，从而实现海上航天发射与回收船舶动力定位达到预期值，其具体过程为：
[0121]
在所述步骤s4、s5中得到复合容错抗干扰控制器的步骤之后，还包括：
[0122]
s6：利用线性矩阵不等式算法，调节干扰观测器和偏差故障观测器的增益矩阵k0，k1，k2，调节乘性故障自适应观测器增益矩阵k3，k4，以使所述干扰观测器和偏差故障观测器以及乘性故障自适应观测器的跟踪性能和收敛速度满足设定要求；其中，k0∈r3×3、k1∈r3×3、k2∈r3×3，其中，k0，k1，k2均为设计参数矩阵，且干扰观测器设计矩阵满足k1＝k0m-1
；k3为给定的hurwitz矩阵，给定一个正定矩阵q＝q
t
∈r3×3存在一个正定矩阵k4＝k
4t
∈r3×3且满足k
3t
k4+k4k3＝-q；
[0123]
s7：利用线性矩阵不等式算法，调节复合抗干扰容错控制器的增益矩阵l1、l2，以使海上航天发射与回收船舶动力定位误差达到任意期望精度；其中，l1、l2满足-l1z
1t
z1＜0、-l2z
2t
z2＜0，z1＝η-ηd为海上航天发射与回收船舶的位置误差，z2＝ν-α1为海上航天发射与回收船舶的速度向量误差，α1∈r3为虚拟函数向量。
[0124]
为验证所设计的海上航天发射与回收船舶动力定位复合容错抗干扰控制器的性能，以一艘1:70比例的模型船cybership ii(按照供给船进行比例缩写的试验船，船长为1.3m)为研究对象，该船的动态参数为：
[0125][0126][0127]
设定海上航天发射与回收船舶的期望位置ηd＝[xd,yd,ψd]
t
为：
[0128]
xd＝0；yd＝0；ψd＝0；
[0129]
设海上航天发射与回收船舶所受到外部海洋环境扰动参数为：
[0130][0131][0132]
设海上航天发射与回收船舶在航行过程中推进器发生偏差故障向量为：
[0133][0134]
设海上航天发射与回收船舶在航行过程中推进器发生乘性故障向量为：
[0135][0136]
设海上航天发射与回收船舶的初始状态为：
[0137]
υ0＝[0m/s,0m/s,0rad/s]
t
；
[0138]
取干扰观测器中的增益参数k0＝diag([25,25,25])，偏差故障观测器中的增益参数为k2＝diag([5,5,5])，乘性故障观测器的增益参数k3＝diag([-3,-0.3,-6])，k4＝diag([1,5.5,2])，复合抗干扰容错控制器中的增益参数为l1＝diag([1.5,1.5,3.5])，l2＝diag([10,10,20])。
[0139]
为了验证本发明提供的海上航天发射与回收船舶动力定位容错抗干扰方法的有效性，进行了仿真实验，从附图2—8可以看出本发明方法的定位优越性；其中，图2和图3为海上航天发射与回收船舶位置跟踪图，表明所提出的控制策略能够克服环境干扰和船舶自身产生的故障，使船舶以任意精度定位到期望位置，并保持稳定的姿态；图4为海上航天发射与回收船舶速度跟踪图，这进一步表明船舶可以定位到预期位置，并且船舶的速度是有界限的、合理的；图5为海上航天发射与回收船舶动力定位抗干扰图，由图可知，本发明设计的干扰观测器可以实现对干扰的良好估计及补偿；图6为海上航天发射与回收船舶动力定位偏差故障图；图7为海上航天发射与回收船舶动力定位乘性故障图；由图6，图7可知在复合故障下，两种故障观测器在存在复杂干扰情况下仍具有较强的估计能力与补偿效果；图8为海上航天发射与回收船舶动力定位控制率图。从图中可以看出，控制器输出的控制力和转矩力是平滑且合理的；故本发明所设计的基于扰动观测器和偏差故障观测器以及乘性故障自适应观测器的船舶动力定位控制律可以使海上航天发射与回收船舶以任意的精度到达并定位在期望的位置上，同时保证海上航天发射与回收船舶动力定位控制系统中的所有信号是全局一致的，最终是有边界的，验证了所述理论。
[0140]
本发明提供的海上航天发射与回收船舶动力定位容错抗干扰方法，考虑了未知的外界海洋环境干扰和推进器发生混合故障的海上航天发射与回收船舶的动力定位，运用干扰观测器和故障观测器，解决海上航天发射与回收船舶动力定位所受到的未知的外界海洋环境干扰在线估计抑制和对海上航天发射与回收船舶推进器发生的混合故障进行估计和补偿的问题；通过利用复合容错抗干扰控制器来矫正跟踪反馈控制误差问题，有效增强海上航天发射与回收船舶的抗干扰能力，提高海上航天发射与回收船舶控制的可靠性，使海上航天发射与回收船舶的动力定位达到预期效果；所设计的模型具有结构简单的特点，因而能够有效降低模型复杂度和减少控制过程计算量。
[0141]
综上所述，本发明提供的海上航天发射与回收船舶动力定位容错抗干扰方法，具有如下有益效果：
[0142]
第一、本发明提供的海上航天发射与回收船舶动力定位容错抗干扰方法，针对海上航天发射与回收船舶在未知外界海洋环境干扰和推进器发生混合故障下的动力定位，运用干扰观测器和偏差故障观测器以及乘性故障自适应观测器，解决了海上航天发射与回收船舶动力定位所受到的未知外界海洋环境干扰在线估计抑制和对海上航天发射与回收船舶推进器发生混合故障进行估计和补偿的问题；除此之外，针对矫正跟踪反馈控制误差问题，有效增强海上航天发射与回收船舶的抗干扰能力，提高海上航天发射与回收船舶控制的可靠性，使海上航天发射与回收船舶的跟踪位置达到预期效果。
[0143]
第二、本发明提供的海上航天发射与回收船舶动力定位容错抗干扰方法，考虑了海上航天发射与回收船舶动力定位的复合容错抗干扰控制的实际性能，使用成本较低，易于工程实现。
[0144]
以上所述，仅为本发明的较佳实施例，并非对本发明做任何形式上的限制。任何熟悉本领域的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围情况下，都可利用上述所述技术内容对本发明技术方案做出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术对以上实施例所做的任何改动修改、等同变化及修饰，均属于本技术方案的保护范围。

技术特征：
1.一种海上航天发射与回收船舶动力定位容错抗干扰方法，其特征在于，所述方法包括以下过程：s1：基于海上航天发射与回收船舶动力定位在大地坐标系下的位置信息和艏向角信息，以及海上航天发射与回收船舶附体坐标系下对应的速度信息，建立海上航天发射与回收船舶动力定位非线性运动学模型；s2：考虑海上航天发射与回收船舶进行操纵作业和所处的海洋环境中风、浪、流以及未建模动态的时变环境干扰，同时考虑海上航天发射与回收船舶推进器发生复合故障下的动力定位问题，建立海上航天发射与回收船舶动力定位动力学模型；s3：设计干扰观测器估计并抵消海上航天发射与回收船舶动力定位中的时变环境干扰；设计偏差故障观测器对加性故障进行在线估计，并对海上航天发射与回收船舶推进器发生的加性故障进行补偿；设计乘性故障自适应观测器对乘性故障下的效率因子进行估计补偿；s4：基于所述干扰观测器、所述偏差故障观测器以及所述乘性故障自适应观测器，并应用投影算法设计一种复合抗干扰容错控制器；s5：利用线性矩阵不等式算法，求解海上航天发射与回收船舶动力定位的容错抗干扰控制器中的增益矩阵、干扰观测器、偏差故障观测器中的观测增益矩阵，从而实现海上航天发射与回收船舶动力定位达到预期值。2.根据权利要求1所述的海上航天发射与回收船舶动力定位容错抗干扰方法，其特征在于，所述步骤s1中所述海上航天发射与回收船舶动力定位运动学模型的具体为：在于，所述步骤s1中所述海上航天发射与回收船舶动力定位运动学模型的具体为：式中：η＝[x,y,ψ]
t
为北东坐标系下的位置向量，由船舶实际位置(x,y)和艏向角ψ构成；υ＝[u,v,r]
t
为附体坐标系下对应的速度向量，其构成包括船舶前进速度u、横漂速度v和艏摇角速度r；j(ψ)定义为旋转矩阵，表示从附体坐标系到北东坐标系的旋转矩阵。3.根据权利要求1所述的海上航天发射与回收船舶动力定位容错抗干扰方法，其特征在于，所述步骤s2中海上航天发射与回收船舶动力定位的动力学模型为：式(3)中，m为包含附加质量的惯性矩阵；d(v)为阻尼矩阵；τ
f
为推进器提供的控制向量；d(t)为未知干扰向量；θ(t)＝[θ1(t),θ2(t),θ3(t)]
t
为海上航天发射与回收船舶推进器发生偏差故障时船体上的等效时变作用力和力矩向量。4.根据权利要求3所述的海上航天发射与回收船舶动力定位容错抗干扰方法，其特征在于，所述在于，所述为推进器布置矩阵；u
p
＝diag(u
p1
，
…
，u
pn
)为推进器输出的推力向量；δ＝[δ1,...,δ
n
]
t
为效率因子矩阵；其中：
式(4)中，l
i
＝[l
x1
,l
y1
]是水平面上的第i个推进器的位置坐标；为第i推进器的方位角。5.根据权利要求3所述的海上航天发射与回收船舶动力定位容错抗干扰方法，其特征在于，所述m的惯性矩阵为：式(5)中，m为海上航天发射与回收船舶的质量；为海上航天发射与回收船舶运动所引起的附加质量；i
z
为转动惯量；x
g
为船心与所建立坐标系原点的距离。6.根据权利要求3所述的海上航天发射与回收船舶动力定位容错抗干扰方法，其特征在于，所述d(v)的阻尼矩阵为：式(6)中，u为海上航天发射与回收船舶航行所用的速度矢量；x
u
,y
υ
,y
r
,n
υ
,n
r
为阻尼系数。7.根据权利要求1所述的海上航天发射与回收船舶动力定位容错抗干扰方法，其特征在于，所述步骤s3中所述干扰观测器、所述偏差故障观测器以及所述乘性故障自适应观测器的具体设计过程为：根据式(1)、(3)中的未知干扰向量d(t)，设计如下干扰观测器：式(7)中，为干扰的估计值，为效率因子估计值，为加性故障估计值，k1,k0∈r3×3为干扰观测器的增益矩阵且满足k1＝k0m-1
，q∈r3为由式(7)产生的辅助中间向量。8.根据权利要求3所述的海上航天发射与回收船舶动力定位容错抗干扰方法，其特征在于，海上航天发射与回收船舶所受的偏差故障可以表示为θ(t)＝[θ1(t),θ2(t),θ3(t)]
t
，对于海上航天发射与回收船舶的推进器加性故障，设计偏差故障观测器对故障进行估计，并在控制器中利用估计值对故障进行抵消，设计的偏差故障观测器如下：式(8)中，为故障的估计值，k2∈r3×3为故障观测器的增益矩阵，k∈r3为由式(8)产生的辅助中间向量；
海上航天发射与回收船舶所受的乘性故障可用效率因子表示；对于海上航天发射与回收船舶的推进器乘性故障，设计自适应故障观测器对乘性故障效率因子进行估计，并在控制器中利用估计值对故障进行抵消，设计的自适应故障观测器如下：式(9)中，为效率因子的估计值，k3,k4∈r3×3为乘性故障自适应观测器的增益矩阵，proj
(0,1]
为投影算子可以确保估计值处于(0,1]。9.根据权利要求1所述的海上航天发射与回收船舶动力定位容错抗干扰方法，其特征在于，所述步骤s4中所述复合容错抗干扰控制器的具体设计过程为：在干扰观测器、偏差故障观测器以及乘性故障自适应观测器的基础上，设计如下复合容错抗干扰控制器：式(10)中，z1＝η-η
d
为海上航天发射与回收船舶的位置误差；z2＝ν-α1为海上航天发射与回收船舶的速度向量误差；l2＝l
2t
∈r3×3为设计控制器增益矩阵；α1∈r3为虚拟函数向量。10.根据权利要求1所述的海上航天发射与回收船舶动力定位容错抗干扰方法，其特征在于，在所述步骤s4、s5中得到复合容错抗干扰控制器的步骤之后，还包括：s6：利用线性矩阵不等式算法，调节干扰观测器和偏差故障观测器的增益矩阵k0，k1，k2，调节乘性故障自适应观测器增益矩阵k3，k4，以使所述干扰观测器和偏差故障观测器以及乘性故障自适应观测器的跟踪性能和收敛速度满足设定要求；k0∈r3×3、k1∈r3×3、k2∈r3×3，其中，k0，k1，k2均为设计参数矩阵，且干扰观测器设计矩阵满足k1＝k0m-1
；k3为给定的hurwitz矩阵，给定一个正定矩阵q＝q
t
∈r3×3存在一个正定矩阵k4＝k
4t
∈r3×3且满足k
3t
k4+k4k3＝-q；s7：利用线性矩阵不等式算法，调节复合抗干扰容错控制器的增益矩阵l1、l2，以使海上航天发射与回收船舶动力定位误差达到任意期望精度；l1、l2满足-l1z
1t
z1＜0、-l2z
2t
z2＜0，z1＝η-η
d
为海上航天发射与回收船舶的位置误差，z2＝ν-α1为海上航天发射与回收船舶的速度向量误差，α1∈r3为虚拟函数向量。

技术总结
本发明提供一种海上航天发射与回收船舶动力定位容错抗干扰方法，属于海上航天发射与回收船舶自动控制技术领域；本发明的方法主要面向考虑未知外界海洋环境干扰和推进器发生混合故障的海上航天发射与回收船舶动力定位控制的研究，运用干扰观测器和偏差故障观测器以及乘性故障自适应观测器，解决海上航天发射与回收船舶动力定位所受到的未知外界海洋环境干扰在线估计抑制和对海上航天发射与回收船舶推进器发生的混合故障进行估计和补偿问题；通过利用复合容错抗干扰控制器来矫正跟踪反馈控制误差问题，有效增强海上航天发射与回收船舶的抗干扰能力，提高了海上航天发射与回收船舶控制的可靠性，使海上航天发射与回收船舶的期望位置达到预期效果。舶的期望位置达到预期效果。舶的期望位置达到预期效果。


技术研发人员：胡鑫 孙忠玉 巩庆涛 滕瑶 李康强 神克常 刘志朋 张梦雨
受保护的技术使用者：鲁东大学
技术研发日：2023.04.18
技术公布日：2023/7/7