动力定位系统发展和现状

1 自上世纪五六十年代以来，DP系统的控制方法的发展大概经历了3个阶段，第一代是传统的经典PID控制方法，经典控制理论曾在控制领域取得成功，早期应用在船舶控制领域时，由于需要对三自由度运动分别实施控制，因此其具有局限性且参数较多，另外，经典PID控制器的控制精度也逐渐达不到船舶远航的需求。第二代控制器中 Kalman 滤波器被用来估计船舶的低频运动信息，控制器在接收Kalman 滤波器的反馈信息之后可形成对船舶的线性最优控制——LQG控制，为克服该控制方法的模型不确定问题，鲁棒控制等第三代控制器被提出，这些方法更多地应用了智能控制算法，其典型的控制方法还有神经网络控制、模糊控制等，以神经网络控制为例，该方法与传统的多变量控制算法相比在处理不确定性控制问题时具有独到的优势。尽管高级的DP控制系统取得成功，但在低端的DP系统中使用PID控制仍然是普遍的。进入21世纪以来，动力定位的技术开始向低能耗、环保化发展，Kongsberg公司于2001年成功应用了非线性模型预测控制技术使得能耗大大减小。近些年，Eduardo于2006年利用自适应滤波方法在线估计船舶高频运动模型中的波浪频率，并配合参照模型的自适应控制技术进行实验验证。Vahid Hassani于2010年通过多模型自适应滤波方法对波浪频率进行了研究，该方法是以多个模型来逼近船舶运动系统的不确定性，在多个模型的基础上对船舶运动性能进行辨识。Kongsberg公司在最新的控制系统中，将多种模式应用于动力定位中，例如Triple modular redundant - DP system, K-Pos DP31/32中包含了高精度控制模式、放松控制模式和绿色动力定位控制模式，具有极强的适应能力，能在各种恶劣情况下达到最佳定位状态是动力定位控制系统的最新发展方向。

国内关于动力定位系统的研究起步相对较晚，早期研究集中在第二代控制方法，90年代王和邹等人描述了从分散继电反馈自动调整，完全交叉耦合的多变量PID控制器的方法。近年来在上海交通大学和哈尔滨工业大学为首的高校以及708研究所牵头之下，国内对于第三代控制系统的研究也逐步收到成效。2009年8月，上海708研究所与上海交通大学成功研发出具有自主知识产权的船舶动力定位系统，已经达到了DP3的水平。2012年，杜佳璐设计出一种基于Luenberger观测器和李雅普诺夫函数的非线性状态观测器，该观测器具有全局稳定性且不对船舶运动进行线性化处理[2]。2015年，福建省船舶与海洋工程重点实验室吴德烽等，提出基于人工蜂群算法的船舶动力定位自抗扰控制器设计[3]。但中国的自主知识产权和自主实践能力仍与发达国家有较大差距，建设海洋强国的道路任重道远，现代控制理论的应用在世界范围内也远未成熟。

2 自抗扰控制技术现状

基于现代控制理论的控制器对于被控对象的精确模型具有很强的依赖性，因此在某些不确定的系统中，基于现代控制理论的控制器适应性很差，而且其算法复杂，这大大限制了其使用范围。

控制的核心问题是抗扰，在解决工程问题的过程中，前人总结出三个范式：工业范式、模型范式和抗扰范式[4]。PID控制器就是典型的工业范式，李雅普诺夫法这种需要依赖精确模型的方法属于模型范式，抗扰范式结合了二者的优点提供了一个新的框架。由上述两范式的启发，中科院韩京清教授提出了自抗扰控制方法（Active Disturbances Rejection Controller，ADRC)[5]，该方法在PID控制基础上加以改进：引入了跟踪微分器提取近似微分信号，省去了积分环节避免了积分反馈的副作用，而其中核心部分扩张状态观测器的使用，可以在无法获取到精确数学模型的情况下获得非常好的控制效果，在强干扰和不确定系统中具有很强的适应性和鲁棒性。韩先生对控制系统独到的理解才孕育了自抗扰控制思想：使用串联积分器描述系统动态的主体，该主体是输入信号与输出信号各阶导数之间的关系；各阶导数的复杂变化和外扰的作用增加了系统的不确定性。在控制问题中，主体之外的动态作为枝节，将枝节妥善处理就不影响主体。韩先生为了使这个动态的主体与枝节问题通俗易懂曾将其比喻为鱼骨头和鱼刺的关系：鱼刺可以很复杂, 但是只要能一次性整块地除掉就不会影响大局了。所谓“除掉”就是根据信号的输入输出估计出串联积分器之外的动态，然后用控制信号抵消，让控制器得到大大简化[4]，这就是自抗扰控制的精髓。但是，没有什么方法是完美的，韩先生的自抗扰控制方法也有自身待改进的方面，比如存在系统参数过多，难以确定稳定性边界等问题，高志强先生针对非线性系统存在的问题，将所有控制模块都以线性形式实现，采用该方法简化了控制器参数[6]，但是同样能得到性能优良的控制器，因此在实际工业控制中更加适用。线性化和带宽概念的引入给理论研究提供了全新的视角，同时降低了难度。