由于船舶动力定位系统存在模型不确定、干扰强等特点，控制技术必须更加可靠，而控制技术作为动力定位的核心技术之一，对于保障船舶航行的安全性具有重要意义。因此本文对动力定位系统的控制方法进行了探讨，对自抗扰思想做了研究并将其应用于实际控制中。

1。2 动力定位系统简介

图1-1：DP系统框图

    如图1-1所示：动力定位系统主要由控制系统、推力系统和位置测量系统构成。其中：

    控制系统是整个动力定位系统的核心部分，其功能包括：导航系统和参考轨迹、信号处理、推力分配、观测器、控制器。船舶航行过程中会有设定好的位置和艏向，参考模型会根据给定的位置和艏向产生一条航行轨迹。观测器可以得到位置、艏向还有速度的估值。信号处理的功能主要有检测传感器的故障、防噪声污染、协调传感器等等。推力分配可向众多的推进器分配所需要的力，该力有特定的分配算法，如图中所示，船舶位置和艏向信息将通过船舶模型、位置参考系统以及观测器获得。控制系统为得到误差值会将实际位置、艏向与期望值作比较，该误差经过推算可得到平衡外部干扰力所需要的推力，然后控制系统给推进器发出控制指令，推进器系统响应后将产生相应的推力和转矩。

    位置测量系统作为动力定位系统的基础，通过位置测量系统可以得到实际的位置和艏向信息，艏向信息一般通过速度陀螺仪或者电罗经来测量，位置信息通常利用卫星导航系统、无线电应答系统、声呐参考系统等来测量。除了位置测量系统，还有另外一套系统，通常被称为传感器系统，该系统可测量风速、风向、流速等要素。

    推力系统的作用是执行控制系统发出的推力指令，对指令反应之后产生相应推力。在水平方向上动力定位系统只控制三自由度的运动，而为保持定位的准确性推力系统应能够产生足够的推力，良好的响应速度也是推力系统的性能体现。另外，在为达到某些特定的作业时推力系统也可以提供所需的作业力。

1。3 国内外研究现状

1。3。1 动力定位系统发展和现状

1。3。2 自抗扰控制技术现状

1。4 本文主要研究内容

动力定位系统已经在船舶领域广泛应该，针对海上航行具有的诸多不确定性，本文选用的自抗扰控制方法具有较好的抗干扰性和鲁棒性。但是由于整个控制器的参数较为复杂，本文在前人的基础上改进了自抗扰控制方法并设计了起重船动力定位系统控制器。 

首先，建立空间运动坐标系并定义运动变量，再建立干扰力数学模型以及船舶三自由度数学模型，为之后设计控制器和验证控制器奠定基础。重点研究了自抗扰控制器（ADRC），这其中包括：跟踪微分器（TD）、扩张状态观测器（ESO）、状态误差反馈控制律（NLSEF）。但是非线性的自抗扰控制器也有不足之处，本文在基础的自抗扰器基础上作了改进。最后，基于线性自抗扰理论对船舶动力定位做控制器设计，并利用MATLAB软件仿真以验证所提出的控制方法的有效性。

第二章 船舶动力定位系统的数学模型

2。1 引言

在海上航行时船舶必然会受到风、浪、流等外界扰动力的影响，为了后续研究动力定位系统控制方法，建立船舶受到的扰动力的数学模型是必要的。船舶的数学模型本质上是船舶实际系统的简化，对船舶三自由度模型进行分析就是对实际系统的研究。利用计算机仿真来进行船舶控制器设计是较为经济有效的手段，模型的建立必不可少。