DP船舶在复杂环境干扰下的直接速度控制策略研究：基于混合LADRC的轨迹跟踪优化

《Journal of Ocean Engineering and Science》：Velocity control of dynamic positioning vessel based on linear active disturbance rejection controller with environmental disturbance

本文针对DP（动力定位）船舶在复杂海洋环境（风、浪、流）干扰下，传统基于轨迹跟踪的间接速度控制策略存在轨迹稳态误差与速度响应超调的矛盾问题，开展了基于混合线性自抗扰控制（LADRC）的直接速度控制策略研究。通过数值仿真验证，该策略在保证无超调速度控制的同时，显著降低了轨迹偏移，提升了控制精度和能量效率，对高精度海洋作业具有重要应用价值。

　　

在广阔的海洋资源勘探与开发领域，船舶的动力定位（DP, Dynamic Positioning）技术扮演着至关重要的角色。无论是海上石油钻井平台的精确定位，还是水下机器人的回收作业，亦或是科学考察船的定点观测，都要求船舶能够在风、浪、流等复杂海洋环境力的干扰下，保持预设的位置和航向，或者精确地跟踪一条预定轨迹。然而，海洋环境瞬息万变，其施加在船体上的力具有强非线性、时变且难以精确建模的特点，这对DP系统的控制性能提出了严峻挑战。

传统的DP控制系统通常采用基于轨迹跟踪的策略来间接实现速度控制。这种策略的核心思想是最小化船舶实际位置与目标轨迹点之间的误差。当位置误差被驱近于零时，理论上船舶的速度也会收敛到期望值。常用的控制器如比例-积分-微分（PID）控制器和滑模控制器（SMC）在这一框架下被广泛研究。然而，这种间接控制方式存在一个内在矛盾：为了快速消除轨迹跟踪的稳态误差，控制器往往需要较大的控制输出，这容易导致船舶速度响应出现超调（即实际速度短暂地超过目标值），不仅增加了推进器的能量消耗，也可能引发系统振荡。反之，若为了避免速度超调而采用较保守的控制参数，则可能导致轨迹跟踪出现较大的稳态误差，使得船舶在跟踪复杂轨迹（如Z形轨迹）时，在转向点产生明显的轨迹偏移。此外，船舶运动模型参数的不确定性以及环境干扰的估计偏差，进一步加剧了控制器设计的难度。因此，如何在保证轨迹跟踪精度的同时，实现平滑、无超调的速度响应，并有效抑制环境干扰，成为DP控制领域一个亟待解决的关键问题。

为了应对上述挑战，发表在《Journal of Ocean Engineering and Science》上的这项研究，另辟蹊径，提出了一种用于DP船舶的直接速度控制策略，并相应地设计了一种混合线性自抗扰控制器（Hybrid LADRC）。该研究通过系统的数值仿真，与传统的PID控制器、滑模控制器（SMC）以及标准的LADRC（采用间接速度控制策略）进行了对比分析，深入探讨了不同控制策略和控制器在应对环境干扰、控制性能以及能量消耗等方面的表现。研究结果表明，所提出的直接速度控制策略结合混合LADRC，能够有效解决间接速度控制策略中轨迹稳态误差与速度响应超调之间的矛盾，在复杂海洋环境干扰下，实现了更优越的轨迹跟踪性能和更低的能量消耗。

为开展本研究，研究人员主要运用了以下几个关键技术方法：首先，建立了包含刚体流体动力、科里奥利力、线性阻尼、非线性阻尼以及风、浪（一阶波浪力τ_wave1和二阶波浪力τ_wave2）、流环境干扰的三自由度（纵荡、横荡、首摇）DP船舶非线性数学模型作为仿真平台。其次，针对推力分配问题，构建了以推力变化、方位角变化和松弛变量为优化目标的二次规划问题，以满足推力器物理约束。接着，重点设计并实现了三种控制器进行对比：PID控制器、滑模控制器（SMC）以及线性自抗扰控制器（LADRC）。对于所提出的新策略，则设计了混合LADRC，其特点是对位置控制环采用二阶LADRC结构，而对速度控制环采用一阶LADRC结构。最后，通过在预设的Z形轨迹和不同海况（采用JONSWAP和ITTC两种波浪谱，不同波高H_s、谱峰周期T_p、风向）下进行大量的数值仿真，以轨迹偏移的均方根误差（RMSE）、速度超调量（M_p）和推力器能量消耗（E^*_c= ∫ΣTh^1.5_idt）作为性能指标，全面评估了各控制方案的优劣。

研究成果显示：

1. 间接速度控制策略下不同控制器的性能对比

研究人员首先在恒定目标速度（如1节）下，比较了PID、SMC和LADRC在间接速度控制策略下的表现。结果表明，PID和SMC控制器虽然能实现无稳态误差的轨迹跟踪，但其速度响应存在显著超调，导致推力器能量消耗大幅增加。而标准的LADRC能够实现几乎无超调的速度响应，且能量消耗最低，但其轨迹跟踪存在明显的稳态误差。这种稳态误差在跟踪简单的直线轨迹时表现为固定的位置偏差，但在跟踪复杂的Z形轨迹时，会导致船舶在转向点前过早改变航向，从而产生显著的轨迹偏移。这揭示了间接速度控制策略的一个根本矛盾：消除轨迹跟踪稳态误差和避免速度响应超调难以两全。

2. 混合LADRC与直接速度控制策略的提出与验证

为解决上述矛盾，本研究创新性地提出了直接速度控制策略。该策略不再将目标轨迹点作为控制器的主要输入，而是将船舶当前位置到目标轨迹的最短距离（即轨迹偏移量Δx, Δy）以及船舶在该投影点处的目标速度作为控制器的输入。相应地，研究者为速度控制环（u, v）设计了一阶LADRC，为位置控制环（Δx, Δy, ψ）保留了二阶LADRC结构，从而构成了混合LADRC。数值仿真表明，这种混合LADRC结合直接速度控制策略，能够同时实现无超调的速度响应和显著减小的轨迹偏移。与间接策略下的LADRC相比，在Z形轨迹跟踪中，其轨迹偏移的均方根误差（RMSE）降低了约30%-50%，有效克服了间接策略的缺陷。

3. 控制器参数鲁棒性与抗干扰能力测试

研究还深入分析了LADRC关键参数（控制器极点s_CL、观测器极点s_ESO和控制增益b₀）对系统性能的影响。研究发现，LADRC对这些参数的变化具有一定的鲁棒性，参数在较大范围内取值都能保证系统的稳定性和较好的性能。此外，研究设置了多种恶劣海况（如不同波高、谱峰周期、波浪谱类型JONSWAP/ITTC、以及风浪流来自不同方向90°, 135°, 180°）进行测试。结果表明，混合LADRC在各种干扰下均能保持良好的控制性能。特别地，当环境干扰方向与船舶运动方向夹角为135°时（此时船舶受到三个自由度的复杂干扰），控制难度最大，轨迹偏移相对明显，但混合LADRC仍能有效稳定船舶。相比之下，ITTC波浪谱因其在高频段有更多能量分布，比JONSWAP谱对船舶造成的干扰稍大，导致轨迹偏移略有增加。

结论与展望

本研究通过理论分析和数值仿真，系统地论证了基于混合线性自抗扰控制（LADRC）的直接速度控制策略对于动力定位（DP）船舶轨迹跟踪的优越性。该策略成功解决了传统间接速度控制策略中轨迹跟踪精度与速度响应平滑性之间的矛盾。其主要优势体现在：实现了无超调的平滑速度控制，显著降低了推进系统的能量消耗；通过直接处理轨迹偏移，有效提升了复杂轨迹（如Z形轨迹）下的跟踪精度；采用的LADRC具备强大的抗内外扰动的能力，对模型不确定性和环境变化具有很好的鲁棒性。

该研究成果为高精度海洋工程船舶的动力定位控制系统设计提供了新的思路和一种有效的解决方案，对于提升船舶在复杂作业环境下的安全性、经济性和作业效率具有重要意义。未来研究可进一步将该方法应用于更复杂的船舶模型，并考虑推进器动力学特性及其故障情况下的容错控制，以推动其在实际工程中的应用。