基于滑模观测器的非因果模型预测控制在船舶收放系统中的防碰撞控制研究

为解决海洋收放系统(L&R)中因波浪扰动导致的碰撞风险问题，南安普顿大学团队创新性地提出了一种结合滑模观测器(SMO)与管式模型预测控制(TMPC)的非因果控制方案。该研究通过SMO精准估计匹配干扰，显著降低了TMPC的稳态误差，在保证约束条件下实现了刚性充气艇(RHIB)的安全回收。仿真表明，该方法使缆绳长度误差降低74%，为复杂海况下的自主作业提供了新思路。

　　

在波涛汹涌的海面上，如何安全回收小型救援艇一直是困扰航海界的难题。传统人工操作受限于海况条件，而现有自动控制方法如PID控制或滑模控制(SMC)往往存在过度保守或稳态误差大的缺陷。特别是当刚性充气艇(RHIB)通过缆绳与母船连接时，系统呈现典型的欠驱动特性——仅靠缆绳张力这一单一控制输入，既要抑制波浪引发的摆动，又要精确控制收放速度，还要避免与母船碰撞，这对控制算法提出了极高要求。

英国南安普顿大学(University of Southampton)的研究团队在《Ocean Engineering》发表的研究中，创新性地将滑模观测器(Sliding Mode Observer, SMO)与管式模型预测控制(Tube-based Model Predictive Control, TMPC)相结合，开发出名为TMPC-SMO的新型控制架构。该方案通过SMO实时估计匹配干扰并补偿给控制器，使TMPC只需处理显著减小的残余干扰集，从而在保证鲁棒性的同时降低保守性。仿真结果显示，相比传统TMPC，新方法将缆绳长度稳态误差从0.025米降至0.0065米，降幅达74%，且所有状态量均能严格满足防碰撞约束。

研究团队主要采用三项关键技术：首先建立包含两个阶段（RHIB在水中/出水）的非线性动力学模型，通过小角度近似简化方程；其次设计超螺旋结构的SMO，其有限时间收敛特性可快速准确估计匹配干扰w_ma；最后构建时变约束 tightening机制，通过蒙特卡洛模拟确定 tightening参数μ₁(k)和μ₂(k)，确保256组不同初始条件下的鲁棒性。

研究结果部分，"问题建模"章节揭示了系统动力学特性：当缆长l≥l_s时RHIB受波浪力F_wave,x/z作用，形成含Ω_x/z项的耦合方程；"SMO设计"部分证明观测器能在0.1秒内实现误差收敛，将估计误差w_ma-?_ma降低至接近零；"TMPC-SMO性能"章节的箱线图显示，在信噪比0-20dB、预测标准差σ=0.05-0.2的干扰下，长度控制ITAE指标始终优于传统方法；"蒙特卡洛验证"则证实所有仿真轨迹的最终摆角θ标准差仅0.51°，验证了方案的初始条件不敏感性。

该研究的突破性在于首次将SMO的非因果误差界信息融入TMPC框架，通过二者的协同作用实现"精确估计-主动补偿-鲁棒控制"的闭环。相较于文献报道的PSO-PID方案60%的减摆效果，或自适应SMC方案77.5%的误差改进，TMPC-SMO在保持同等安全水平（摆角始终<10°）的同时，显著提升了定位精度。研究人员特别指出，未来通过引入三维动力学模型和驱动系统传递函数，可进一步推动该技术在实际船舶作业中的应用。这项成果为恶劣海况下的自主作业提供了新范式，对提升海上救援效率和安全性具有重要意义。