具有推进器故障和输入饱和条件的无人海洋车辆的动态定位控制：一种改进的自适应超扭转算法

《Ocean Engineering》：Dynamic positioning control of unmanned marine vehicles with thruster faults and input saturation: an improved adaptive super-twisting algorithm

针对无人水面航行器（UMVs）在海洋扰动、模型不确定性和推进器故障下的输入饱和问题，本文提出了一种改进自适应超-Twist算法与快速终端滑模（FTSM）结合的有限时间容错控制器。通过设计具有切换功能的滑模面解决FTSM的奇异性问题，开发自适应律估计系统不确定性和构建抗饱和辅助系统，实现有限时间内状态误差收敛至平衡点邻域。仿真验证了该方法在动态定位中的有效性。

　　本文聚焦于无人水面船舶（Unmanned Marine Vehicles, UMVs）在存在输入饱和、推进器故障、海洋扰动以及模型不确定性的情况下，如何实现有限时间内的容错控制。随着海洋探索的不断深入，无人水面船舶在多个领域中得到了广泛应用，包括海洋环境监测、石油资源勘探、海上救援、数据采集以及军事任务等。这些应用对UMVs的控制精度和动态性能提出了更高的要求，尤其是在面对复杂海洋环境和长期运行带来的机械损耗时，推进器故障成为影响系统稳定性和任务执行的关键因素。

在传统控制方法中，滑模控制（Sliding Mode Control, SMC）因其强大的鲁棒性被广泛应用于UMVs的控制领域。然而，滑模控制中常见的“抖振”现象，即控制器输出中出现高频振荡，可能对推进器造成疲劳甚至损坏。此外，传统的自适应超扭算法（Adaptive Super-Twisting Algorithm, ASTA）在参数选择上存在较大困难，这不仅增加了控制器设计的复杂性，也限制了其在实际应用中的灵活性。为了克服这些局限性，本文提出了一种改进的自适应超扭算法，结合快速终端滑模（Fast Terminal Sliding Mode, FTSM）方法，旨在构建一个具备抗饱和能力的有限时间容错控制器。

首先，针对快速终端滑模控制中存在的奇异性问题，本文设计了一种具有切换功能的滑模面，使得系统状态在有限时间内能够收敛至平衡点附近的小邻域。传统的滑模控制方法通常通过在滑模面中加入一个微小常数来避免奇异性，但这种方法可能会影响控制精度并引入不必要的误差。本文提出的滑模面设计不仅有效避免了奇异性，还保持了控制系统的高精度和稳定性。

其次，为了处理系统中存在的未知扰动和模型不确定性，本文引入了一套自适应法则，用于实时估计这些不确定性。通过不断调整控制器参数，自适应法则能够使系统在面对外部干扰和模型误差时，依然保持良好的控制性能。这一设计在实际应用中尤为重要，因为海洋环境中的扰动往往是不可预测且多变的，而模型不确定性则可能源于系统建模过程中的简化或传感器测量误差。

再者，针对输入饱和问题，本文构建了一个抗饱和辅助系统，并将其与自适应法则相结合。输入饱和是UMVs控制系统中常见的问题，尤其是在高负载或强扰动环境下，控制器输出可能超过系统实际能够承受的范围。抗饱和辅助系统能够在系统状态接近饱和极限时，自动调整控制信号，防止因输入饱和而导致的控制失效。这一方法不仅提高了系统的鲁棒性，还增强了其在复杂环境下的适应能力。

本文的核心贡献在于，通过改进的自适应超扭算法，实现了一个兼具抗饱和和有限时间收敛特性的容错控制器。相比于传统的容错控制方法，该控制器能够在有限时间内将系统状态误差收敛至一个较小的邻域，从而显著提升了控制系统的响应速度和稳定性。此外，改进后的自适应超扭算法在结构上更加简洁，参数选择也更加直观，降低了控制器设计的复杂度，提高了实际应用的可行性。

在实际应用中，UMVs的动态定位（Dynamic Positioning, DP）是一个关键任务，要求船舶在复杂海洋环境下保持精确的位置和姿态。本文所设计的控制器能够有效应对推进器故障和输入饱和问题，确保UMVs在执行DP任务时依然能够保持良好的控制性能。通过引入快速终端滑模方法，控制器能够在有限时间内实现状态收敛，避免了传统方法中可能出现的无限时间收敛问题，从而提高了系统的实时性和可靠性。

为了验证所提出方法的有效性，本文进行了仿真研究。仿真环境采用了一艘实际存在的浮式生产船舶，其原始尺寸为200.6米长，重量为73,097.15千克。为便于仿真计算，本文将该船舶按70:1的比例进行缩放。仿真过程中，系统参数矩阵（如质量矩阵、阻尼矩阵、刚度矩阵等）参考了Fossen和Grovlen（1998）的研究成果，其余参数则根据实际需求进行设定。通过仿真结果，本文验证了所设计的控制器在面对推进器故障和输入饱和时的鲁棒性和有效性。

此外，本文还讨论了在设计控制器过程中可能遇到的其他挑战。例如，在实际应用中，系统状态的测量和反馈是实现控制目标的基础，因此需要确保所有状态变量均可测量。同时，控制器的参数选择对系统性能具有重要影响，因此需要在设计过程中充分考虑参数的合理性和可调性。本文提出的改进方法在这些方面进行了优化，使得控制器不仅具备较强的鲁棒性，还具有更高的可调性和适应性。

在实际工程应用中，控制器的性能不仅取决于其理论设计，还受到实际系统特性和环境因素的影响。因此，本文所提出的控制器需要在实际测试中进一步验证其有效性。例如，在真实海洋环境中，船舶可能会遭遇多种类型的扰动，如风浪、洋流和潮汐变化等。这些扰动可能会影响控制器的性能，甚至导致系统不稳定。因此，未来的研究方向可以包括在更复杂的海洋环境中进行实验验证，以及探索如何进一步提高控制器对多种扰动的适应能力。

综上所述，本文提出了一种改进的自适应超扭算法，结合快速终端滑模方法，设计了一个具备抗饱和能力的有限时间容错控制器。该控制器能够有效应对推进器故障、输入饱和、海洋扰动和模型不确定性等问题，从而提升UMVs在复杂环境下的控制性能。通过仿真研究，本文验证了所提出方法的有效性，为未来在实际应用中进一步推广和优化该控制器提供了理论基础和技术支持。