基于事件触发预设时间扩张状态观测器的动力定位船舶轨迹漏斗控制方法

本文提出了一种结合事件触发预设时间扩张状态观测器（PTESO）和漏斗控制的创新策略，用于解决动力定位船舶（DPV）在海洋扰动和未建模动态下的高精度轨迹跟踪问题。该策略通过PTESO在预设时间内精确估计未知状态和扰动，并借助事件触发机制显著降低通信成本（减少68.7%）。漏斗控制技术确保跟踪误差始终约束在预设性能边界内，兼顾瞬态和稳态性能，平均跟踪误差降低71.63%。研究为DPV在复杂海洋环境下的资源高效控制提供了新思路。

　　

Highlights

（研究亮点）

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  (1) 传统扩张状态观测器（ESO）虽能保证估计误差收敛，但通常需要无限时间。本研究首次将ESO与预设时间控制技术相结合应用于DPV轨迹跟踪，可在用户定义的收敛时间内快速重构未知状态。与现有有限时间或固定时间方法相比，该方法不依赖复杂参数整定和初始条件约束，具有更强的实用性和鲁棒性。

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  (2) 不同于需要持续激励才能保证收敛的观测器，本文提出了一种结合事件触发机制的新型PTESO，可在无需持续激励的情况下保证估计状态收敛，同时实现与时间触发机制相当的性能。

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  (3) 将基于正切函数的漏斗控制策略融入DPV轨迹跟踪框架，通过变换函数将有约束控制问题转化为无约束问题，简化控制器设计，并保证跟踪误差始终处于预设漏斗边界内，实现优异的瞬态和稳态性能。

Control system design

（控制系统设计）

本研究开发了一种新颖的轨迹跟踪控制方案，其结构如图1所示。该框架集成了漏斗控制器、动态表面控制（DSC）反步控制器和事件触发PTESO。首先，利用正切型误差变换将约束跟踪误差转换为无约束形式；随后应用漏斗控制器，通过动态调整时变反馈增益对跟踪误差施加瞬态和稳态性能约束。

Simulation studies

（仿真研究）

本节通过仿真结果验证所提出控制方案的优越性。选用缩比比例为1:30的CyberShip III模型作为测试平台，海洋扰动设为 d = [2sin(0.02t), 2sin(0.02t), 2sin(0.02t)]^T，未建模动力学定义为 g(v) = [2u²r, 2u²r, 2u²r]^T。仿真时长为300秒，时间步长为0.1秒。

Conclusion

（结论）

针对在未知海洋扰动和系统动力学下运行的DPV，提出了一种基于预设时间扩张状态观测器的事件触发漏斗控制策略。该策略集成了新型事件触发PTESO，能够在间歇通信条件下于预设时间内精确估计未知状态信息，显著降低通信成本的同时保证预设时间内的收敛性。基于该观测器，进一步开发了复合控制方案，确保跟踪误差始终处于预设性能边界内。理论分析证明了闭环系统的预设时间稳定性，并排除了Zeno现象。仿真结果表明，所提出策略在跟踪精度和通信效率方面均显著优于传统方法。