具有预设性能的复合超螺旋滑模控制在恶劣海洋干扰下的鲁棒船舶动态定位

《Ocean Engineering》：Composite super-twisting sliding mode control with prescribed performance for robust vessel dynamic positioning under harsh marine disturbances

　　

• 提出了一种用于船舶动态定位系统的PP-STISMC框架。• 该框架消除了颤振，并将跟踪误差保持在预设范围内。• 积分滑模增强了抗扰能力和快速跟踪性能。• INDO实现了对复杂时变海洋干扰的快速估计。• 对比仿真显示其优于主流控制方法。

引言

船舶动态定位（DP）系统作为海洋工程的核心装备，依靠自主推进来抵消风、浪、流等干扰，从而实现高精度的船舶定位和航向保持（Tomera和Podgórski, 2021）。与真实系统相比，船舶运动模型表现出强非线性、时变参数和未建模动态特性，这些是制约船舶DP系统控制精度和鲁棒性能的主要因素（Shi等, 2023）。滑模控制（SMC）凭借其对抗参数不确定性和外部干扰的强鲁棒性，已成为DP系统的主流鲁棒控制方案（Dagal和Erol, 2025）。扰动观测器能够实时估计未知的外部干扰并进行前馈补偿，为提高SMC的抗扰能力提供了一种有效的技术手段（Guo等, 2024）。然而，传统SMC存在严重的颤振问题和不受约束的跟踪误差，降低了系统性能。此外，典型的扰动观测器存在收敛速度慢和估计精度有限的问题。因此，迫切需要一种将先进SMC算法与高性能扰动观测器相结合的综合控制策略（Thanh, 2022）。

Wang等将积分滑模控制（ISMC）引入海洋DP系统，通过在滑模面设计中引入积分项来消除稳态误差并增强对低频干扰的鲁棒性（Wang等, 2025）。尽管ISMC通过消除传统SMC的趋近阶段实现了全局鲁棒性，但仍受到固有高频切换引起的严重颤振问题的困扰。为解决这一问题，Levant（2001）建立了超 twisting 滑模控制（STSMC）框架，旨在抑制颤振的同时保持鲁棒性。Ismail和Putranti首次将STSMC应用于海洋自主水下航行器（AUV）的控制，验证了其在海洋环境中的无颤振性能和抗扰能力（Ismail和Putranti, 2015）。然而，该方案采用固定控制增益，缺乏对干扰边界的显式约束。为消除传统STSMC对精确干扰边界的依赖，Liu等提出了一种自适应超twisting滑模控制（ASTSMC），能够在无需先验知识的情况下实时估计未知干扰的上界（Liu等, 2025）。然而，自适应增益律在快速时变干扰下固有的引入延迟；当干扰变化快于自适应速率时，增益无法及时跟踪干扰，这限制了其在恶劣海洋环境中的估计精度。Bechlioulis和Rovithakis首次提出了预设性能控制（PPC）（Bechlioulis和Rovithakis, 2008），Tang和Jiang通过误差变换进一步对瞬态和稳态跟踪误差施加了严格约束（Tang和Jiang, 2023）。Liu等进一步将PPC与非奇异终端滑模控制（NTSMC）相结合，同时实现了颤振抑制和跟踪误差的预设性能约束（Lee等, 2025b）。然而，NTSMC结构在误差趋近于零时可能受到奇异问题的影响，并且需要仔细的参数调节以避免数值不稳定。更重要的是，该方案未引入专用的扰动观测器进行前馈补偿，这限制了其在强海洋干扰下的抗扰能力。Lee等提出了一种多面超twisting滑模控制（MSSTSMC）方案，在不增加结构复杂度的情况下增强了对风速波动和电网干扰的鲁棒性，该方案适用于双馈感应发电机（DFIG）风力涡轮系统（Lee等, 2025）。Barghandan等提出了一种超twisting全局滑模方案用于轨迹跟踪，该方案消除了趋近阶段并在不需要干扰上界的情况下抑制了颤振（Barghandan等, 2023）。

随着滑模算法的进步，面向海洋运动控制的扰动观测器设计也得到了进一步丰富。Zhang等为不匹配条件下的海面船舶轨迹跟踪系统设计了一种固定时间扰动观测器，该观测器避免了复杂的参数调节并确保估计误差在固定时间内有界收敛（Zhang等, 2024）。Liu等为非线性系统开发了一种基于超twisting扰动观测器的固定时间预设性能容错控制方案，为面向海洋控制场景的观测器设计提供了理论参考（Liu等, 2023a）。Nie等提出了一种针对受输入饱和影响的海洋面船舶的基于非线性扰动观测器的固定时间预设性能控制方法，该方法采用改进的非线性扰动观测器结构，在执行器饱和限制下同时实现瞬态和稳态误差约束（Nie等, 2025）。Li等为船舶路径跟踪系统构建了一种固定时间扰动观测器，该观测器实现了与初始误差大小无关的干扰估计收敛，增强了对复杂海洋干扰的适应性（Li等, 2025）。然而，在强时变海洋干扰下，这些SMC策略的抗扰能力仍然有限，因为它们缺乏对外部载荷的实时估计和前馈补偿。（Zong等, 2024）采用模糊扰动观测器结合预设性能来处理非线性系统中的输入饱和。模糊近似需要大量的参数调节，且缺乏针对严重海洋干扰的快速固定时间估计。（Xu和Dong, 2025）的工作实现了多智能体协同的全局预设性能控制，忽略了风-浪-流耦合干扰，因此其方案不适合船舶动态定位。

文献（Zhang和Yu, 2023）为自主水面船舶（ASVs）开发了基于扰动观测器的预设性能超twisting滑模控制（DOB-PPSTSMC）。该方案使用传统扰动观测器来近似集总干扰，并结合预设性能约束实现时变轨迹的无颤振跟踪。然而，传统DOB依赖于集总干扰导数有界的严格前提，这一条件在风、浪、流剧烈变化的海洋条件下无法满足。文献（Xiong等, 2023）为水下航行器-机械臂系统（UVMS）提出了神经网络扰动观测器辅助的改进固定时间预设性能超twisting滑模控制（NNDO-IFTPPSTSMC）。该方案采用改进的固定时间性能函数（IFTPF）来避免系统奇异性，并采用基于神经网络的非线性扰动观测器（NNDO）来补偿复合干扰。然而，它采用传统滑模结构，未能消除趋近阶段，导致初始工作阶段的鲁棒性较差。

除了滑模控制之外，模型预测控制和预设时间控制也在DP领域得到了广泛研究。Qian等提出了一种基于Laguerre函数的非线性模型预测控制方法用于DP船舶，该方法在降低在线计算复杂度的同时处理输入饱和和环境干扰（Qian等, 2024）。Gao和Li对海洋载具船舶DP控制的最新进展进行了全面综述，总结了基于观测器的综合控制方案的发展现状，并指出了未来的研究方向（Gao和Li, 2024a）。

为解决现有方法的上述局限性，本文的主要贡献如下：

（1）建立了一种面向船舶动态定位工程应用的集成式PP-STISMC控制方案，该方案将预设性能控制、超twisting算法和积分滑模结构相结合，用于面向场景的部署。需要注意的是，核心组件包括预设性能控制、超twisting算法和积分滑模控制，这些均为现有文献中成熟的理论成果。积分滑模控制消除趋近阶段的内在能力已在现有控制理论研究中得到充分验证。与保留滑模趋近阶段的独立PPC-STSMC实现不同——后者初始鲁棒性较弱，在恶劣海洋条件下可能违反预设误差边界——本工作将成熟的积分滑模架构嵌入到船舶DP控制流程中，并进行专用参数调节和性能约束匹配。该集成方案从初始时刻起即可稳健地抑制匹配干扰，并在整个运行过程中将跟踪误差限制在预设的性能范围内。这种系统级集成和面向DP的适配，而非全新的控制理论推导，为具有大初始位置偏差和严重海洋干扰的船舶DP任务带来了独特的工程优势，这些优势是直接使用现成的PPC或滑模控制器（未经DP适配）所无法获得的。

（2）开发了一种配备超twisting结构的INDO用于海洋干扰估计。基本的超twisting观测器拓扑结构是先前研究中已确立的成熟理论框架，本工作的主要创新在于将其适应于海洋船舶上快速变化的风-浪-流耦合干扰。传统非线性扰动观测器仅能实现渐近收敛，并且在海洋干扰快速波动时估计精度下降。借鉴已确立的超twisting理论中的固定时间稳定性结论，我们重新设计了观测器增益规则以匹配DP干扰特征，使估计误差实现固定时间收敛。所提出的观测器对风、浪、流耦合载荷引起的复合干扰具有更快的瞬态响应和更高的估计精度。进一步与上述PP-STISMC控制器耦合构成闭环DP控制回路，实现更及时的前馈补偿。这种协调集成提升了实际海洋作业中的整体定位性能。

本文其余部分组织如下。第2节建立了DP船舶的数学模型及相应环境干扰模型。第3节首先设计了所提出的PP-STISMC控制器，随后开发了改进的非线性扰动观测器（INDO），并对整个闭环系统进行了严格的稳定性证明。第4节提供了两组对比仿真测试，分别对应定泊和时变曲线轨迹工作条件。第一组测试评估了无INDO补偿的基准控制方案，第二组测试评估了配备所提出INDO的相同控制器，以定量衡量前馈干扰补偿带来的性能增益。第5节总结了全部工作。

船舶模型

本小节建立了DP船舶的数学模型。为描述船舶的运动特性，定义了东北下（NED）坐标系统和船体固定参考坐标系。这两个坐标系如图1所示。

描述DP模式下船舶运动的数学模型如下：
{η˙=R(ψ)ν
Mν˙+D(ν)ν=τ+w
其中η=[x y ψ]?表示东北下（NED）坐标系中的位置和航向向量；ν=[u v r]?

PP-STISMC控制器设计

传统SMC依赖于不连续的符号函数，不可避免地会在控制输入中引起高频颤振。为消除稳态跟踪误差，在滑模面设计中引入了积分项。同时采用ISMC来抑制颤振。然而，尽管该方法提高了稳态精度并减少了颤振，但仍存在残余颤振且瞬态性能未受约束。为解决这两个关键局限性，本……

船舶DP系统PP-STISMC的仿真分析

在本节中，对所提出的控制器进行仿真分析以评估其性能：PP-STISMC控制器在定泊和时变轨迹条件下的性能。

为验证所建立的动态定位船舶数学模型的有效性，选择以下DP船舶作为仿真对象：

基于表1中提供的船舶数据，可以计算出船舶的两个主要参数矩阵：
M=[1.1274 0 0; 0 1.8902 …

结论

本文首先介绍了SMC的基本原理，构建了改进的非线性扰动观测器（INDO），并进一步设计了基于ISMC框架的控制律。为缓解ISMC固有的严重控制输入颤振问题，提出了一种STISMC策略。由于STISMC的切换控制律避免了不连续项，颤振现象得到了有效抑制。此外，通过将PPC原理引入STISMC，实现了约束跟踪……

CRediT作者贡献声明
Hao Chen：概念设计。Guoqian Wu：方法论。Ning Gao：软件。Gang Yao：形式分析。Jingang Han：调查研究。Nadia A?t-Ahmed：资源。Mohamed Benbouzid：数据整理。

利益冲突声明
作者声明不存在任何已知的竞争经济利益或个人关系，这些关系可能影响本文所报告的工作。

Hao Chen | Guoqian Wu | Ning Gao | Gang Yao | Jingang Han | Nadia A?t-Ahmed | Mohamed Benbouzid