3. 定点保持模式阶跃扰动响应测试
测试对象与扰动注入方式
本节在定点保持（DP Station Keeping）模式下，对船舶模型施加一次阶跃风扰动或阶跃流扰动，记录位置与艏向的瞬态响应，用于评估控制器对突加扰动的抑制能力。与稳态精度测试不同，本节关注的是扰动加入瞬间到重新稳定的全过程，核心指标为超调量、恢复时间与稳态误差。
测试前需明确以下对象与约定：
- 控制目标：设定点（Setpoint）固定为初始位置与艏向，例如东向 0 m、北向 0 m、艏向 0°。
- 扰动形式：阶跃扰动，即在某一时刻 t₀ 环境力从 0 突变为恒定值并保持。风扰动用风速/风向表示，流扰动用流速/流向表示。
- 记录量：东向位置偏差 ΔE、北向位置偏差 ΔN、艏向偏差 Δψ，以及推力器输出（如艏侧推、主推指令）随时间的变化。
- 采样：建议采样周期不大于 0.5 s，确保能捕捉上升沿与超调峰值。
下面这张图给出阶跃扰动注入与响应记录的整体信号链，包括扰动源、船舶动力学、控制器闭环以及三个关键判读量的提取位置。
测试参数与操作流程
以下参数为教学示例，实际测试时应按船舶模型与DP系统规格调整。关键是保证扰动幅值足以激发明显瞬态，又不至于触发推力器饱和而掩盖控制器本身的响应特性。
| 参数 | 示例取值 | 说明 |
|---|---|---|
| 初始状态 | E=0 m, N=0 m, ψ=0° | 定点保持已稳定至少 60 s |
| 阶跃风 | 风速 12 m/s，风向 045° | t₀ 时刻从 0 突加至该值 |
| 阶跃流 | 流速 0.8 m/s，流向 090° | 可与风扰动分别测试 |
| 采样周期 | 0.2 s | 记录位置、艏向、推力指令 |
| 记录时长 | 扰动后 300 s | 覆盖瞬态与稳态 |
操作流程：
- 加载船舶模型，进入定点保持模式，确认位置与艏向稳定在设定点。
- 启动数据记录，记录至少 10 s 的扰动前基线。
- 在 t₀ 时刻将风或流参数从 0 阶跃设置为目标值，保持恒定。
- 持续记录 300 s，观察位置偏差与艏向偏差曲线。
- 导出数据，提取超调量、恢复时间与稳态误差。
指标提取与判读
三个核心指标的定义与判读方法如下：
- 超调量：响应峰值与稳态值之差的绝对值，除以稳态值（若稳态值接近 0，则用峰值绝对值表示）。反映控制器对突加扰动的过冲程度。
- 恢复时间：从 t₀ 到响应首次进入并保持在稳态值 ±5% 带内的时间。反映控制器抑制扰动的速度。
- 稳态误差：扰动后 250–300 s 区间内位置偏差与艏向偏差的平均值。反映控制器在恒定扰动下的最终补偿精度。
判读时注意区分位置超调与艏向超调。位置超调通常由推力分配延迟引起，艏向超调则更多与艏向控制环增益有关。若超调量过大但恢复时间短，说明控制器响应快但阻尼不足；若恢复时间长但超调小，说明控制器偏保守。
阶跃扰动幅值不宜过大，否则推力器可能饱和，导致响应曲线出现削顶，此时测得的超调量与恢复时间不能真实反映控制器性能。建议先做小幅度预测试，确认推力指令未达上限后再进行正式记录。
示例数据与结果分析
以下为一组教学示例数据（非实测），用于说明如何从记录曲线中提取指标：
| 指标 | 东向 ΔE | 北向 ΔN | 艏向 Δψ |
|---|---|---|---|
| 峰值偏差 | 1.8 m | 1.2 m | 2.5° |
| 稳态偏差 | 0.6 m | 0.4 m | 0.8° |
| 超调量 | 200% | 200% | 212% |
| 恢复时间 | 45 s | 38 s | 52 s |
分析：东向与北向的超调量均达到 200%，说明控制器在阶跃扰动下存在明显过冲，但恢复时间在 40–50 s 量级，属于可接受范围。艏向超调略大且恢复时间最长，提示艏向控制环可能需要适当增加阻尼。稳态偏差均小于 1 m / 1°，满足定点保持精度要求。
若测试结果与上述示例偏差较大，应检查：扰动注入时刻是否与记录时间戳对齐、采样是否丢失、推力器是否饱和、船舶模型参数是否与控制器整定匹配。