4. 定点保持模式斜坡扰动跟踪测试
测试对象与扰动设计
本例针对定点保持（DP Station Keeping）模式下的缓变扰动跟踪能力。与阶跃扰动不同，斜坡扰动模拟的是风向缓慢转向、海流逐渐增强这类过程：控制器有充足时间响应，但会持续处于“追赶”状态，因此考察的是跟踪滞后与积分作用是否合理，而非瞬态超调。
测试采用“斜坡风 + 恒定流”的组合，避免单一扰动源掩盖耦合效应。设定船为某供给船，DP 参考点位于船中，测试参数如下：
| 参数 | 设定值 | 说明 |
|---|---|---|
| 目标位置 | (0 m, 0 m) | DP 参考点，北东坐标系 |
| 目标艏向 | 0° | 船首向北 |
| 斜坡风起始/终止 | 0 → 12 m/s | 来向 045°，历时 300 s |
| 恒定流 | 0.6 kn，来向 090° | 测试全程施加 |
| 采样周期 | 1 s | 记录位置、艏向、推力指令 |
| 判定窗口 | 斜坡结束后 120 s | 观察残余偏差收敛 |
斜坡风在 300 s 内线性增至 12 m/s，对应风力约 0.5·ρ·V²·A，随速度平方增长，因此扰动力的时间曲线并非直线，而是抛物线型上升——这一点在判读漂移曲线时必须考虑，否则容易误判控制器增益不足。
测试执行与数据记录
- 船舶进入定点保持模式，待位置与艏向稳定在死区内（连续 60 s 偏差 < 0.5 m、< 0.5°）后开始记录。
- 施加 090° 方向 0.6 kn 恒定流，等待 120 s 使控制器建立稳态偏置推力。
- 启动斜坡风发生器：来向固定 045°，风速按 0.04 m/s² 线性上升至 12 m/s，历时 300 s。
- 全程以 1 s 周期记录：北向/东向位置偏差、艏向偏差、各推力器推力百分比、控制器积分项输出。
- 斜坡结束后继续保持 120 s，观察偏差是否回落并稳定。
记录时务必同步保存推力器指令。仅看位置曲线无法区分“控制器未补偿”与“推力器饱和无法补偿”，而这两者的处置结论完全不同。
漂移与补偿过程的判读
下图给出本例的典型响应形态：斜坡风叠加恒定流后，船舶先沿合力方向缓慢漂移，控制器通过积分项逐步建立反向推力，最终将偏差拉回并稳定在一个与扰动量级相关的残余偏置上。
判读时重点关注三个量：峰值偏差（斜坡结束时刻）、回落速率（斜坡后 120 s 内偏差下降斜率）、残余偏差（稳定后的稳态值）。本例中峰值偏差约 1.8 m、残余偏差约 0.6 m，若精度指标为 1.0 m，则残余偏差合格但峰值偏差超限，需结合指标定义判断是“全程偏差”还是“稳态偏差”要求。
结果判定与常见异常
| 现象 | 可能原因 | 处置方向 |
|---|---|---|
| 斜坡期间偏差几乎不增长 | 扰动未真正施加，或风速斜坡未生效 | 检查风发生器输出与记录通道 |
| 斜坡结束后偏差持续上升 | 积分增益过低，或推力器饱和 | 查看推力指令是否达限幅 |
| 偏差回落但反复振荡 | 积分增益过高，与微分项失配 | 降低积分增益，检查滤波 |
| 艏向偏差同步增大 | 扰动力矩未被艏向控制环补偿 | 检查艏向环积分与推力分配 |
斜坡扰动测试中，风力随速度平方增长，若按线性风速设计判据会低估后段扰动力。建议在记录中同时保存风速与推力指令，以便区分“扰动增长”与“控制失效”。
通过条件建议设为：斜坡结束后 120 s 内位置偏差收敛至指标值的 1.2 倍以内，且推力指令未持续处于限幅状态。若两项均满足，可判定控制器对缓变扰动具备合格的跟踪与抑制能力。