[發(fā)明專利]一種船舶動力定位控制系統(tǒng)非線性濾波器設(shè)計方法

在審

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• 申請日: 2017-07-25
• 公開（公告）號: CN107272415A
• 公開（公告）日: 2017-10-20
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 王龍金;周松辰;郭春秋
• 申請（專利權(quán)）人: 青島科技大學(xué)
• 主分類號: G05B13/04
• 分類號: G05B13/04
• 代理公司: 北京中濟緯天專利代理有限公司11429
• 代理人: 孫靜雅

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于船舶操縱與控制領(lǐng)域，特別涉及該領(lǐng)域中的一種基于海浪峰值頻率的船舶動力定位控制系統(tǒng)非線性濾波器設(shè)計方法。

背景技術(shù)

船舶動力定位控制系統(tǒng)是一種典型的抗干擾控制系統(tǒng)，其主要目標(biāo)是以較少的執(zhí)行機構(gòu)動作和能量消耗控制船舶的位置和航向保持在設(shè)定位置。動力定位船舶在海洋環(huán)境中由于受到風(fēng)、浪、流的干擾其位置和航向角會偏離設(shè)定值，其中一階波浪干擾力和力矩引起的船舶運動為高頻運動。船舶高頻運動難以通過動力定位控制系統(tǒng)進(jìn)行有效控制，同時還會引起執(zhí)行機構(gòu)的過度磨損和能量消耗。傳統(tǒng)的船舶動力定位濾波器技術(shù)通常采用卡爾曼濾波器設(shè)計方法，該方法對船舶運動模型精度要求高，且濾波器增益受海洋干擾環(huán)境變化影響大，這增加了濾波器的設(shè)計難度。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題就是提供一種基于海浪干擾峰值頻率的船舶動力定位控制系統(tǒng)非線性濾波器設(shè)計方法。

本發(fā)明采用如下技術(shù)方案：

一種船舶動力定位控制系統(tǒng)非線性濾波器設(shè)計方法，其改進(jìn)之處在于，包括如下步驟：

S1：船舶運動模型建立

根據(jù)船舶排水量m，以及水池試驗或者水動力數(shù)值分析獲得的水動力導(dǎo)數(shù)X_u、Y_v、N_r、N_v、Y_r，重心在船體坐標(biāo)系中的位置x_g，建立動力定位系統(tǒng)船舶的縱蕩、橫蕩和艏搖三自由度運動模型：

其中，η＝[N E ψ]^T為固定坐標(biāo)系下東向位置，北向位置和航向角，為低頻位置信息，ν＝[u v r]^T為船體平行坐標(biāo)系下縱蕩速度，橫蕩速度和航向角速度，b_p＝[b₁ b₂ b₃]^T為船體平行坐標(biāo)系下縱蕩、橫蕩和航向運動未建模低頻信號，τ為船體平行坐標(biāo)下控制力和控制力矩，τ_wind和τ_wave為船體平行坐標(biāo)系下風(fēng)和流干擾力和干擾力矩，M和D為船舶運動模型參數(shù)，其中：

S2：非線性濾波器設(shè)計模型

根據(jù)海浪譜密度特性構(gòu)建地坐標(biāo)系下一階波浪力引起的船舶東向位置、北向位置和航向角高頻運動模型，其中每個自由度均采用二階成型濾波器進(jìn)行建模，具體結(jié)構(gòu)如下：

其中，ξ＝[ξ_x ξ_y ξ_ψ x_w y_w ψ_w]^T，其中ξ_x、ξ_y、ξ_ψ為輔助變量，x_w、y_w、ψ_w為一階波浪引起的東向位置、北向位置和航向角，ω₁＝[ω_x ω_y ω_ψ]^T，ω_x、ω_y、ω_ψ為白噪聲信號；

結(jié)合式(1)所示動力定位船舶運動模型和式(5)所示高頻運動模型，建立動力定位船舶非線性濾波器設(shè)計模型如下：

其中，ω₂、ω₃為白噪聲信號，分別代表低頻干擾未建模項和船舶運動模型未建模項，v_m為傳感器測量噪聲；

S3：非線性濾波器設(shè)計

根據(jù)式(6)給出的船舶動力定位觀測器設(shè)計模型設(shè)計非線性濾波器結(jié)構(gòu)如下：

其中，y為傳感器測量信號，為觀測得到的船舶低頻位置信號和高頻位置信號之和，K₁(ω₀)、K₂、K₃和K₄為觀測器參數(shù)；

S4：濾波器增益選擇

根據(jù)式(7)所示各變量維數(shù)，非線性濾波器增益為：