[發明專利]一種基于蒙特卡羅卡爾曼濾波的船舶軸功率測量方法

有效

• 申請號: 202011582414.1
• 申請日: 2020-12-28
• 公開（公告）號: CN112781763B
• 公開（公告）日: 2022-02-01
• 發明（設計）人: 李玉平
• 申請（專利權）人: 湖北理工學院
• 主分類號: G01L3/24
• 分類號: G01L3/24;G06F17/11;G06F17/16
• 代理公司: 湖北百煉石律師事務所 42281
• 代理人: 吳陽

1.一種基于蒙特卡羅卡爾曼濾波的船舶軸功率測量方法，其特征在于，包括：

S1，根據船軸系的工作原理，抽象出其物理模型，并構建其微分方程，進而根據微分方程構建扭矩的狀態方程；

S2，根據軸功率與扭矩和轉速的關系，構建軸功率的量測方程；

S3，獲取前一時刻的扭矩狀態估計值和扭矩協方差矩陣，利用蒙特卡羅法和扭矩的狀態方程計算扭矩當前時刻狀態預測值和協方差預測值；

S4，獲取當前時刻轉速的測量值和協方差，根據蒙特卡羅法模擬出當前時刻轉速的隨機點集；

S5，根據扭矩的當前時刻狀態預測值、轉速的隨機點集和所述軸功率的量測方程，生成軸功率的樣本集和軸功率的預測值；

S6，根據軸功率的樣本集和軸功率的預測值，計算功率的協方差以及功率和扭矩的協方差；

S7，根據功率的協方差以及功率和扭矩的協方差通過濾波更新當前時刻的扭矩狀態估計值和扭矩協方差矩陣，得到下一時刻的扭矩狀態估計值和扭矩的協方差，計算當前時刻的船舶軸功率，重復執行S3到S7；

所述S1中，船軸系如同一個具有慣性質量的彈性系統,當被測軸上作用扭矩時，軸的變形使其任意兩個橫截面繞中心相對轉動，從而產生一個扭轉角，根據扭轉振動理論，軸的扭轉系統可等效為彈性振動系統，其微分方程如下：

K＝GI_P/l；

其中，T(t)為t時刻的扭矩，J為扭桿的轉動慣量矩陣，C為扭桿扭振時的阻尼矩陣，K為軸的剛度矩陣，l為扭桿長度，G為扭桿剪切模量，Ip為扭桿的慣性矩,分別為扭桿瞬時扭轉角、角速度和角加速度；

所述S1中的根據微分方程構建扭矩的狀態方程包括：

將扭轉角位移和速度看作狀態參數，其中微分方程轉換為狀態方程，假設采樣周期為Δt，控制項較小，認為是噪聲w的影響，Γ為噪聲驅動矩陣，構建的扭矩的狀態方程如下：

其中，k-1為前一時刻，k為當前時刻，Φ為狀態驅動矩陣，J為扭桿的轉動慣量矩陣，C為扭桿扭振時的阻尼矩陣，x_k為當前時刻的狀態量，x_k-1為前一時刻的狀態量,w_k為k時刻的過程噪聲；

所述S3包括：

根據當前時刻的扭矩狀態估計值和扭矩協方差矩陣，采用蒙特卡羅法模擬出扭矩狀態量的隨機點集；

根據扭矩狀態量的隨機點集，利用扭矩的狀態方程估計扭矩的狀態預測值。

2.根據權利要求1所述的船舶軸功率測量方法，其特征在于，所述S2中構建的軸功率的量測方程為：

p_k＝[n_k/9550 0]x_k+v_k；

其中，n_k為當前k時刻的轉速，p_k為當前k時刻的船舶軸功率,v_k為當前k時刻的量測噪聲。

3.根據權利要求1所述的船舶軸功率測量方法，其特征在于，所述根據當前時刻的扭矩狀態估計值和扭矩協方差矩陣，采用蒙特卡羅法模擬出扭矩狀態量的隨機點集包括：

其中，x_i,k-1為當前時刻的扭矩狀態量的隨機點集，為當前時刻的扭矩狀態估計值，P_xx,k-1為當前時刻的扭矩協方差；

相應的，根據扭矩狀態量的隨機點集，利用扭矩的狀態方程估計扭矩的狀態預測值包括：

其中，通過如下公式計算扭矩的預測協方差矩陣：

其中，為當前時刻狀態的狀態預測值，N為點集中對應的隨機狀態量的數目，x_i,k/k-1為當前時刻狀態的預測點集，Φ_k-1為當前時刻的狀態驅動矩陣，x_i,k-1為當前時刻的扭矩狀態量的隨機點集，w_k為當前時刻的過程噪聲，P_xx,k/k-1為當前時刻扭矩的預測協方差矩陣，Q_k為過程噪聲的協方差。