[發(fā)明專(zhuān)利]一種基于廣義噪聲船舶靠離泊后推控制器設(shè)計(jì)方法

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• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 202110548231.6
• 申請(qǐng)日: 2021-05-19
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN113139301A
• 公開(kāi)（公告）日: 2021-07-20
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 單麒赫;王孝建;滕菲;李鐵山;孟一平
• 申請(qǐng)（專(zhuān)利權(quán)）人: 大連海事大學(xué)
• 主分類(lèi)號(hào): G06F30/20
• 分類(lèi)號(hào): G06F30/20;G06F17/15;B63B71/10;G06F119/10;G06F119/14
• 代理公司: 大連東方專(zhuān)利代理有限責(zé)任公司 21212
• 代理人: 姜玉蓉;李洪福

本發(fā)明提供一種基于廣義噪聲船舶靠離泊后推控制器設(shè)計(jì)方法，包括：引入廣義噪聲，構(gòu)建船舶靠離泊系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型；考慮靠離泊過(guò)程中復(fù)雜波浪對(duì)船舶靠泊運(yùn)動(dòng)的影響，構(gòu)造符合真實(shí)海浪情況的有色噪聲，模擬有色噪聲與白噪聲對(duì)于P?M波浪譜的擬合情況；引用隨機(jī)微分方程框架中的假定與引理，證明船舶靠離泊系統(tǒng)是否穩(wěn)定；采用后推法推出船舶靠離泊控制系統(tǒng)的控制器，對(duì)船舶靠離泊系統(tǒng)進(jìn)行控制。本發(fā)明在船舶做靠離泊運(yùn)動(dòng)中，采用廣義噪聲刻畫(huà)船舶靠離泊的不確定性，證明廣義噪聲在模擬真實(shí)海浪狀況對(duì)船舶運(yùn)動(dòng)控制的影響強(qiáng)于白噪聲；基于隨機(jī)微分方程描述船舶靠離泊系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，證明控制器系統(tǒng)由噪聲到狀態(tài)穩(wěn)定，靠離泊模型具有概率漸進(jìn)增益。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及船舶自動(dòng)控制技術(shù)領(lǐng)域，具體而言，尤其涉及一種基于廣義噪聲船舶靠離泊后推控制器設(shè)計(jì)方法。

背景技術(shù)

船舶靠離泊是一項(xiàng)高風(fēng)險(xiǎn)、高精度的生產(chǎn)活動(dòng)。船舶在海上航行時(shí)，會(huì)受到復(fù)雜的海洋環(huán)境(風(fēng)、浪和流)的干擾。環(huán)境條件是相當(dāng)復(fù)雜的：一個(gè)是大幅擺動(dòng)運(yùn)動(dòng)，另一個(gè)是波浪力的隨機(jī)性特征。復(fù)雜的海洋環(huán)境主要是受浪的影響。作為不規(guī)則的波浪，海上的波浪是極端的復(fù)雜，由于波的隨機(jī)特征和多變性，它不僅在一個(gè)方向傳播，而且在其他方向傳播。因此，在研究船舶靠離泊的運(yùn)動(dòng)時(shí)，非常有必要考慮海洋環(huán)境。為了減少波浪對(duì)靠離泊運(yùn)動(dòng)的影響，許多學(xué)者都采用了更精確的控制算法。在這些研究中，大多考慮擾動(dòng)的范數(shù)有界項(xiàng)和不確定性項(xiàng)，而不考慮波浪擾動(dòng)的隨機(jī)性。然而，實(shí)際過(guò)程中海洋環(huán)境狀態(tài)不斷變化。船舶運(yùn)動(dòng)必然具有嚴(yán)重的不確定性。波浪引起的擾動(dòng)具有隨機(jī)特性。研究無(wú)隨機(jī)擾動(dòng)的船舶運(yùn)動(dòng)是不準(zhǔn)確的。

另一方面，海浪的不規(guī)則變化導(dǎo)致海浪模型的準(zhǔn)確把握非常困難。實(shí)際海浪具有有限的譜寬以及給定的譜密度函數(shù)，被稱(chēng)為有色噪聲。波浪外載荷時(shí)歷為滿(mǎn)足一定波譜的有色噪聲序列,生成有色噪聲序列，雖然在低頻部分仍然有一定差別，但能夠反映實(shí)際海浪的波譜特性。很多文獻(xiàn)將白噪聲作為外激勵(lì)時(shí)研究對(duì)船舶運(yùn)動(dòng)的影響。白噪聲實(shí)際也可以認(rèn)為代表一種海浪譜，不過(guò)是一種理想海浪譜,在現(xiàn)實(shí)中并不存在。這主要是由于實(shí)際海浪是滿(mǎn)足一定波譜分布的有色噪聲序列而不是白噪聲序列。并不是所有形式的波譜都可以表示為白噪聲通過(guò)形狀濾波器后的輸出。白噪聲和有色噪聲在譜能量接近情況下，二者概率分布結(jié)果存在明顯差別。白噪聲計(jì)算的結(jié)果，概率峰值遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于有色噪聲，依照白噪聲的結(jié)果，即使當(dāng)橫搖幅度達(dá)到1rad時(shí)候，依然是存在較大可能性的，這與實(shí)際試驗(yàn)結(jié)果是有很大偏差的，所以采用有色噪聲來(lái)刻畫(huà)波浪比白噪聲刻畫(huà)波浪來(lái)研究波浪對(duì)船舶運(yùn)動(dòng)控制具有重要的意義。

發(fā)明內(nèi)容

根據(jù)上述提出海洋環(huán)境產(chǎn)生的噪聲干擾是有色噪聲而不是白噪聲的技術(shù)問(wèn)題，而提供一種基于廣義噪聲船舶靠離泊后推控制器設(shè)計(jì)方法。本發(fā)明主要主要研究復(fù)雜海浪環(huán)境下廣義噪聲擾動(dòng)對(duì)船舶運(yùn)動(dòng)控制的影響。

本發(fā)明采用的技術(shù)手段如下：

一種基于廣義噪聲船舶靠離泊后推控制器設(shè)計(jì)方法，包括如下步驟：

S1、引入廣義噪聲，構(gòu)建船舶靠離泊系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型；

S2、考慮靠離泊過(guò)程中復(fù)雜波浪對(duì)船舶靠泊運(yùn)動(dòng)的影響，構(gòu)造符合真實(shí)海浪情況的有色噪聲，模擬有色噪聲與白噪聲對(duì)于P-M波浪譜的擬合情況；

S3、引用隨機(jī)微分方程框架中的假定與引理，證明船舶靠離泊系統(tǒng)是否穩(wěn)定；

S4、采用后推法推出船舶靠離泊控制系統(tǒng)的控制器，對(duì)船舶靠離泊系統(tǒng)進(jìn)行控制。

進(jìn)一步地，所述步驟S1的具體實(shí)現(xiàn)過(guò)程如下：

S11、建立不帶噪聲的船舶靠離泊模型，如下：

其中，表示船的位置，由船舶空間位置X、Y和航向角組成；v＝[u，v，r]^T表示縱蕩、橫蕩和艏搖三自由度運(yùn)動(dòng)速度，表示轉(zhuǎn)換矩陣，M表示慣性動(dòng)力學(xué)參數(shù)矩陣，由水動(dòng)力學(xué)附加慣性和船舶重量慣性組成，D表示阻尼矩陣，τ表示設(shè)計(jì)控制力；