[發明專利]一種基于廣義噪聲船舶靠離泊后推控制器設計方法

在審

• 申請號: 202110548231.6
• 申請日: 2021-05-19
• 公開（公告）號: CN113139301A
• 公開（公告）日: 2021-07-20
• 發明（設計）人: 單麒赫;王孝建;滕菲;李鐵山;孟一平
• 申請（專利權）人: 大連海事大學
• 主分類號: G06F30/20
• 分類號: G06F30/20;G06F17/15;B63B71/10;G06F119/10;G06F119/14
• 代理公司: 大連東方專利代理有限責任公司 21212
• 代理人: 姜玉蓉;李洪福

本發明提供一種基于廣義噪聲船舶靠離泊后推控制器設計方法，包括：引入廣義噪聲，構建船舶靠離泊系統的數學模型；考慮靠離泊過程中復雜波浪對船舶靠泊運動的影響，構造符合真實海浪情況的有色噪聲，模擬有色噪聲與白噪聲對于P?M波浪譜的擬合情況；引用隨機微分方程框架中的假定與引理，證明船舶靠離泊系統是否穩定；采用后推法推出船舶靠離泊控制系統的控制器，對船舶靠離泊系統進行控制。本發明在船舶做靠離泊運動中，采用廣義噪聲刻畫船舶靠離泊的不確定性，證明廣義噪聲在模擬真實海浪狀況對船舶運動控制的影響強于白噪聲；基于隨機微分方程描述船舶靠離泊系統的數學模型，證明控制器系統由噪聲到狀態穩定，靠離泊模型具有概率漸進增益。

技術領域

本發明涉及船舶自動控制技術領域，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計方法。

背景技術

船舶靠離泊是一項高風險、高精度的生產活動。船舶在海上航行時，會受到復雜的海洋環境(風、浪和流)的干擾。環境條件是相當復雜的：一個是大幅擺動運動，另一個是波浪力的隨機性特征。復雜的海洋環境主要是受浪的影響。作為不規則的波浪，海上的波浪是極端的復雜，由于波的隨機特征和多變性，它不僅在一個方向傳播，而且在其他方向傳播。因此，在研究船舶靠離泊的運動時，非常有必要考慮海洋環境。為了減少波浪對靠離泊運動的影響，許多學者都采用了更精確的控制算法。在這些研究中，大多考慮擾動的范數有界項和不確定性項，而不考慮波浪擾動的隨機性。然而，實際過程中海洋環境狀態不斷變化。船舶運動必然具有嚴重的不確定性。波浪引起的擾動具有隨機特性。研究無隨機擾動的船舶運動是不準確的。

另一方面，海浪的不規則變化導致海浪模型的準確把握非常困難。實際海浪具有有限的譜寬以及給定的譜密度函數，被稱為有色噪聲。波浪外載荷時歷為滿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，但能夠反映實際海浪的波譜特性。很多文獻將白噪聲作為外激勵時研究對船舶運動的影響。白噪聲實際也可以認為代表一種海浪譜，不過是一種理想海浪譜,在現實中并不存在。這主要是由于實際海浪是滿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，二者概率分布結果存在明顯差別。白噪聲計算的結果，概率峰值遠遠低于有色噪聲，依照白噪聲的結果，即使當橫搖幅度達到1rad時候，依然是存在較大可能性的，這與實際試驗結果是有很大偏差的，所以采用有色噪聲來刻畫波浪比白噪聲刻畫波浪來研究波浪對船舶運動控制具有重要的意義。

發明內容

根據上述提出海洋環境產生的噪聲干擾是有色噪聲而不是白噪聲的技術問題，而提供一種基于廣義噪聲船舶靠離泊后推控制器設計方法。本發明主要主要研究復雜海浪環境下廣義噪聲擾動對船舶運動控制的影響。

本發明采用的技術手段如下：

一種基于廣義噪聲船舶靠離泊后推控制器設計方法，包括如下步驟：

S1、引入廣義噪聲，構建船舶靠離泊系統的數學模型；

S2、考慮靠離泊過程中復雜波浪對船舶靠泊運動的影響，構造符合真實海浪情況的有色噪聲，模擬有色噪聲與白噪聲對于P-M波浪譜的擬合情況；

S3、引用隨機微分方程框架中的假定與引理，證明船舶靠離泊系統是否穩定；

S4、采用后推法推出船舶靠離泊控制系統的控制器，對船舶靠離泊系統進行控制。

進一步地，所述步驟S1的具體實現過程如下：

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動速度，表示轉換矩陣，M表示慣性動力學參數矩陣，由水動力學附加慣性和船舶重量慣性組成，D表示阻尼矩陣，τ表示設計控制力；