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(jī)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(jī)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。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

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)xu、yv、nr、nv、yr，重心在船體坐標(biāo)系中的位置xg，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＝[neψ]^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＝[uvr]^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，bp＝[b1b2b3]^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，τwind和τwave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＝[ξxξyξψxwywψw]^t，其中ξx、ξy、ξψ為輔助變量，xw、yw、ψw為一階波浪引起的東向位置、北向位置和航向角，ω1＝[ωxωyωψ]^t，ωx、ωy、ωψ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，vm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：

其中，k1(i+3)(ω0i)＝2ω0i(ζni-λi)，ω0i分別為船舶縱蕩、橫蕩和艏搖干擾峰值頻率，λi分別為船舶縱蕩、橫蕩和艏搖干擾阻尼，ζni為船舶縱蕩、橫蕩和艏搖設(shè)計阻尼；

k2＝diag(k21,k22,k23)(9)

其中，k2i＝ωci為船舶縱蕩、橫蕩和艏搖運動截止頻率；

k3＝diag(k31,k32,k33)(10)

k4＝diag(k41,k42,k43)(11)

其中，

本發(fā)明的有益效果是：

本發(fā)明所公開的船舶動力定位控制系統(tǒng)非線性濾波器設(shè)計方法，對船舶運動模型精度要求低，同時可以根據(jù)浪級和浪向?qū)崟r調(diào)整濾波器參數(shù)，以適應(yīng)海況的變化。

附圖說明

圖1是本發(fā)明實施例1設(shè)計的濾波器與海浪干擾分別對應(yīng)的幅頻特性曲線。

具體實施方式

為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點更加清楚明白，以下結(jié)合附圖和實施例，對本發(fā)明進(jìn)行進(jìn)一步詳細(xì)說明。應(yīng)當(dāng)理解，此處所描述的具體實施例僅僅用以解釋本發(fā)明，并不用于限定本發(fā)明。

實施例1，本實施例公開了一種船舶動力定位控制系統(tǒng)非線性濾波器設(shè)計方法，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)xu、yv、nr、nv、yr，重心在船體坐標(biāo)系中的位置xg，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＝[neψ]^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＝[uvr]^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，bp＝[b1b2b3]^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，τwind和τwave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

一階波浪力和力矩引起的船舶高頻運動為船舶動力定位控制系統(tǒng)濾波的主要對象，為設(shè)計相應(yīng)濾波器在濾除船舶高頻運動對控制系統(tǒng)影響的同時觀測出其它船舶低頻運動狀態(tài)，需要根據(jù)海浪干擾環(huán)境特點構(gòu)建濾波器設(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＝[ξxξyξψxwywψw]^t，其中ξx、ξy、ξψ為輔助變量，xw、yw、ψw為一階波浪引起的東向位置、北向位置和航向角，ω1＝[ωxωyωψ]^t，ωx、ωy、ωψ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，vm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：

其中，k1(i+3)(ω0i)＝2ω0i(ζni-λi)，ω0i分別為船舶縱蕩、橫蕩和艏搖干擾峰值頻率，λi分別為船舶縱蕩、橫蕩和艏搖干擾阻尼，ζni為船舶縱蕩、橫蕩和艏搖設(shè)計阻尼；

k2＝diag(k21,k22,k23)(9)

其中，k2i＝ωci為船舶縱蕩、橫蕩和艏搖運動截止頻率；

k3＝diag(k31,k32,k33)(10)

k4＝diag(k41,k42,k43)(11)

其中，

本實施例設(shè)計的濾波器與海浪干擾分別對應(yīng)的幅頻特性曲線如圖1所示，其中實線為濾波器對應(yīng)的幅頻特性曲線，虛線為海浪干擾對應(yīng)的幅頻特性曲線。