本發(fā)明屬于船舶操縱與控制領域，特別涉及該領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)非線性濾波器設計方法。

背景技術：

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)，其主要目標是以較少的執(zhí)行機構動作和能量消耗控制船舶的位置和航向保持在設定位置。動力定位船舶在海洋環(huán)境中由于受到風、浪、流的干擾其位置和航向角會偏離設定值，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)進行有效控制，同時還會引起執(zhí)行機構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通常采用卡爾曼濾波器設計方法，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計難度。

技術實現要素：

本發(fā)明所要解決的技術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)非線性濾波器設計方法。

本發(fā)明采用如下技術方案：

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

s1：船舶運動模型建立

根據船舶排水量m，以及水池試驗或者水動力數值分析獲得的水動力導數xu、yv、nr、nv、yr，重心在船體坐標系中的位置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為船體平行坐標下控制力和控制力矩，τwind和τwave為船體平行坐標系下風和流干擾力和干擾力矩，m和d為船舶運動模型參數，其中：

s2：非線性濾波器設計模型

根據海浪譜密度特性構建地坐標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行建模，具體結構如下：

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：非線性濾波器設計

根據式(6)給出的船舶動力定位觀測器設計模型設計非線性濾波器結構如下：

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；

s4：濾波器增益選擇

根據式(7)所示各變量維數，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)非線性濾波器設計方法，對船舶運動模型精度要求低，同時可以根據浪級和浪向實時調整濾波器參數，以適應海況的變化。

附圖說明

圖1是本發(fā)明實施例1設計的濾波器與海浪干擾分別對應的幅頻特性曲線。

具體實施方式

為了使本發(fā)明的目的、技術方案及優(yōu)點更加清楚明白，以下結合附圖和實施例，對本發(fā)明進行進一步詳細說明。應當理解，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)非線性濾波器設計方法，包括如下步驟：

s1：船舶運動模型建立

根據船舶排水量m，以及水池試驗或者水動力數值分析獲得的水動力導數xu、yv、nr、nv、yr，重心在船體坐標系中的位置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為船體平行坐標下控制力和控制力矩，τwind和τwave為船體平行坐標系下風和流干擾力和干擾力矩，m和d為船舶運動模型參數，其中：

s2：非線性濾波器設計模型

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，為設計相應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)，需要根據海浪干擾環(huán)境特點構建濾波器設計模型。

根據海浪譜密度特性構建地坐標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行建模，具體結構如下：

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：非線性濾波器設計

根據式(6)給出的船舶動力定位觀測器設計模型設計非線性濾波器結構如下：

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；

s4：濾波器增益選擇

根據式(7)所示各變量維數，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，

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