[发明专利]一种船舶动力定位控制系统非线性滤波器设计方法

说明书

技术领域

本发明属于船舶操纵与控制领域，特别涉及该领域中的一种基于海浪峰值频率的船舶动力定位控制系统非线性滤波器设计方法。

背景技术

船舶动力定位控制系统是一种典型的抗干扰控制系统，其主要目标是以较少的执行机构动作和能量消耗控制船舶的位置和航向保持在设定位置。动力定位船舶在海洋环境中由于受到风、浪、流的干扰其位置和航向角会偏离设定值，其中一阶波浪干扰力和力矩引起的船舶运动为高频运动。船舶高频运动难以通过动力定位控制系统进行有效控制，同时还会引起执行机构的过度磨损和能量消耗。传统的船舶动力定位滤波器技术通常采用卡尔曼滤波器设计方法，该方法对船舶运动模型精度要求高，且滤波器增益受海洋干扰环境变化影响大，这增加了滤波器的设计难度。

发明内容

本发明所要解决的技术问题就是提供一种基于海浪干扰峰值频率的船舶动力定位控制系统非线性滤波器设计方法。

本发明采用如下技术方案：

一种船舶动力定位控制系统非线性滤波器设计方法，其改进之处在于，包括如下步骤：

S1：船舶运动模型建立

根据船舶排水量m，以及水池试验或者水动力数值分析获得的水动力导数X_u、Y_v、N_r、N_v、Y_r，重心在船体坐标系中的位置x_g，建立动力定位系统船舶的纵荡、横荡和艏摇三自由度运动模型：

其中，η＝[N E ψ]^T为固定坐标系下东向位置，北向位置和航向角，为低频位置信息，ν＝[u v r]^T为船体平行坐标系下纵荡速度，横荡速度和航向角速度，b_p＝[b₁ b₂ b₃]^T为船体平行坐标系下纵荡、横荡和航向运动未建模低频信号，τ为船体平行坐标下控制力和控制力矩，τ_wind和τ_wave为船体平行坐标系下风和流干扰力和干扰力矩，M和D为船舶运动模型参数，其中：

S2：非线性滤波器设计模型

根据海浪谱密度特性构建地坐标系下一阶波浪力引起的船舶东向位置、北向位置和航向角高频运动模型，其中每个自由度均采用二阶成型滤波器进行建模，具体结构如下：

其中，ξ＝[ξ_x ξ_y ξ_ψ x_w y_w ψ_w]^T，其中ξ_x、ξ_y、ξ_ψ为辅助变量，x_w、y_w、ψ_w为一阶波浪引起的东向位置、北向位置和航向角，ω₁＝[ω_x ω_y ω_ψ]^T，ω_x、ω_y、ω_ψ为白噪声信号；

结合式(1)所示动力定位船舶运动模型和式(5)所示高频运动模型，建立动力定位船舶非线性滤波器设计模型如下：

其中，ω₂、ω₃为白噪声信号，分别代表低频干扰未建模项和船舶运动模型未建模项，v_m为传感器测量噪声；

S3：非线性滤波器设计

根据式(6)给出的船舶动力定位观测器设计模型设计非线性滤波器结构如下：

其中，y为传感器测量信号，为观测得到的船舶低频位置信号和高频位置信号之和，K₁(ω₀)、K₂、K₃和K₄为观测器参数；

S4：滤波器增益选择

根据式(7)所示各变量维数，非线性滤波器增益为：