[发明专利]一种基于广义噪声船舶靠离泊后推控制器设计方法

说明书

本发明提供一种基于广义噪声船舶靠离泊后推控制器设计方法，包括：引入广义噪声，构建船舶靠离泊系统的数学模型；考虑靠离泊过程中复杂波浪对船舶靠泊运动的影响，构造符合真实海浪情况的有色噪声，模拟有色噪声与白噪声对于P‑M波浪谱的拟合情况；引用随机微分方程框架中的假定与引理，证明船舶靠离泊系统是否稳定；采用后推法推出船舶靠离泊控制系统的控制器，对船舶靠离泊系统进行控制。本发明在船舶做靠离泊运动中，采用广义噪声刻画船舶靠离泊的不确定性，证明广义噪声在模拟真实海浪状况对船舶运动控制的影响强于白噪声；基于随机微分方程描述船舶靠离泊系统的数学模型，证明控制器系统由噪声到状态稳定，靠离泊模型具有概率渐进增益。

技术领域

本发明涉及船舶自动控制技术领域，具体而言，尤其涉及一种基于广义噪声船舶靠离泊后推控制器设计方法。

背景技术

船舶靠离泊是一项高风险、高精度的生产活动。船舶在海上航行时，会受到复杂的海洋环境(风、浪和流)的干扰。环境条件是相当复杂的：一个是大幅摆动运动，另一个是波浪力的随机性特征。复杂的海洋环境主要是受浪的影响。作为不规则的波浪，海上的波浪是极端的复杂，由于波的随机特征和多变性，它不仅在一个方向传播，而且在其他方向传播。因此，在研究船舶靠离泊的运动时，非常有必要考虑海洋环境。为了减少波浪对靠离泊运动的影响，许多学者都采用了更精确的控制算法。在这些研究中，大多考虑扰动的范数有界项和不确定性项，而不考虑波浪扰动的随机性。然而，实际过程中海洋环境状态不断变化。船舶运动必然具有严重的不确定性。波浪引起的扰动具有随机特性。研究无随机扰动的船舶运动是不准确的。

另一方面，海浪的不规则变化导致海浪模型的准确把握非常困难。实际海浪具有有限的谱宽以及给定的谱密度函数，被称为有色噪声。波浪外载荷时历为满足一定波谱的有色噪声序列,生成有色噪声序列，虽然在低频部分仍然有一定差别，但能够反映实际海浪的波谱特性。很多文献将白噪声作为外激励时研究对船舶运动的影响。白噪声实际也可以认为代表一种海浪谱，不过是一种理想海浪谱,在现实中并不存在。这主要是由于实际海浪是满足一定波谱分布的有色噪声序列而不是白噪声序列。并不是所有形式的波谱都可以表示为白噪声通过形状滤波器后的输出。白噪声和有色噪声在谱能量接近情况下，二者概率分布结果存在明显差别。白噪声计算的结果，概率峰值远远低于有色噪声，依照白噪声的结果，即使当横摇幅度达到1rad时候，依然是存在较大可能性的，这与实际试验结果是有很大偏差的，所以采用有色噪声来刻画波浪比白噪声刻画波浪来研究波浪对船舶运动控制具有重要的意义。

发明内容

根据上述提出海洋环境产生的噪声干扰是有色噪声而不是白噪声的技术问题，而提供一种基于广义噪声船舶靠离泊后推控制器设计方法。本发明主要主要研究复杂海浪环境下广义噪声扰动对船舶运动控制的影响。

本发明采用的技术手段如下：

一种基于广义噪声船舶靠离泊后推控制器设计方法，包括如下步骤：

S1、引入广义噪声，构建船舶靠离泊系统的数学模型；

S2、考虑靠离泊过程中复杂波浪对船舶靠泊运动的影响，构造符合真实海浪情况的有色噪声，模拟有色噪声与白噪声对于P-M波浪谱的拟合情况；

S3、引用随机微分方程框架中的假定与引理，证明船舶靠离泊系统是否稳定；

S4、采用后推法推出船舶靠离泊控制系统的控制器，对船舶靠离泊系统进行控制。

进一步地，所述步骤S1的具体实现过程如下：

S11、建立不带噪声的船舶靠离泊模型，如下：

其中，表示船的位置，由船舶空间位置X、Y和航向角组成；v＝[u，v，r]^T表示纵荡、横荡和艏摇三自由度运动速度，表示转换矩阵，M表示惯性动力学参数矩阵，由水动力学附加惯性和船舶重量惯性组成，D表示阻尼矩阵，τ表示设计控制力；