CN107272415A - 一种船舶动力定位控制系统非线性滤波器设计方法 - Google Patents
一种船舶动力定位控制系统非线性滤波器设计方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了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；S2：非线性滤波器设计模型；S3：非线性滤波器设计；S4：滤波器增益选择。本发明所公开的船舶动力定位控制系统非线性滤波器设计方法，对船舶运动模型精度要求低，同时可以根据浪级和浪向实时调整滤波器参数，以适应海况的变化。
Description
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 Xu、Yv、Nr、Nv、Yr，重心在船体坐标系中的位置xg，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，bp＝[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，τwind和τwave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＝[ξx ξy ξψ xw yw ψw]T，其中ξx、ξy、ξψ为辅助变量，xw、yw、ψw为一阶波浪引起的东向位置、北向位置和航向角，ω1＝[ωx ωy ωψ]T，ωx、ωy、ωψ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，vm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：
其中，K1(i+3)(ω0i)＝2ω0i(ζni-λi)，ω0i分别为船舶纵荡、横荡和艏摇干扰峰值频率，λi分别为船舶纵荡、横荡和艏摇干扰阻尼，ζni为船舶纵荡、横荡和艏摇设计阻尼；
K2＝diag(K21,K22,K23) (9)
其中，K2i＝ωci为船舶纵荡、横荡和艏摇运动截止频率；
K3＝diag(K31,K32,K33) (10)
K4＝diag(K41,K42,K43) (11)
其中，
本发明的有益效果是：
本发明所公开的船舶动力定位控制系统非线性滤波器设计方法，对船舶运动模型精度要求低，同时可以根据浪级和浪向实时调整滤波器参数，以适应海况的变化。
附图说明
图1是本发明实施例1设计的滤波器与海浪干扰分别对应的幅频特性曲线。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图和实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
实施例1，本实施例公开了一种船舶动力定位控制系统非线性滤波器设计方法，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 Xu、Yv、Nr、Nv、Yr，重心在船体坐标系中的位置xg，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，bp＝[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，τwind和τwave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
一阶波浪力和力矩引起的船舶高频运动为船舶动力定位控制系统滤波的主要对象，为设计相应滤波器在滤除船舶高频运动对控制系统影响的同时观测出其它船舶低频运动状态，需要根据海浪干扰环境特点构建滤波器设计模型。
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＝[ξx ξy ξψ xw yw ψw]T，其中ξx、ξy、ξψ为辅助变量，xw、yw、ψw为一阶波浪引起的东向位置、北向位置和航向角，ω1＝[ωx ωy ωψ]T，ωx、ωy、ωψ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，vm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：
其中，K1(i+3)(ω0i)＝2ω0i(ζni-λi)，ω0i分别为船舶纵荡、横荡和艏摇干扰峰值频率，λi分别为船舶纵荡、横荡和艏摇干扰阻尼，ζni为船舶纵荡、横荡和艏摇设计阻尼；
K2＝diag(K21,K22,K23) (9)
其中，K2i＝ωci为船舶纵荡、横荡和艏摇运动截止频率；
K3＝diag(K31,K32,K33) (10)
K4＝diag(K41,K42,K43) (11)
其中，
本实施例设计的滤波器与海浪干扰分别对应的幅频特性曲线如图1所示，其中实线为滤波器对应的幅频特性曲线，虚线为海浪干扰对应的幅频特性曲线。
Claims (1)
1.一种船舶动力定位控制系统非线性滤波器设计方法，其特征在于，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 Xu、Yv、Nr、Nv、Yr，重心在船体坐标系中的位置xg，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：
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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，bp＝[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，τwind和τwave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：
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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：
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1
其中，ξ＝[ξx ξy ξψ xw yw ψw]T，其中ξx、ξy、ξψ为辅助变量，xw、yw、ψw为一阶波浪引起的东向位置、北向位置和航向角，ω1＝[ωx ωy ωψ]T，ωx、ωy、ωψ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：
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<mo>(</mo>
<mn>6</mn>
<mo>)</mo>
</mrow>
</mrow>
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，vm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：
<mrow>
<mtable>
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<mtd>
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<mo>(</mo>
<mn>7</mn>
<mo>)</mo>
</mrow>
</mrow>
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：
<mrow>
<msub>
<mi>K</mi>
<mn>1</mn>
</msub>
<mrow>
<mo>(</mo>
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<mo>,</mo>
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<mrow>
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<mn>02</mn>
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<mo>,</mo>
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<mi>K</mi>
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<mrow>
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<mn>03</mn>
</msub>
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</mtable>
</mfenced>
<mo>-</mo>
<mo>-</mo>
<mo>-</mo>
<mrow>
<mo>(</mo>
<mn>8</mn>
<mo>)</mo>
</mrow>
</mrow>
其中，ω0i分别为船舶纵荡、横荡和艏摇干扰峰值频率，λi分别为船舶纵荡、横荡和艏摇干扰阻尼，ζni为船舶纵荡、横荡和艏摇设计阻尼；
K2＝diag(K21,K22,K23) (9)
其中，K2i＝ωci为船舶纵荡、横荡和艏摇运动截止频率；
K3＝diag(K31,K32,K33) (10)
K4＝diag(K41,K42,K43) (11)
其中，
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| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN201710608846.7A CN107272415A (zh) | 2017-07-25 | 2017-07-25 | 一种船舶动力定位控制系统非线性滤波器设计方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN201710608846.7A CN107272415A (zh) | 2017-07-25 | 2017-07-25 | 一种船舶动力定位控制系统非线性滤波器设计方法 |
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| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
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|---|---|---|---|
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- 2017-07-25 CN CN201710608846.7A patent/CN107272415A/zh active Pending
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