一種基于無(wú)源理論的船舶航向海浪濾波方法
【專(zhuān)利摘要】本發(fā)明屬于船舶工程、控制科學(xué)與控制工程領(lǐng)域，涉及一種基于無(wú)源理論的船舶航向海浪濾波方法。一種基于無(wú)源理論的船舶航向海浪濾波方法包括：建立帶有海浪擾動(dòng)的船舶航向運(yùn)動(dòng)數(shù)學(xué)模型；建立非線(xiàn)性L(fǎng)uenberger觀(guān)測(cè)器；采集非線(xiàn)性L(fǎng)uenberger觀(guān)測(cè)器的觀(guān)測(cè)增益系數(shù)，獲得使觀(guān)測(cè)誤差系統(tǒng)符合無(wú)源性條件的參數(shù)。本發(fā)明以實(shí)現(xiàn)船舶航向運(yùn)動(dòng)的狀態(tài)重構(gòu)和海浪濾波，完成了對(duì)船舶低頻運(yùn)動(dòng)、海浪高頻擾動(dòng)和偏移狀態(tài)的估計(jì)，由于引進(jìn)了無(wú)源化理論，提出的方法無(wú)需海浪擾動(dòng)和測(cè)量噪聲的方差信息，有效減少了需要調(diào)整的參數(shù)數(shù)量，易于工程實(shí)現(xiàn)。
【專(zhuān)利說(shuō)明】一種基于無(wú)源理論的船舶航向海浪濾波方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于船舶工程、控制科學(xué)與控制工程領(lǐng)域，涉及一種基于無(wú)源理論的船舶航向海浪濾波方法。
【背景技術(shù)】
[0002]海浪濾波和狀態(tài)估計(jì)是船舶航向控制系統(tǒng)的必要部分。船舶航行于海洋，海浪是一種不可避免的環(huán)境干擾。海浪擾動(dòng)分為高頻的一階擾動(dòng)力矩和可利用舵對(duì)抗的低頻二階擾動(dòng)力矩。船舶航向運(yùn)動(dòng)可視為高頻海浪擾動(dòng)運(yùn)動(dòng)疊加于控制作用產(chǎn)生的低頻信號(hào)的高低頻復(fù)合運(yùn)動(dòng)。一階海浪擾動(dòng)力(力矩)的頻率一般為0.05〈fQ〈0.2Hz，此頻率范圍高于船舶系統(tǒng)帶寬頻率或與之接近，但一般位于舵、推進(jìn)器等控制執(zhí)行器帶寬之內(nèi)。這就意味著在船舶航向控制系統(tǒng)中，如果用船舶舵機(jī)或推進(jìn)器等控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)來(lái)對(duì)抗高頻波浪擾動(dòng)引起的船舶搖擺運(yùn)動(dòng)，將引發(fā)頻繁的無(wú)效操舵而造成舵機(jī)的過(guò)度磨損和額外的能量消耗。為了避免這種由海浪擾動(dòng)引起的頻繁操舵現(xiàn)象，必須在船舶航向控制系統(tǒng)的反饋信號(hào)中濾除海浪擾動(dòng)產(chǎn)生的高頻運(yùn)動(dòng)，估計(jì)船舶低頻運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，包括航向角、航向角速率等，實(shí)現(xiàn)海浪濾波。海浪濾波問(wèn)題可定義為利用濾波器或狀態(tài)觀(guān)測(cè)器從受海浪擾動(dòng)的位置或首向角測(cè)量信息中重構(gòu)低頻運(yùn)動(dòng)成分。海浪濾波是船舶運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)中需要考慮的重要環(huán)節(jié)。
[0003]目前，實(shí)現(xiàn)海浪濾波的方法有如下幾種:天氣調(diào)節(jié)死區(qū)方法、低通或陷波濾波器、狀態(tài)觀(guān)測(cè)方法。天氣調(diào)節(jié)死區(qū)方法使系統(tǒng)不對(duì)抗死區(qū)內(nèi)的航向偏差，從而降低海浪擾動(dòng)的影響，但是該方法同時(shí)也會(huì)降低系統(tǒng)的低頻特性，造成船舶長(zhǎng)期的周期性偏航，從而增加燃料消耗；低通或陷波濾波器是濾波的一種通常方法，方法簡(jiǎn)單，容易實(shí)現(xiàn)，但因?yàn)V波過(guò)程中引入了相位滯后，從而影響了系統(tǒng)的穩(wěn)定性；狀態(tài)觀(guān)測(cè)方法一般應(yīng)用于現(xiàn)代高性能船舶控制系統(tǒng)中，非線(xiàn)性狀態(tài)觀(guān)測(cè)器的設(shè)計(jì)是一個(gè)困難問(wèn)題，基于非線(xiàn)性模型設(shè)計(jì)的海浪濾波器更加困難。本發(fā)明基于能量的輸入輸出描述的無(wú)源性理論提出的一個(gè)控制系統(tǒng)分析和設(shè)計(jì)框架理念，設(shè)計(jì)了基于無(wú)源理論的`狀態(tài)``觀(guān)測(cè)器。一種基于無(wú)源理論的船舶航向海浪濾波器設(shè)計(jì)方法可以減少觀(guān)測(cè)器的設(shè)置參數(shù)數(shù)量，并且可以推廣到非線(xiàn)性系統(tǒng)的觀(guān)測(cè)器設(shè)計(jì)中。
【發(fā)明內(nèi)容】
[0004]本發(fā)明的目的是設(shè)計(jì)一種無(wú)需海浪擾動(dòng)和測(cè)量噪聲的方差信息，有效減少了需要調(diào)整的參數(shù)數(shù)量，易于工程實(shí)現(xiàn)的基于無(wú)源理論的船舶航向海浪濾波方法
[0005]本發(fā)明的目的是這樣實(shí)現(xiàn)的:
[0006]一種基于無(wú)源理論的船舶航向海浪濾波方法:
[0007]( I)建立帶有海浪擾動(dòng)的船舶航向運(yùn)動(dòng)數(shù)學(xué)模型:
[0008]
【權(quán)利要求】
1.一種基于無(wú)源理論的船舶航向海浪濾波方法，其特征在于: (1)建立帶有海浪擾動(dòng)的船舶航向運(yùn)動(dòng)數(shù)學(xué)模型:
【文檔編號(hào)】G05B13/04GK103454923SQ201310442081
【公開(kāi)日】2013年12月18日 申請(qǐng)日期:2013年9月26日 優(yōu)先權(quán)日:2013年9月26日
【發(fā)明者】彭秀艷, 胡忠輝, 趙新華, 王顯峰 申請(qǐng)人:哈爾濱工程大學(xué)