一種基于無源理論的船舶航向海浪濾波方法
【專利摘要】本發(fā)明屬于船舶工程、控制科學(xué)與控制工程領(lǐng)域，涉及一種基于無源理論的船舶航向海浪濾波方法。一種基于無源理論的船舶航向海浪濾波方法包括：建立帶有海浪擾動的船舶航向運動數(shù)學(xué)模型；建立非線性Luenberger觀測器；采集非線性Luenberger觀測器的觀測增益系數(shù)，獲得使觀測誤差系統(tǒng)符合無源性條件的參數(shù)。本發(fā)明以實現(xiàn)船舶航向運動的狀態(tài)重構(gòu)和海浪濾波，完成了對船舶低頻運動、海浪高頻擾動和偏移狀態(tài)的估計，由于引進了無源化理論，提出的方法無需海浪擾動和測量噪聲的方差信息，有效減少了需要調(diào)整的參數(shù)數(shù)量，易于工程實現(xiàn)。
【專利說明】一種基于無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。海浪擾動分為高頻的一階擾動力矩和可利用舵對抗的低頻二階擾動力矩。船舶航向運動可視為高頻海浪擾動運動疊加于控制作用產(chǎn)生的低頻信號的高低頻復(fù)合運動。一階海浪擾動力(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，如果用船舶舵機或推進器等控制執(zhí)行機構(gòu)來對抗高頻波浪擾動引起的船舶搖擺運動，將引發(fā)頻繁的無效操舵而造成舵機的過度磨損和額外的能量消耗。為了避免這種由海浪擾動引起的頻繁操舵現(xiàn)象，必須在船舶航向控制系統(tǒng)的反饋信號中濾除海浪擾動產(chǎn)生的高頻運動，估計船舶低頻運動狀態(tài)，包括航向角、航向角速率等，實現(xiàn)海浪濾波。海浪濾波問題可定義為利用濾波器或狀態(tài)觀測器從受海浪擾動的位置或首向角測量信息中重構(gòu)低頻運動成分。海浪濾波是船舶運動控制系統(tǒng)設(shè)計中需要考慮的重要環(huán)節(jié)。
[0003]目前，實現(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)觀測方法。天氣調(diào)節(jié)死區(qū)方法使系統(tǒng)不對抗死區(qū)內(nèi)的航向偏差，從而降低海浪擾動的影響，但是該方法同時也會降低系統(tǒng)的低頻特性，造成船舶長期的周期性偏航，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，方法簡單，容易實現(xiàn)，但因濾波過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)觀測方法一般應(yīng)用于現(xiàn)代高性能船舶控制系統(tǒng)中，非線性狀態(tài)觀測器的設(shè)計是一個困難問題，基于非線性模型設(shè)計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源性理論提出的一個控制系統(tǒng)分析和設(shè)計框架理念，設(shè)計了基于無源理論的`狀態(tài)``觀測器。一種基于無源理論的船舶航向海浪濾波器設(shè)計方法可以減少觀測器的設(shè)置參數(shù)數(shù)量，并且可以推廣到非線性系統(tǒng)的觀測器設(shè)計中。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明的目的是設(shè)計一種無需海浪擾動和測量噪聲的方差信息，有效減少了需要調(diào)整的參數(shù)數(shù)量，易于工程實現(xiàn)的基于無源理論的船舶航向海浪濾波方法
[0005]本發(fā)明的目的是這樣實現(xiàn)的:
[0006]一種基于無源理論的船舶航向海浪濾波方法:
[0007]( I)建立帶有海浪擾動的船舶航向運動數(shù)學(xué)模型:
[0008]
【權(quán)利要求】
1.一種基于無源理論的船舶航向海浪濾波方法，其特征在于: (1)建立帶有海浪擾動的船舶航向運動數(shù)學(xué)模型:
【文檔編號】G05B13/04GK103454923SQ201310442081
【公開日】2013年12月18日 申請日期: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 申請人:哈爾濱工程大學(xué)