[发明专利]一种基于无源理论的船舶航向海浪滤波方法

说明书

技术领域

本发明属于船舶工程、控制科学与控制工程领域，涉及一种基于无源理论的船舶航向海浪滤波方法。

背景技术

海浪滤波和状态估计是船舶航向控制系统的必要部分。船舶航行于海洋，海浪是一种不可避免的环境干扰。海浪扰动分为高频的一阶扰动力矩和可利用舵对抗的低频二阶扰动力矩。船舶航向运动可视为高频海浪扰动运动叠加于控制作用产生的低频信号的高低频复合运动。一阶海浪扰动力(力矩)的频率一般为0.05<f₀<0.2Hz，此频率范围高于船舶系统带宽频率或与之接近，但一般位于舵、推进器等控制执行器带宽之内。这就意味着在船舶航向控制系统中，如果用船舶舵机或推进器等控制执行机构来对抗高频波浪扰动引起的船舶摇摆运动，将引发频繁的无效操舵而造成舵机的过度磨损和额外的能量消耗。为了避免这种由海浪扰动引起的频繁操舵现象，必须在船舶航向控制系统的反馈信号中滤除海浪扰动产生的高频运动，估计船舶低频运动状态，包括航向角、航向角速率等，实现海浪滤波。海浪滤波问题可定义为利用滤波器或状态观测器从受海浪扰动的位置或首向角测量信息中重构低频运动成分。海浪滤波是船舶运动控制系统设计中需要考虑的重要环节。

目前，实现海浪滤波的方法有如下几种：天气调节死区方法、低通或陷波滤波器、状态观测方法。天气调节死区方法使系统不对抗死区内的航向偏差，从而降低海浪扰动的影响，但是该方法同时也会降低系统的低频特性，造成船舶长期的周期性偏航，从而增加燃料消耗；低通或陷波滤波器是滤波的一种通常方法，方法简单，容易实现，但因滤波过程中引入了相位滞后，从而影响了系统的稳定性；状态观测方法一般应用于现代高性能船舶控制系统中，非线性状态观测器的设计是一个困难问题，基于非线性模型设计的海浪滤波器更加困难。本发明基于能量的输入输出描述的无源性理论提出的一个控制系统分析和设计框架理念，设计了基于无源理论的状态观测器。一种基于无源理论的船舶航向海浪滤波器设计方法可以减少观测器的设置参数数量，并且可以推广到非线性系统的观测器设计中。

发明内容

本发明的目的是设计一种无需海浪扰动和测量噪声的方差信息，有效减少了需要调整的参数数量，易于工程实现的基于无源理论的船舶航向海浪滤波方法

本发明的目的是这样实现的：

一种基于无源理论的船舶航向海浪滤波方法：

（1）建立带有海浪扰动的船舶航向运动数学模型：

ξ·=Awξ+EwwH,]]>

n·=-Tn-1n+Enwn,]]>

ψ·L=rL,]]>