[发明专利]一种船舶动力定位控制系统非线性滤波器设计方法

权利要求书

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X_u、Y_v、N_r、N_v、Y_r，重心在船体坐标系中的位置x_g，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：

η·=R(ψ)νMν·+Dν=bp+τ+τwind+τwaveb·p=0---(1)]]>

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，b_p＝[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，τ_wind和τ_wave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：

R(ψ)=cosψ-sinψ0sinψcosψ0001T---(2)]]>

M=m-Xu·000m-Yv·mxg-Yr·0mxg-Yr·Ir-Nr·---(3)]]>

D=-Xu000-Yv-Yr0-Nv-Nr---(4)]]>

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：

ξ·=000100000010000001-ω0200-2λω0000-ω0200-2λω0000-ω0200-2λω0ξ+000000000100010001ω1---(5)]]> 1

其中，ξ＝[ξ_x ξ_y ξ_ψ x_w y_w ψ_w]^T，其中ξ_x、ξ_y、ξ_ψ为辅助变量，x_w、y_w、ψ_w为一阶波浪引起的东向位置、北向位置和航向角，ω₁＝[ω_x ω_y ω_ψ]^T，ω_x、ω_y、ω_ψ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：

ξ·=Awξ+Ewω1η·=R(ψ)νb·=-T-1b+ω2Mν·+Dν=RT(ψ)b+τ+τwind+ω3y=η+Cwξ+vm---(6)]]>

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，v_m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：

ξ^·=Awξ^+K1(ω0)y~η^·=R(ψ)ν^+K2y~b^·=-T-1b^+K3y~Mν·+Dν=RT(ψ)b+τ+τwind+RT(ψ)K4y~y^=η^+Cwξ^---(7)]]>

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：

K1(ω0)=diag(K11(ω01),K12(ω02),K13(ω03))diag(K14(ω01),K15(ω02),K16(ω03))---(8)]]>

其中，ω_0i分别为船舶纵荡、横荡和艏摇干扰峰值频率，λ_i分别为船舶纵荡、横荡和艏摇干扰阻尼，ζ_ni为船舶纵荡、横荡和艏摇设计阻尼；

K₂＝diag(K₂₁,K₂₂,K₂₃)(9)

其中，K_2i＝ω_ci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，