[发明专利]一种减少无效操舵的航向控制方法

说明书

本发明公开了一种减少无效操舵的航向控制方法，先进行计算广谱海浪滤波器系数步骤，解算滤波控制分量步骤需要的系数矩阵，再进行卡尔曼滤波状态量计算步骤，其结果提供计算基本控制量和滤波控制分量步骤，由于基本控制量和滤波控制分量同时计算，可避免采用带阻滤波器由于先滤波再参与控制量计算引起的大相位滞后，因此，在滤波时能仍保证船舶航向控制系统的控制精度和稳定性；计算得到的最终方向舵控制量送入舵机控制单元后，在风浪干扰下能以较低的打舵频率实现对航向的有效控制，可降低船舶舵机设备机械磨损。

技术领域

本发明属于船舶自动操纵与控制技术领域，具体涉及一种减少无效操舵的航向控制方法。

背景技术

船舶在风浪中航行时，在海浪作用下产生高频艏摇运动。为克服艏摇，常规控制方法是方向舵频繁左右打舵，由于艏摇频率远远高于船舶控制系统闭环带宽，因此，方向舵左右打舵无法抑制高频的艏摇运动，不能产生有效的控制效果，在此控制过程中存在大量无效操舵。频繁打舵引起的速降增加了燃油消耗，引起的舵机磨损严重影响机械设备的使用寿命，因此，风浪干扰下的无效操舵问题是船舶操纵控制领域亟需解决的技术难题之一。

现役船舶操纵控制系统中通常采用带阻滤波器或者扩展卡尔曼滤波器的方法减小风浪干扰下的无效操舵。当采用带阻滤波器时，测量的航向信号经过带阻滤波器滤除海浪干扰后，再进行控制器需要的状态量的解算，最后由控制器计算指令舵角，由于带阻滤波器和航向微分器以串联方式工作往往会产生较大的相位滞后，严重影响航向控制品质，有时会造成控制系统失稳；采用扩展卡尔曼滤波器时，首先进行海浪谱辨识，再根据辨识的海浪谱构建扩展卡尔曼滤波器，卡尔曼滤波器在解算控制器需要的状态量的同时实现了海浪滤波，与带阻滤波器相比，相位滞后较小，但当海况较复杂时辨识的海浪谱与真实海浪谱间存在较大差异，造成滤波效果不理想，有时仍存在较多无效操舵。

因此，上述问题导致的无效操舵，同行从业人员亟待解决。

发明内容

鉴于上述问题，本发明提供了一种船舶航向控制方法，解决现有船舶航向滤波方法存在的稳定性差、滤波效果不佳的问题，可达到在风浪干扰下减少船舶无效操舵，降低燃油消耗，同时降低舵机设备机械磨损的目的。

本发明实施例提供一种减少无效操舵的航向控制方法，包括：

S1、采用广谱海浪滤波器，计算广谱海浪滤波器系数；所述广谱海浪滤波器系数的计算结果包含：卡尔曼滤波器增益矩阵和控制器系数矩阵；

S2、采用卡尔曼滤波器，并根据所述卡尔曼滤波器增益矩阵，进行卡尔曼滤波状态量计算；

S3、根据所述控制器系数矩阵及所述卡尔曼滤波状态量，进行基本控制量和滤波控制分量的计算；

S4、将所述基本控制量与所述滤波控制分量相加，获得最终方向舵控制量。

在一个实施例中，所述步骤S1包括：

(1.1)计算卡尔曼滤波器增益矩阵H_3×1、控制器系数矩阵M_1×3和偏航增益系数N：

将矩阵A_3×3、B_3×1、C_1×3以及QN和RN代入黎卡提方程，解得卡尔曼滤波器增益矩阵H_3×1；其中，A_3×3为船舶线性运动方程系统矩阵，B_3×1为船舶线性运动方程输入矩阵，C_1×3为船舶线性运动方程输出矩阵，均为所涉船舶的设计数据；QN为模型噪声协方差，RN为测量噪声协方差；

将矩阵A_3×3、B_3×1、C_1×3、Q_4×4和R代入黎卡提方程，解得控制器系数矩阵M_1×3和偏航增益系数N,其中，Q_4×4为控制误差加权系数矩阵，R为能量损耗加权系数；