[发明专利]一种基于蒙特卡罗卡尔曼滤波的船舶轴功率测量方法

说明书

本发明提供一种蒙特卡罗卡尔曼滤波的船舶轴功率测量方法，具体过程包括：根据轴系的工作原理，抽象出其物理模型，进而建立状态方程和量测方程，采用蒙特卡罗法求取船舶轴功率。首先，根据前一时刻的状态估计值、协方差，采用蒙特卡罗法模拟出状态扭矩的随机点集，根据状态方程对其非线性变换，计算该时刻的状态预测值；其次，采用蒙特卡罗法对转速的测量值模拟出随机点集，根据量测方程融合计算出轴功率的预测值；最后，利用蒙特卡罗法估计该时刻的扭矩状态估计值，计算出船舶轴功率。针对接触式和非接触船舶轴功率测量的不足，旨在不增加硬件的前提下，采用蒙特卡罗法对采集数据融合滤波，噪声协方差估计，提高测量精度，达到在线监测轴功率的目的。

技术领域

本发明涉及船舶轴功率测量领域，更具体地，涉及一种基于蒙特卡罗卡尔曼滤波的船舶轴功率测量方法。

背景技术

根据应用要求，船舶轴功率分为短期检测和在线监测，短期检测为新船下水或船舶维修后首航测试提供最主要的性能参数。实船在不同工况下，在线监测船-机-桨之间的轴功率是评价三者配合效率的关键参数，为提高船舶动力系统的效率具有十分重要的意义；在线监测轴功率为船舶状态监测和故障诊断提供辅助参数，为提高船舶动力系统的可靠性和安全性具有十分重要的意义；通过对轴功率、扭矩、转速等参数的实时在线监测，评价船舶运行的总体经济性能，为船舶的经济航行提供技术支持。

船舶轴功率的测量是通过对扭矩和转速的测量来实现的，其中测量转速的技术成熟，

扭矩分为静态测量和动态测量，各种扭矩的测试方法均能对静态扭矩进行精确测量。动态扭矩测量方法主要有应变式、磁电式、振弦式、激光式、无线声表面波式、位置编码器式等。其中，应变式扭矩测量法技术已经很成熟，而且其结构比较简单、操作方便、温度补偿性能好、测量精度高，已成功地应用于船舶轴功率短期检测中。但是抗干扰能力较差，硬件电路随传动轴一起转动，长期供电困难，且长期使用容易造成应变片疲劳，所以很难将系统集成化并应用于船舶轴功率的在线监测。而磁电式、光电式、无线声表面波式等测量法属于非接触式测量，易于长期供电和系统集成。但是，目前在线非接触式船舶轴系扭矩测试技术相对落后，测量精度低，因此，如何提高船舶轴系扭矩在线非接触式测量的准确性、实时性以及可靠性显得尤为重要，也具有很高的工程应用价值。

船舶工作在不同的工况下，误差是不确定的，各种噪声的干扰影响了船舶轴功率的测量精度。卡尔曼滤波算法已广泛应用于动态状态估计，提高测量精度。而它处理的是线性问题，船舶轴功率测量是通过对扭矩和转速的测量来实现的，为了避免出现兼容性问题，需对扭矩和转速量测进行融合处理计算轴功率，因此，船舶轴功率的测量属于非线性系统。对于非线性系统，扩展卡尔曼，无迹卡尔曼和蒙特卡罗卡尔曼采用不同的方法计算均值和均方差，实现动态状态的最优估计。在随机样本足够高的情况下，蒙特卡罗卡尔曼滤波可以达到任意精度，缺点在于计算量较大，而在轴功率测量系统中，扭矩和转速信号通过采集卡采集信号到PC机，PC机分析处理扭矩和转速信号并计算轴功率。在合适的样本条件下，当前的主流PC机完全可以满足精度计算和实时性要求。因此，蒙特卡罗卡尔曼滤波更适合船舶轴功率在线监测。

发明内容

本发明提供一种克服上述问题或者至少部分地解决上述问题的一种基于蒙特卡罗卡尔曼滤波的船舶轴功率测量方法，包括：

S1，根据船轴系的工作原理，抽象出其物理模型，并构建其微分方程，进而根据微分方程构建扭矩的状态方程；

S2，根据轴功率与扭矩和转速的关系，构建轴功率的量测方程；

S3，获取前一时刻的扭矩状态估计值和扭矩协方差矩阵，利用蒙特卡罗法和扭矩的状态方程计算扭矩当前时刻状态预测值和协方差预测值；

S4，获取当前时刻转速的测量值和协方差，根据蒙特卡罗法模拟出当前时刻转速的随机点集；

S6，根据扭矩的当前时刻状态预测值、转速的随机点集和所述轴功率的量测方程，生成轴功率的样本集和轴功率的预测值；