船舶動(dòng)力定位系統(tǒng)非線性觀測器設(shè)計(jì).pdf

1、動(dòng)力定位(DP)系統(tǒng),是利用船舶自身的推力系統(tǒng)來提供抵抗風(fēng)、浪、流等作用在船上的環(huán)境力,從而使船舶以一定的姿態(tài)保持在海面某目標(biāo)位置。
　　 船舶的綜合運(yùn)動(dòng)是由風(fēng)、流、二階波浪及推力器引起的低頻運(yùn)動(dòng)和由一階波浪引起的高頻運(yùn)動(dòng)組成的。由于高頻運(yùn)動(dòng)僅表現(xiàn)為周期性的振蕩而不會(huì)導(dǎo)致平均位置的變化,所以在動(dòng)力定位中為了避免不必要的能量浪費(fèi)以及推力器的磨損,高頻運(yùn)動(dòng)不應(yīng)進(jìn)入反饋環(huán),推力系統(tǒng)只需抵消低頻環(huán)境擾動(dòng)。這就需要使用濾波技術(shù)來濾除位置及

2、艏搖測量中的高頻成分。而且通常情況下,船舶運(yùn)動(dòng)速度是不可測的,因此需要使用狀態(tài)觀測器根據(jù)位置及艏搖角度測量計(jì)算出船舶運(yùn)動(dòng)速度。所以濾波和狀態(tài)估計(jì)在動(dòng)力定位系統(tǒng)中具有重要作用。
　　 傳統(tǒng)的動(dòng)力定位系統(tǒng)運(yùn)用卡爾曼(Kalman)濾波器解決濾波和狀態(tài)估計(jì)問題,該方法需要將動(dòng)力學(xué)方程在一系列給定的艏搖角度值上進(jìn)行線性化,一般將整個(gè)包線被劃為36個(gè)工作點(diǎn),每個(gè)工作點(diǎn)間隔為10度。運(yùn)用卡爾曼濾波器不能保證系統(tǒng)的全局指數(shù)穩(wěn)定性(GES),而

3、且系統(tǒng)的在線計(jì)算量太大,其中大量的協(xié)方差參數(shù)很難調(diào)整。
　　 為解決使用卡爾曼濾波器所帶來的問題,本文設(shè)計(jì)了一個(gè)非線性觀測器,并證明了該觀測器是GES的,觀測器調(diào)整參數(shù)的數(shù)量大大減少。該觀測器能從附有噪聲的位置和艏搖角測量值中濾除高頻運(yùn)動(dòng)成分,并估計(jì)出船舶的低頻位置及速度?？紤]到海洋環(huán)境是不斷變化的,海浪模型的參數(shù)不斷變化,則需要觀測器自動(dòng)調(diào)整增益,實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)濾波及低頻運(yùn)動(dòng)估計(jì)。進(jìn)一步,本文又設(shè)計(jì)了非線性增益規(guī)劃觀測器,該觀測器