船舶动力定位系统非线性观测器设计

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2、ir中文摘要摘要动力定位(DP)系统，是利用船舶自身的推力系统来提供抵抗风、浪、流等作用在船上的环境力，从而使船舶以一定的姿态保持在海面某目标位置。船舶的综合运动是由风、流、二阶波浪及推力器引起的低频运动和由一阶波浪引起的高频运动组成的。由于高频运动仅表现为周期性的振荡而不会导致平均位置的变化，所以在动力定位中为了避免不必要的能量浪费以及推力器的磨损，高频运动不应进入反馈环，推力系统只需抵消低频环境扰动。这就需要使用滤波技术来滤除位置及艏摇测量中的高频成分。而且通常情况下，船舶运动速度是不可测的，因此需要使用状态观测器根据位置及艏摇角度测量计算出船舶运动速度。所以

3、滤波和状态估计在动力定位系统中具有重要作用。传统的动力定位系统运用卡尔曼(Kalman)滤波器解决滤波和状态估计问题，该方法需要将动力学方程在一系列给定的艏摇角度值上进行线性化，～般将整个包线被划为36个工作点，每个工作点间隔为10度。运用卡尔曼滤波器不能保证系统的全局指数稳定性(GES)，而且系统的在线计算量太大，其中大量的协方差参数很难调整。为解决使用卡尔曼滤波器所带来的问题，本文设计了一个非线性观测器，并证明了该观测器是GES的，观测器调整参数的数量大大减少。该观测器能从附有噪声的位置和艏摇角测量值中滤除高频运动成分，并估计出船舶的低频位置及速度。考虑到海洋环境是不断变化的，海

4、浪模型的参数不断变化，则需要观测器自动调整增益，实现自适应滤波及低频运动估计。进一步，本文又设计了非线性增益规划观测器，该观测器通过计算海浪模型参数的方式实现根据缓慢变化的海浪模型参数自动做出调整，证明了该观测器是GES的。通过对一艘供给船进行计算机仿真，仿真结果验证了非线性观测器及增益规划观测器的有效性。关键诃：非线性观测器；船舶动力定位；增益规期、l，≮，＼英文摘要ABSTRACTThedynamicpositioning(DP)systemresistsagainstthedisturbancebywind，waveandcurrentbytheuseofthrustsyste

5、montheship，andthenmaintainsthedesiredpositionandheading．Thetotalshipmotionisthesumofthelowfrequencymotionduetothewind，current，second．orderwavedriftandthrusters，andthehighfrequencymotionduetofirst—orderwavedisturbances．Theperformanceofthehighfrequencymotionisperiodicoscillationandwillnotleadtoth

6、echangeoftheaveragepositions．Inordertoavoidunnecessaryfuelcostandtearonthethrusters，thehighfrequencyshouldnotenterthefeedbackloop，andonlythelowfrequencymotionsarecounteractedbythethrustsystem．Thereisneededtousewavefilteringtechniquesfilteringoutthehighfrequencycomponentfromthepositionandheading

7、measurements．However,inmostcasemeasurementsoftheshipvelocitiesarenotavmlable．Hence，estimatesofthevelocitiesmustbecomputedfromnoisypositionandheadingmeasurementsthroughastateobserver．FilteringandstateestimationareimportantfeaturesofaDPsystem．InthetraditionalDPsystemsthewavefilteringandstateestim

8、ationproblemsaresolvedbyusingKalmanfilters．Itmustlinearizethekinematicequationsaboutasetofpredefinedconstantyawangles，typically36operatingpointsinstepsof10。，toCOVerthewholeheadingenvelope．Globalexponentialstability(GES)cannotbegua