船舶惯导系统自主式无超调状态切换方法

摘要

本发明公开了一种船舶惯导系统自主式无超调状态切换方法，有步骤：确定校正环节阻尼比，确定校正过程的时域参数，确定校正环节的截止频率，确定系统带宽，确定校正环节的两交接频率，确定校正环节低频段，确定校正环节高频段，确定校正环节衔接频段，确定校正环节的传动函数，确定切换时间，确定切换步长，确定校正前后的速度变化量，得到惯性器件输出的加速度和角速度，根据惯性器件的误差源对惯性器件输出进行补偿，对加速度信息进行积分得到速度，得到速度校正量，得到校正后速度，到校正后角速度信息并由舒拉回路反馈，校正后速度进行积分得到校正后的位置。本发明实现了不依赖外界速度的情况下，抑制因状态切换过程中产生的超调误差。

主权项

1.一种船舶惯导系统自主式无超调状态切换方法，其特征在于，它包括如下步骤：步骤S11：根据船舶运动状态从抑制系统误差方面和减小校正环节对系统回路的影响两个方面考虑，确定适合于船舶状态的阻尼比ζ；步骤S12：确定校正环节的时域参数，所述时域参数包括谐振峰值M_r和调节时间t_s，根据二阶系统谐振峰值与阻尼比的关系式将步骤S11中得到的阻尼比ζ代入其中，得出系统的谐振峰值M_r；同时，设定校正过程的调节时间t_s为给定值A；步骤S13：确定校正过程期望的截止频率，根据高阶系统频域和时域指标的关系式式中：K＝2+1.5(M_r-1)+2.5(M_r-1)²，t_s为步骤S 12中调节时间给定值A；M_r为步骤S12中谐振峰值M_r；得到校正过程期望的截止频率ω_c；步骤S14：确定校正环节的系统带宽；根据自动控制系统理论，得到系统带宽与最大相角裕度的关系式式中：H为校正环节的系统带宽，γ为相角裕度，其中，相角裕度γ为设定值B，将相角裕度γ代入公式(3)得到校正环节的系统带宽H的值；步骤S15：确定校正环节的两交接频率； 根据最大相角的角频率ω_m关系式校正环节的系统带宽关系式H＝ω₂/ω₃                (5)另外，为使系统获得尽可能大的相角裕度，选择校正环节的最大相角裕度角频率接近系统的截止频率，即ω_m≈ω_c       (6)根据上述公式(4)、公式(5)、公式(6)即可得到两交接频率ω₂和ω₃；步骤S16：确定校正环节的低频段；校正后系统采用与无校正系统同样的低频段；步骤S17：确定校正环节的高频段；校正后系统采用与无校正系统同样的高频段；步骤S18：确定校正环节的衔接频段；根据公式ω₄＝H×ω₃           (7)式中：H为校正环节的系统带宽，ω₃为步骤S15中的交接频率，根据公式(7)得到校正环节的衔接频段ω₄。步骤S19：根据S15，S18确定校正环节的传递函数为如下公式其中s为微分算子；步骤S20：在步骤S11进行的同时，确定系统由无校正转为校正状态切换的过渡时间，所述系统由无校正转为校正状态切换的过渡时间为给定时间10～20分钟；步骤S21：根据S19中确定的校正环节传递函数中的交接频率ω₂、ω₃，衔接频率ω₄及步骤S20中的状态切换的过渡时间确定系统的交接频率ω₂、ω₃，衔接频率ω₄的切换步长；具体切换步长依照公式得到，其中，校正状态参数为确定的适合当前运动状态的传递函数的参数，交接频率ω₂，ω₃和衔接频 率ω₄，当前拟校正状态参数为惯导系统在校正前的传递函数的参数，交接频率ω₂，ω₃和衔接频率ω₄，切换过度时间为10～20分钟。步骤S22：利用步骤S19中校正环节的传递函数对步骤S19中的公式(8)进行反拉普拉斯变换后可得到校正前后的速度微分方程；定义船舶校正前的速度为v，校正后的速度为v′，公式(8)为两者间的传递函数，为二阶微分方程。为对公式(8)进行变换，定义两个中间变量为u₁，u₂，有：(9)对公式(8)进行相应变形，可得到下述微分方程组。v′＝q(v+u₁+u₂)为方程变换中的常数。上述方程组确定了校正前后的速度关系；得到速度微分方程后，根据步骤S21中确定的频率参数切换步长，即每次速度校正时ω₂，ω₃，ω₄的改变量，从而根据公式(10)确定校正前后的速度变化量；步骤S31：得到惯性器件输出的角速度和加速度信息，所述惯性器件为陀螺和加速度计；步骤S32：根据惯性器件的误差源对惯性器件输出的角速度和加速度信息进行补偿；步骤S33：对加速度计输出的加速度信息进行积分得到速度信息；步骤S34：根据步骤S22中校正前后的速度变化量，以及步骤S33中的校正前的速度得到速度校正量； 步骤S35：根据步骤S33中校正前的速度和步骤S34中的速度校正量得到校正后速度；步骤S36：利用步骤S35中的校正后速度信息，根据惯导系统模型得到校正后角速度信息，该校正后角速度信息通过舒拉回路反馈至步骤S32后继续进行步骤S33～步骤S38的导航解算；步骤S37：对步骤S35中的校正后速度进行积分；步骤S38：得到校正后的位置信息即完成整个切换过程。