（控制理论与控制工程专业论文）采用建模与仿真技术的操船模拟系统研究.pdf

武汉理工大学硕士学位论文 摘要 计算机仿真技术是当前应用最广泛的实用技术之一它集成了计算机技术、 网络技术、图形图像技术、面向对象技术，多媒体、软件工程、信息处理、自 动控制等多个高新技术领域的知识，以数学理论、相似原理、信息技术、系统 技术及其应用领域有关的专业技术为基础，以计算机和各种物理效应设备为工 具，利用系统模型对实际的或设想的系统进行实验研究的一门综合性技术。实 时仿真技术作为计算机仿真的一支极有特色的应用分支，近年来更是发展迅速。 特别是功能强大的实时仿真支撑软件开发成功之后，更加推动了实时仿真机的 产业化、商品化和国际化。 船舶操纵模拟器作为一种先进的教学手段应用于航海教学和船员培训在我 国已有较长的历史。通过仿真模拟船舶航行驾驶，培训学员能在与实船很相似 的环境下安全、高效地进行船舶操纵、轮机管理和排除故障等训练。 本文的主要课题是借助计算机仿真技术，模拟航行于长江及沿海地区的中， 小型船舶上的驾驶室集中操纵船舶及监控航行设备。作为一种中、小型系统的 船舶操纵模拟器，它能分另u 仿真和盗控实船上设备的运行工况，满足船舶操级 及船舶设备监控的教学要求。 本系统主要研究船舶运动模型，舵机模型，船舶推进模型等。系统是通过硬 件设备组建仿真物理模型，软件实现仿真和相关的应用程序。针对建立的仿真 船舶模型，软件程序实时与具体的硬件设备互相通讯，从而实现船舶各运动参 数直观的动态显示。系统主要核心内容涉及研华板卡设备的驱动开发、系统建 模、软件实现、软硬件串口通讯和数据库访问与操纵等。 论文首先介绍船舶仿真模型，主要侧重于主机和舵机系统；其次介绍系统总 体设计与架构，论述系统实现方案和相关的功能模块；再介绍仿真软件设计的 核心技术和相关实例；最后是仿真软件的实现和调试，验证仿真船舶运行的回 转性能和z 形试验。 基于论文开发的船舶操纵与推进实验系统，在实际教学中得到了充分运用并 且效果良好。论文研究成果也可以作为实验室仿真技术和设备驱动开发的参考。 关键词：船舶操纵模拟器，仿真技术，系统建模，驱动开发，软件实现 武汉理工大学硕士学位论文 a b s t r a c t t h ec o m p u t e rs i m u l a t i o nt e c h n o l o g yi sc u r r e n to n eo fm o s tw i d e s p r e a du s e d p r a c t i c a lt e c h n o l o g y i ti n t e g r a t e dt h ec o m p u t e rt e c h n o l o g y , t h en e t w o r kt e c h n o l o g y , t h e g r a p hp i c t u r et e c h n o l o g y , t h eo b j e c t - o r i e n t e dt e c h n o l o g y , m u l t i m e d i a , t h e s o f t w a r ee n g i n e e r i n g , t h ei n f o r m a t i o np r o c e s s i n g , t h ea u t o m a t i cc o n t r o la n dm a n y h i g h t e c hd o m a i nk n o w l e d g e w i t hm a t h e m a t i c st h e o r y , t h ep r i n c i p a lo fs i m i l i t u d e ， t h ei n f o r m a t i o nt e c h n o l o g y , t h es y s t e mt e c h n o l o g ya n di t st h ea p p l i c a t i o nd o m a i n r e l a t e ds p e c i a l i z e dt e c h n o l o g ya si t sf o u n d a t i o n , t h ec o m p u t e ra n de a c hp h y s i c a l e f f e c te q u i p m e n ta si t st o o l , i ti sac o m p r e h e m i v et e c h n o l o g yw h i c hc o n d u c tt h e e x p e r i m e n ts t u d yb yu s i n ga c t u a l o rc o n c e i v i n gs y s t e mm o d e l 。t h er e a l t i m e s i m u l a t i o nt e c h n o l o g ye x t r e m e l yh a st h ec h a r a c t e r i s t i ca st h ec o m p u t e rs i m u l a t i o n a p p l i c a t i o nb r a n c ha n di nr e c e n ty e a r si t sd e v e l o p m e n ti sr a p i d a f t e rs p l e c i a lf u n c t i o n f o r m i d a b l er e a l - t i m es i m u l a t i o ns t r u ts o f t w a r ed e v e l o p i n gs u c c e s s f u l l y , i te v e nm o r e i m p e l st h e r e a l - t i m es i m u l a t i o nm a c h i n ei n d u s t r y , t h ec o m m e r c i a l i z a t i o na n dt h e i n t e r n a t i o n a l i z a t i o n a so n ea d v a n c e dt e a c h i n gm e t h o da p p l y i n gt ot h en a v i g a t i o nt e a c h i n ga n dt h e c t e wt r a i n si no u rc o u n t r y , s h i p - h a n d l i n gs i m u l a t o rh a dal o n g e rh i s t o r y t h r o u g h s i m u l a t i o ns h j p sn a v i g a t i o nd r i v i n g , i tc a nt r a i nt h es t u d e n ts a f e l ya n dh i g h l ye f f e c t i v e t oc a r r yo i lt r a i n i n g , s h i p so p e r a t i o n , t u r b i n em a n a g e sa n de l i m i n a t em a l f u n c t i o n u n d e ram o r er e a le n v i r o n r a c n l t h em a i nt o p i ci st h a ts i m u l a t e sn a v i g a t i o ni l lc h a n gj i a n gr i v e ro ro nt h ec o a s t a l a r e ac e n t e r , c e n t r a l i z e dc o n t r o l l i n gs h i p sa n dm o n i t o r i n gn a v a l de q u i p m e n ti nt h e s m a l ls h i pc a b a sam e d i u mo rs m a l ls h i p - h a n d l i n gs i m u l a t o r , t h i ss y s t e mc a n d i s t i n g n i s m ys i m u l a t ea n dm o n i t o ro nt h es o l i ds h i pe a c hk i n do fc o n d i t i o n , a l s o 啪 s a t i s 粤t e a c h i n gr e q u e s ti n v o l v e dw i t hs h i p so p e r a t i o na n ds h i p b o a r de q u i p m e n t m o n i t o r t h i ss y s t e mm a i n l yr e s e a r c h e ss h i p sm o v e m e n tm o d e l ，r u d d e rm o d e l ，s h i p s a d v a n c em o d e la n ds oo n ，s y s t e mi sm a d eu po ft h es i m u l a t i o np h y s i c a lm o d e l t h r o u g ht h e h a r d w a r e e q u i p m e n t , t h es o f t w a r e r e a l i z a t i o ns i m u l a t i o na n dt h e c o r r e l a t i o na p p l i c a t i o np r o c e d u r e i nv i e wo fe s t a b l i s h m e n ts i m u l a t i o ns h i p sm o d e l ， 武汉理工大学硕士学位论文 s o f t w a r ep r o c e d u r er e a l t i m ea n dc o n c r c t eh a r d w a r ee q u i p m e r i tm u t u a l l yc o m m u n i c - a t i o n , t h u si tc a l lr e a l i z et h es h i p sv a r i o u sp a r a m e t e ro fm o v e m e n td i r e c t - v i e w i n g d y n a m i cd e m o n s t r a t i o n i t sc o r ec o n t e n ti n v o l v e sa d v a n t e c ha u t o m a t i o nd e v i c ed r i v e d e v e l o p m e n t , s y s t e mm o d e l i n g , s o f t w a r er e a l i z a t i o n , s o f t w a r ea n dh a r d w a r es e r i a l c o m m u n i c a t i o n , d a t a b a s ev i s i ta n do p e r a t i o na n ds oo n 。 t h ep a p e rf i r s ti n t r o d u c e ds h i p ss i m u l a t i o nm o d e l ，m a i n l ys t r e s s e do nt h em a i n e n g i n ea n dt h er u d d e rs e i v os y s t e m n e x ti n t r o d u c t i o nt h es y s t e md e s i g na n dt h e o v c r h e a dc o n s t r u c t i o n ，e x p o u n d e dt h es y s t e mr e a l i z a t i o np l a na n dt h er e l a t e df u n c t i o n m o d u l e a g a i ni n t r o d u c e ds i m u l a t i o ns o f t w a r ec o r et e c h n o l o g ya n dr e l a t e de x a m p l e s f i n a l l yw e r et h es i m u l a t i o ns o f t w a r er e a l i z a t i o na n dt h ed e b u g g i n g , t h ec o n f i r m a t i o n s i m u l a t i o ns h i p sr o t a t i o np e r f o r m a n c ea n dt h ez s h a p ee x p e r i m e n t s h i p so p e r a t i o na n da d v a n c e m e n te x p e r i m e n ts y s t e mt h a ti sd e v e l o p e db a s e do n t h i sp a p e ro b t a i n e df u uu t i l z a t i o ni nt h ef i e l dr e s e a r c ha n dt h ee f f e c tw a sg o o d t h e p a p e rr e s e a r c hr e s u ri sa l s or e g 缸d e dr e f e r e n c ea st h ed e v e l o p m e n to ft h el a b o r a t o r y s i m u l a t i o nt e c h n o l o g ya n dt h ee q u i p m e n t k e yw o r d s ：s h i p h a n d l i n gs i m u l a t o r ，s i m u l a t i o nt e c h n o l o g y ，s y s t e mm o d e l i n g ， d r i v ed e v e l o p m e n t , s o f t w a r er e a l i z a t i o n m 武汉理工大学硕士学位论文 1 1 课题概述 1 1 1 课题研究的背景 第1 章绪论 最早从事船舶操纵模拟器“1 研究开发的是英国p cm a r i t i m e 公司。在1 9 8 8 年 该公司就成功地推出了基于个人计算机的p c n a v i g a t o r 驾驶模拟器软件。经过多 年发展，该公司目前能生产从小型桌面船舶操纵模拟器到大型船舶操纵模拟器， 包括三维视景e c d i s 、a l l 黼达模块、各种航海设备( g p s 、d e c c a 、l o r a n c 和r d f ) ，与实船相对应的船舶数据模型及实船控制面板，能满足各级别的培训 要求。其他国家的航海院校和研究机构也相继致力于船舶操纵模拟器的开发与 研究，开发出了许多满足不同要求的船舶操纵模拟器。 船舶操纵模拟器作为一种先进的教学手段应用于航海教学和船员培训在我 国已有较长的历史。2 0 世纪8 0 年代初，国内大部分航运院校和部分船员培训单 位就相继引进或自行开发船舶操纵模拟器，推进了我国船舶操纵模拟器技术的 不断发展。大连海事大学在这方面起步较早，曾为上海引航站开发过一套基于 论证上海宝山港港池扩建方案的，可用于p c 机上操作的船舶操纵模拟软件。这 套软件不仅操纵设备，由软操作面板实现车、夺、锚、缆以及拖船的操作，以 电子海图为背景的船舶的动态显示。另外还先后完成了如下港航设计论证方面 的科研项：“上海港大型空载集装箱船在狭窄水域利用拖船协助旋回1 8 0 。的模 拟试验”：。青岛港2 0 万吨级航道设计的模拟”；“烟台港西港池三期工程航 道设计模拟论证”等，取得了一定经济效益和社会效益 2 1 。上海海运学院也逐渐 将船舶操纵模拟器的应用领域扩展到论证港航设计上来，曾做过天津港海河航 道的安全论证和上海宝山港池的扩建模拟论证，结果比较令人满意。武汉理工 大学航运学院2 0 0 3 年引进了具有全任务大型船舶操纵摸拟器n t - p r o4 0 0 0 型， 该模拟器具有国内一流水准，有7 个可视化视景通道，具有动态、声像功能的 2 7 0 度三维视景空间，具有身临其境的船舶操纵环境。此模拟器可仿真不同种类 的船舶、不同国际海域和港口，具有雷达、电子海图、助航仪器、通信系统等 组成的驾驶台综合船桥系统，提供船舶操纵实时综合训练。 武汉理工大学硕士学位论文 1 1 2 课题研究的目的及意义 本课题研究的目的是：模拟航行于长江及沿海地区的中小型船舶上的驾驶 室集中操纵和监控船舶设备。通过两台p c 机分别仿真和监控船舶上的各种状态， 能满足船舶操纵及船舶控制的教学实验要求，从而达到培训学员实际操纵和监 控驾驶设备。 本课题研究的意义是：通过仿真模拟船舶航行驾驶，培训学员能在与实船 很相似的环境下安全、高效地迸行船舶操纵、轮机管理和排除故障等训练。培 训学员在较为真实的环境下操纵船舶、管理维护船舶设备等。 开发中小型船舶操纵模拟器，限于开发成本和市场需求，较少应用于内河 领域。为此本课题研究并解决了以下几个问题： ( 1 ) 仿真系统的硬件设计合理性、可靠性及较高的性价比； ( 2 ) 设计一定吨位的中小型船舶运动的数学模型，并且完善船舶在车、舵、风、 流、浪等影响下的水动力运动方程的数学模型。达到比较真实地反映实际 中的中小型船舶操纵性能； ( 3 ) 建立仿真系统的局域网并能与工业以太网通讯； ( 4 ) 设计系统具备扩展模块便与应用于其他相关领域。 1 2 课题研究的现状 国外一直非常重视采用船舶操纵模拟技术对航路设计、通航安全进行分析、 论证，并逐渐形成了业界的一种共识。具体地，船舶操纵模拟技术又可细分为 实时和快时模拟两种方法【3 l 。 实时模拟是通过大型视景全功能船舶操纵模拟器实现，即让有一定船舶操纵 实践经验的驾引人员在模拟器所设置的环境中实时操作设计通航船舶，最后根 据多人次模拟的结果进行相关论证美国商船学院c a o r f ( c o m p u t e ra i d e d o p e r a t i o n sr e s e a r c hf a c i l i t y ) 的操纵模拟器在巴拿马运河中长约1 4 k m 的盖亚尔渠 ( g a i l l a r dc u t ) 的设计过程中发挥了重要作用，并取得非常令人满意的效果。日本、 西班牙等国在航道灯光布置危险品码头安全分析等工作中也都采用这种方法。 有关的国际学术会议m a r s l m ( i n t e m a t i o n a lc o n f e r e n c eo i lm a r i n es i m u l a t i o na n d s h i pm a n e u v e r a b i l i t y ) 均有此类研究应用问题的介绍和研讨这种方法的主要优点 2 武汉理工大学硕士学位论文 是：可以任意设置航行环境和外力，进行雾、雨等不同能见度下和不同风、浪、 流作用下各种极限操作，并实时记录相关的参数，为航行安全等提供评价依据。 快时模拟一般与实时模拟等方法一起配合使用 4 1 。这种方法与实时模拟方法 不同之处是它需要知识和经验。由于允许多个任务在短时间内执行论证周期比 较短是其最主要的特点。快时模拟的核心包括了引航员控制模型( p i l o tc o n t r o l m o d e l ) 。引航员控制模型实际上是一个在适当延时、随机错误、习惯航向、偏航 误差等条件下的自动人工引航模拟模型。通过重复执行不同操纵，跟踪分布情 况，分析运行统计结果，即可得到相关信息。 1 9 9 1 年，青岛远洋船员培训学院曾采用从挪威n o r c o n t r o l 公司引进的 船舶操纵模拟器为黄岛油码头迎接首艘2 5 万吨级的油轮进行操船作业模拟，青 岛港引航员的反映良好。大连海事大学用自行开发研制的大型船舶操纵模拟器， 为上海1 9 9 8 年青岛港航道设计以及第5 代集装箱船导航出黄浦江等通航安全问 题进行了模拟。上海海事大学、上海船舶运输研究所等单位也采用自己研发的 船舶操纵模拟器对上海洋山港区及三峡等进行通航安全论证 5 1 。至于快时模拟的 应用，国内有文献涉及，但尚停留在简单的船舶操纵运动数学模拟的阶段上， 对于知识、经验和引航员模型控制等方面的论述比较缺乏。 1 3 本课题研究的内容 研究船舶操纵性能教学模型，定性的反映此型船舶在设定风、流、浪、水 深等外界条件环境中的运动规律。能够模拟两台2 9 6 千瓦m a n 主机的技术参数， 根据设定船型的螺旋桨特性，主机速度，吃水数据等定性模拟船舶航行速度特 性能设置或编辑学员训练场景，实时监视学员训练过程。 监控两台仿真主机运行状况，实时监控主机在启动、怠速、升速、全速等 过程的速度变化。可自动对主机参数预报警及超速停机。 实时监视三台辅机的运行状况。自动对各辅机参数监视和预报警。模拟显 示各辅机运行状态( 单机、并车、备用) 。 论文第二章介绍仿真模型的建立，侧重于主机与舵机系统系统总体设计与 架构；第三章主要介绍系统总体设计与架构；第四章介绍仿真软件设计；第五 章主要介绍仿真软件实现和调试：第六章是全文总结与展望。 3 武汉理工大学硕士学位论文 2 1 数学模型 第2 章仿真模型的建立 随着科学技术的迅速发展，数学模型 6 1 越来越地出现在现代人的生产、工作 和社会活动中。电气工程师必须建立所要控制的生产过程的数学模型，用这个 模型对控制装置作出相应的设计和计算，才能实现有效的过程控制。气象工作 者为了得到准确的天气预报，一刻也离不开根据气象站、气象卫星汇集的气压、 雨量、风速等资料建立的数学模型。 数学模型可以描述为，对于现实世界的一个特定对象，为了一个特定目的， 根据特有的内在规律，做出一些必要的简化假设，运用适当的数学工具，得到 的一个数学结构。 数字式计算机的计算机模拟( c o m p u t e rs i m u l a t i o n ) 是根据实际系统或过程 的特性，按照一定的数学规律用计算机程序语言模拟实际运行状况，并依据大 量模拟结果对系统或过程进行定量分析川。 2 1 。1 数学建模的意义 数学建模在现实世界中具有重要意义。 1 在一般工程技术领域，数学建模仍然大有用武之地 在机械、电机、土木、水利等工厂技术领域中，数学建模应用普遍，并且 能不断适应新技术，新工艺的发展需要。 2 在高新技术领域，数学建模几乎是必不可少的工具 无论是发展通讯、航天、自动化等高新技术本身，还是将高新技术用于传 统工业开发新产品，计算机技术支持下的建模和模拟都是经常使用的有效手段。 3 数学迅速进入一些新领域，为数学建模开拓了许多新的处女地 在许多交叉领域建立不同类型、不同方法、不同深度的模型的余地相当大， 为数学建模提供了广阔的新天地。 其应用范围很广具体有：分析与设计、预报与决策，控制与优化、规划与 管理f b 】。 4 武汉理工大学硕士学位论文 2 1 2 数学建模的基本方法和步骤 1 建模方法大体可分为机理分析和测试分析两种【q 机理分析是根据对客观事物特性的认识，找出反映内部机理的数量规律， 建立的模型常有明确的物理或现实意义。测试分析将研究对象看作一个“黑箱” 系统，通过对系统输入、输出数据的测量和统计分析，按照一定的准则找出与 数据拟合得最好的模型。 2 数学建模的一般步骤 图2 - 1 数学建模步骤 模型准备：了解问题的实际背景，明确建模目的，搜集必要的信息，尽量弄 清对象的主要特征，形成一个比较清晰的“问题”。 模型假设：根据对象的特征和建模目的，抓住问题的本质，忽略次要因素，做 出必要的、合理的简化假设。 模型构成：根据所做的假设，用数学的语言、符号描述对象的内在规律，建立 包括常量、变量的数学模型。如微分方程模型、差分方程模型等。 模型求解：可以采用解方程、画图形、数值计算等数学方法，特别是数学软件 和计算机技术。 模型分析：对求解结果进行数学上的分析，如结果的误差分析、模型对数据的 灵敏性分析等 模型校验：把求解和分析结果翻译回到实际问题，与实际的现象、数据比较、 校验模型的合理性和适用性。 5 武汉理工大学硕士学位论文 2 2 船舶操纵动力学模型 船舶操纵性是船舶在驾驶人员的操纵下保持或改变其运动状态的性能，即船 舶借助舵保持或改变其航向和航迹的性能及借助于主机一螺旋桨保持或改变航 速的性能f l o l 。 船舶在水面中的运动具有六个自由度，分解为前进、横漂、起伏三种平移 及转首、横摇、纵摇三种转动。在这种耦合运动中，船和周围流体既相互依存 产生了关联惯性力，又相互作用产生了黏性力。外界环境的干扰包括风力，浪 力及流力，其机理很复杂：从效果上看，风引起类似随机游走过程的附加动力， 浪造成船首向及其它自由度上的附加高频振荡，流产生船位的运动学偏移。从 运动控制角度看，浆、舵、锚是船舶在海洋中赖以工作和生存的三大主动操纵 设备，它们提供船舶前进推动力、转船的回转力矩和锚泊所需的锚力。 在描述其搡控运动对，一般取两种坐标系，即地球坐标系瓦o k 和随船运动 坐标系x g y 。x 、y 为作用于船体上的外力，n 为力矩。妒为船首向角，即、v 为 船舶运动的速度分量，r 为转首角速度，即妒，6 为舵角，“、为绝对风速 和相对风速，讥、为绝对和相对风舷角，卢为飘流角。 图2 - 2 船舶运动坐标系 瞄x - m ( l i - v r 6 ( 2 1 ) 武汉理工大学硕士学位论文 ( 2 1 ) 式中；z 、l ，流体动力分别在工、y 轴上的分量； 绕。轴的流体动力回转力矩； 辨船的质量； ，船绕z 轴转动的质量惯性矩； “、 ，船舶重心的瞬时速度在x 、y 轴上的速度分量； 西、矿船舶重心的瞬时加速度在工、) ，轴上的分量； r 、，分别为回转角速度和角加速度。 2 2 1 船舶静水中的操纵模型 1 船舶静水中的操纵模型 当考虑操舵之后的船舶操纵运动时，特别是小舵角下的船舶操纵运动中， 船舶的转头运动受横移运动的影响较强，而受前进运动的影响则较小。因此， 常略去式( 2 1 ) 中的第一式不予考虑，而仅研究第二、第三式。如果假定作用于船 体的水动力和水动力矩与速度、加速度成正比，则需将船舶操纵运动仅局限于 小舵角的操纵运动。对操纵运动起重要作用的是y 轴方向的平移运动，也称横漂 运动，和绕z 轴的转动，也称回转运动1 。 在上述操纵运动限定下，式( 2 1 ) 左边的y ，可以用横移速度 ，和加速度口、 转头角速度，和角加速度，、舵角6 和操舵角速度l i 列出线性表达式： f 】，= w + 渺+ 】；，+ r ，+ k 6 + k 6 ， i ，、 i n = n j , + n , v + n j + m r + 6 + 托6 “ 其中艺、k 、艺和n 。、虬、也分别表示y ，对 ，r ，6 的偏导数。上 式即为线性操纵运动方程。方程中的各系数总称为船舶操纵性水动力系数。如 果能给出这些水动力系数，就可对船舶操纵运动进行计算。联立方程中使之无 因次化，可整理出表示舵角6 与转头角速度r 关系的一个表达式，并称该式为船 舶对操舵的响应运动方程，即静水中回转运动的二阶k t 线性方程“”。 觋，+ ( 五+ 互) j ：+ ，= k 6 + k t 3 6 ( 2 3 ) ( 2 3 ) 式近似地简化为一阶k t 线性方程为( 即野本方程) ； t ，：+ ，一k6 ( 2 。4 ) 其中：t - 正4 - r 2 一e 系数k 、互，五、五为表示船舶操纵运动特性的常数，并称为船舶操纵性 指数。k 回转性指数，正、五为追随性或稳定性指数，而五则与操舵速度相关。 ， 武汉理工大学硕士学位论文 2 k ，r 指数： 回转性指数k 值的意义：船舶稳定圆航时单位舵角的回转角速度。 k r o 6 。在给定舵角的情况下，置越大，定常回转的角速度大，回转半径 小，船舶的回转性能好。 应舵指数f 值的意义：船舶做等速直航运动，舵角为零，如果在时刻船舶受 到一个扰动，产生初始回转角速度r l ，在扰动消除后，方程的解为r n r t e 刈，表 明r 在值为正的情况下，回转角速度将衰减，船舶恢复直线运动，称为船舶具有 直线稳定性。反之，如r 值为负，回转角速度将增大，船舶具有直线稳定性。r 的绝对值决定了恢复到直线运动时间的快慢。r 是支配从操舵开始达到相应的最 大旋回角速度所需时间的要素。r 越小则应舵越快，舵效越好。 如上所述，船舶适应于操舵的性质是受应舵指数r 和回转性指数k 支配的， 而这两者的关系是：k t = 旋回力惯性。 将r d 妒d t = 矿代入得到首向角的二阶线性方程“”。 r 彩+ 驴一k 6 ( 2 5 ) 对( 2 5 ) 式进行积分，则首向角可以表示为：妒l i l t k t s t + k t t s e 。门+ c 用初 始条件t - 0 ，dt0 ，求得积分常数c - 一k c s t ，最后首向角可以表示为： 妒一k6 【t + t ( e “圩一1 ) 】 ( 2 6 ) 在实船是通过z 形操纵试验来确定量、f 指数的标准方法。在本系统是模拟 长江中小型船舶来进行仿真的。k 、r 指数通过查阅相关资料和z 形操纵试验表 获得。仿真系统参考的船舶参数如附录i 所示。 2 2 2 船舶在风、水流扰动下的操纵模型 1 风的影响 船舶所受的风动压力大小、方向和作用点与下列因素有关： 舷角、受风面积的大小和形状有关。 风动压力才用如下近似计算公式： e - 妄以c 曙( 以c o s 2 0 + b 。s i n 2 口) e 一风动压力； 见一空气密度； e 一风动压力系数； 8 风速大小，风 ( 2 7 ) 武汉理工大学硕士学位论文 屹一相对风速； 口- 风舷角； 4 一水线上船体正面投影面积； e 水线上船体侧面投影面积； 相对风速k 和风舷角e - y 用船上风速、风向仪获得。实际中的非定常风，由 于风向、风速经常发生变化，计算时应加以修正【1 4 j 。 4 ，e 可从船舶相应资料中根据实际平均吃水查得。风动压力系数c | ，风 动压力作用点至船首的距离露以及风动压力角口等值，根据船体上层建筑的形 状、布局的不同及风向的不同而有差异，般用实船风洞试验获得。 船舶的风动压力系数c 、风动压力角口以及风动压力作用点n 随风舷角c 的变化具有如下特点： ( 1 ) 风动压力系数e 在船首尾受风时为最小。在a - - 3 0 。4 0 。及1 4 0 。 1 6 0 。附近时具有极大值；在正横受风时c t 值低。由此可见，风动压力系数c t 值 是随着风舷角0 的增大，由小到大、继而由大到一般再由一般到大，最后由大到 小。 ( 2 ) 船首至风动压力作用点的距离a 随风舷角0 的增大而增大，风动压力 作用点n 自船首部逐渐移向尾部。同一艘船，空载( 或压载) 时，吃水差( 尾倾) 很 大，其风动压力作用点n 位置比满载时要向前得多，一般a l 在0 2 o 8 的范 围内成直线增大。 ( 3 ) 风动压力角口随风舷角0 的增大而增大，口在4 0 。1 4 0 。区间时，a 大约在8 0 。1 0 0 。之间，变化不明显。 在知道风动压力的大小、方向、作用点之后，风动压力转船力矩的大小， 应根据船舶在不同状态时的支点位置来确定。 当船舶处于运动状态时，以重心为支点，则风动压力转船力矩m 。为： 犯- e s i n a 如- a ) ( 2 8 ) 其中毛：重心g 至船首的距离，匕- l 2 ( 工为船长) 。 系统仿真时设定风速有四种：0 3 级风速。每间隔3 0 秒作用一次恒定大风， 作用时间为5 秒。达到并突出风作用于船舶航行时的仿真效果。 2 水流的影响 水流干扰初步分为流和浪。流干扰时通常假定流是恒定并且均匀的，它改变 船舶运动的位置和速度。浪干扰有高频一次力和低频二次力。高频一次力是与 9 武汉理工大学硕士学位论文 波浪宏观振荡运动同步的周期力，低频二次力数量级小，数值变化缓慢，产生 船位的漂移。由于二次力计算复杂，本系统未作考虑旧【“。 水流的存在而对船体产生的作用力，称为流压力。流压力的大小、流压角、 流压力作用中心均与漂角卢( 相对流速与船首尾线的夹角) 大小有关。简化水流干 扰系统如下。 流压力是作用于船首尾方向的分力墨，和横向分力匕的合力。因为流对水线 下船体作用力在正横方向分力匕大，且对操船影响明显，而在首尾方向分力j 0 较小，所以通常主要研究流压力横向分力匕，其大小可用下式估算。 匕1 p ，c 。，嘭工d ( 2 9 ) 匕一横向流压力； 几一水的密度； 巳，一流压力横向分力系数； 圪一相对流速( t k 流对船速度) 工船舶两柱间长； d 船舶吃水： 船在水上运动时，以重力g 为支点，流压力围绕重心所产生的流压力转 船力矩肘。，可用下式估算： 膨a 一号凤c 0 嘭瓦d ( 2 1 0 ) g ：重力加速度；l w ：船舶水线长；q i ：流压力转船力矩系数。 下流侧流压力转船力矩系数c 0 ，由0 。8 0 。( 声值) 区间内从小到大再从大 到小，当芦一4 0 。左右达最大值，此时船首顺流转动的流压力转船力矩也达最大 值；逆流转流压力转船力矩系数，由9 0 。1 6 0 。，从小到大再从大到小，当 声11 4 0 。左右达最大值，此时，船首逆流转动的流压力转船力矩也达最大值。 系统仿真时同时也加入浪涌因素。以流压力的正弦曲线来模拟浪涌效果。 浪涌压力横向分力l ： 匕- 考凡气嘭甜豳( 埘) ( 2 。1 1 ) 浪涌压力转船力矩m 。： 肘；- 吾n 。g 。托。s i i 埘) ( 2 1 2 ) 3 风、水流共同作用下的船舶操纵模型 本仿真设计的目的并不在于研究船舶的操纵性能，丽只是将其功效描述出 1 0 武汉理工大学硕士学位论文 来，属于原理性仿真，故只需将风和水流的影响以添加系数的形式加入原有的 静水操纵方程中，使仿真后表现出的结果符合风和水流作用下的客观规律旧。 因此，本系统将风和水流的影响转换为产生同样大小力矩的舵角的变化， 这个附加舵角用a 6 表示，从而通过一阶k t 方程求出船舶首向角的交化。这样 处理是基于力矩的代数叠加性。 肘，一e 必 ( 2 1 3 ) ，：+ 正) 妒+ 0 妒- ( z 1 4 ) 一船回转时的阻尼系数，即单位角速度的回转阻尼力矩； m ，一舵力转船力矩； 6 一舵角； e 一舵力转船力矩系数，即单位舵角的转船力矩。 将式等号两边同除以虬得到： t i q | 醵) j n 。 k 。c ：n , 则得到船舶操纵系统模型一阶近似式： r + 妒= k 6 ( 2 1 5 ) 如此将风和水流分别产生的转船力矩叠加，等效为舵转角度后产生的同样 大小、方向的转船力矩，最终如同舵对船所产生的转首效果是一样的。即系统 输出首向角妒可表示为； 妒。k ( 6 + 6 ) 【f + r ( e 。“一1 ) 】 ( 2 1 6 ) 根据瞬时船舶首向角后，便可按式得出船舶在舵、风和永流综合作用下的 运行轨迹。 2 3 船舶舵机系统的数学模型 舵是船舶最重要的操纵装置i “。舵主要是由舵叶和舵杆等部件组成，舵可以 看作为一种小展弦的机翼，舵力由舵叶产生。液压舵机是利用液体具有较大的 弹性模量而认为不可压缩的性能及通过对油压、流量和流向的控制来达到操舵 的目的。舵机系统组成框图为： 1 1 武汉理工大学硕士学位论文 舵角输入 舵角输出 图2 - 3 舵机系统组成框图 本系统重点研究的是舵机的舵力和转矩，以及相对应的数学模型。至于液 压部分进行了简化处理。 2 3 1 舵机水动力特性 l 图2 - 4 舵的受力分析 舵是一种具有对称剖面形状的机翼。当它在船中线面内时，没有舵力产生。 当舵转动一个舵角6 后，根据机翼产生升力和阻力d ，升力和阻力的合力为 流体动力f 。现分解流体动力为一个垂直于舵叶剖面中心线的法向分力目，称 为舵力；另一个平行于中心线的切向分力足。不考虑水粘性，仿真时忽略其切 向分力，则舵力日表达式为f 1 9 j ： p ； c p ，；彳矗 ( 2 1 7 ) 式中：c 。舵力系数，由舵角和舵叶形状决定； 武汉理工大学硕士学位论文 p 一水的密度； 4 舵叶面积； ，舵速； 舵力系数表达式：c = g s 6 + c o s 缸6 ( 2 1 8 ) 对于升力和阻力系数可以通过试验得到。在此采用藤井和井田的舵力系数估 算式： c - 聋；j 羞 s i n6 ( 2 1 9 ) 展弦比：q 5 a 3 0 水动力力矩为：肘0 - e n ( b e ) 一日( c _ 一目占 ( 2 2 0 ) 拓水动压力作用点距导边的距离； e 舵杆轴中心线距导边的距离； x 舵的平衡系数，k - e b ； b - 舵宽； g 水动力系数。 考虑到舵轴承处的摩擦扭矩可近似为嵋- 0 2 5 m ，所以转舵总扭矩为： f t j 坯- + m ；- 1 2 5 昂( 0 一目占 ( 2 2 1 ) 船舶运行时操舵产生的舵压力目的支点是船舶重心g ，其转船力矩为肼，； 蜱= 最 ( 2 2 2 ) z 号毒o d s 6( z 2 3 ) f ：重心g 至舵压力作用线的垂直距离，近似可取重心位于船中； 2 3 2 舵机建模 对于舵机系统可以简单地处理成一阶积分环节和一阶惯性环节的叠加聊，其 传递函数可以表示为： r g ( j ) 而亍酉 眩2 4 ) 上式中k 为静态放大倍数，r 为延迟时间 由式给出的舵机数学模型选取仿真舵机参数x 和f 后，选择采样周期( o 0 5 s ) 。运用离散化设计求得舵机舵角的差分方程为： 武汉理工大学硕士学位论文 f x ( k + 1 ) i i gx ) + k x 0 0 5 x u ( 七) 1 y + 1 ) 。矿x y ) + ( 1 一e 毕) x 他+ 1 ) 坦。 式中c ，o ) 给定舵角，x ( k ) 为积分环节输出，y o + 1 ) 为实际舵角输出。 本系统仿真效果如下： d 磊 厂 0 _ 2 图2 - 5 舵机仿真效果 6 。6 。( 1 一e 一 ) z 2 6 z 取0 3 6 2s ，6 在o 3 s 以内稳定在磊。实际误差在o o 1 度以内。并且 取得的舵机模型调节性能够达到实际运行要求。 2 3 3 自动舵 船舶在大洋航行时受各种环境的干扰和影响，如脉冲风、高频浪力、海涌、 过船等瞬时的干扰，以及季风、低频二次浪力、洋流等长时干扰；船舶运动特性 与船型、装载、船速、吃水等有密切关系。而船舶自动操舵仪通常称为“自动 舵”，它就是用来保持船舶在给定航向或航迹上航行的操纵装置，是船舶操纵 的关键设备，它的特性直接关系到船舶航行安全和经济效益。性能优良的自动 舵不但可以减轻船员的劳动强度、高精度地保持航向、航迹，而且可以提高船 速、节约燃料。 自动舵1 2 l 】随着自动控制的发展大致经历了四个发展阶段：2 0 世纪2 0 年代美 国的s p e r r y 和德国的a n s c h u z 在陀螺罗经研制工作取得实质性进展后分别研制 1 4 武汉理工大学硕士学位论文 出机械式自动舵，这为第一代自动舵；2 0 世纪5 0 年代，随着电子学和伺服机构 理论的发展与应用，出现了集控制技术和电子器件发展成果一体的第二代自动 舵，这就是著名的p i d 自动舵；到了6 0 年代末，人们将自适应理论引入船舶操 纵，瑞典等国家纷纷将自适应自动舵从实验室装到实船上，形成了第三代自动 舵一自适应舵；从8 0 年代起，人们开始寻找类似于人工操舵的方法，像熟练的 舵手运用操舵经验和智能那样有效地控制船舶，于是出现了第四代的智能舵。 本系统采用增量式p i d 调节的自动舵，其系统方框图如下； 干扰 图2 - 6 自动舵系统框图 连续理想p i d 表示式为： ( f ) - k ，p ( f ) + k ，f e d , + k d ! 警 ( 2 2 7 ) 简单来说，p i d 控制器各校正环节的作用如下： 1 比例环节 实时成比例地反映控制系统的偏差信号，偏差一旦产生，控制器立即产生 控制作用，以减少偏差。 2 积分环节 主要用于消除静差，提高系统的无差度。积分作用的强弱取决于积分时问 常数r ，r 越大，积分作用越弱，反之则越强。 3 微分环节 能反映偏差信号的变化趋势( 变化速度) ，在系统中引入一个有效的早期修正 信号，从而加快系统的动作速度，减小调节时间。 武汉理工大学硕士学位论文 由于计算机控制是采样控制，它只能根据采样时刻的偏差值计算控制量，需 要进行离散化处理。增量式p i d 表示式为嘲： “( 七) - k p e ( k ) - e 一1 ) 4 - 毒e ) + 争p ) 一2 e ( k 一1 ) + p 一2 ) ( 2 2 8 ) 式中：k 采样序号，k = 0 ，1 ，2 ； 跖( 动笫k 次采样时刻的计算机输出值； r 似) 第k 次采样时刻输入的偏差值； 鼯q 卜第k 1 次采样时刻输入值； 舡争第k 一2 次采样时刻输入值； j - ( p 一比例