船舶動(dòng)力定位仿真系統(tǒng)設(shè)計(jì)

吳 楠，陳紅衛(wèi)

(江蘇科技大學(xué)電子信息工程學(xué)院，江蘇鎮(zhèn)江 212003）

船舶動(dòng)力定位仿真系統(tǒng)設(shè)計(jì)

吳 楠，陳紅衛(wèi)

(江蘇科技大學(xué)電子信息工程學(xué)院，江蘇鎮(zhèn)江 212003）

為滿足船舶動(dòng)力定位系統(tǒng)研發(fā)、維護(hù)、操作培訓(xùn)等需要，在了解國(guó)內(nèi)外動(dòng)力定位仿真系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)動(dòng)力定位仿真系統(tǒng)。研究動(dòng)力定位系統(tǒng)的功能、組成、人機(jī)界面、仿真流程等問(wèn)題。從模塊模型函數(shù)標(biāo)準(zhǔn)、模型組件生成等方面設(shè)計(jì)仿真系統(tǒng)接口，并采用VB與Matlab混合編程實(shí)現(xiàn)接口功能，增強(qiáng)仿真系統(tǒng)的可擴(kuò)展性和重用性。系統(tǒng)在預(yù)警處理、故障診斷方面等有待完善。

動(dòng)力定位;仿真系統(tǒng);接口編程;人機(jī)界面

0 引言

隨著海洋開發(fā)逐漸由淺水向深水發(fā)展，船舶動(dòng)力定位系統(tǒng)的應(yīng)用將會(huì)不斷增多，研究動(dòng)力定位系統(tǒng)具有現(xiàn)實(shí)意義。在船舶動(dòng)力定位系統(tǒng)研發(fā)中，若完成依靠實(shí)船試驗(yàn)，則不僅會(huì)耗費(fèi)大量人力物力財(cái)力，而且由于深海區(qū)域作業(yè)環(huán)境較大的不確定性和高危險(xiǎn)性會(huì)給試驗(yàn)帶來(lái)較大難度，因此，研究動(dòng)力定位系統(tǒng)需要一個(gè)好的仿真調(diào)試平臺(tái)。希望此仿真平臺(tái)能夠模擬作業(yè)環(huán)境和動(dòng)力定位系統(tǒng)中各模塊的功能，這樣不僅可以節(jié)省試驗(yàn)成本，而且更能研制出高可靠性和高性能的動(dòng)力定位系統(tǒng)。此外，動(dòng)力定位仿真系統(tǒng)在操作人員培訓(xùn)、設(shè)備維護(hù)等方面也具有很好的作用?，F(xiàn)有的國(guó)外動(dòng)力定位仿真系統(tǒng)，如NAVISNavDP4000 Trainer有很好的操作示例，但技術(shù)封鎖決定了其封閉性，自行設(shè)計(jì)的動(dòng)力定位控制器、推力分配算法等無(wú)法利用它進(jìn)行試驗(yàn)。在此基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)動(dòng)力定位仿真系統(tǒng)，以彌補(bǔ)國(guó)外系統(tǒng)可擴(kuò)展性和重用性的缺點(diǎn)。

1 動(dòng)力定位系統(tǒng)

1.1 動(dòng)力定位描述

動(dòng)力定位系統(tǒng)是一種閉環(huán)控制系統(tǒng)，包括動(dòng)力系統(tǒng)、推進(jìn)系統(tǒng)和動(dòng)力定位控制系統(tǒng)。它通過(guò)檢測(cè)船舶的實(shí)際位置與目標(biāo)位置的偏差，再結(jié)合當(dāng)時(shí)風(fēng)、浪、流等外界干擾力對(duì)船舶的影響，控制器計(jì)算出使船舶恢復(fù)到目標(biāo)位置所需推力，由推力分配完成船舶上各推力器的推力，各推力器產(chǎn)生相應(yīng)的推力使船舶盡可能地保持固定位置或預(yù)設(shè)航跡上。動(dòng)力定位系統(tǒng)的突出優(yōu)點(diǎn)有:適用水深廣;定位成本不隨著水深的增加而增加;定位精度高;機(jī)動(dòng)性能好。它采用定點(diǎn) (DP）控制和航行 (DT）控制2種控制狀態(tài)。DP模式是船舶依靠自身推進(jìn)器產(chǎn)生的力和力矩來(lái)抵消外界擾動(dòng)力以達(dá)到定點(diǎn)定位的目的，這是本文的主要研究模式。DT模式是指軌跡跟蹤模式，即船舶根據(jù)設(shè)定好的路線航行。

1.2 動(dòng)力定位系統(tǒng)組成

動(dòng)力定位系統(tǒng)［1］組成如圖1所示，其中控制器和推力分配算法直接影響定位系統(tǒng)的性能。

圖1 動(dòng)力定位系統(tǒng)組成Fig.1 Composition of dynamic positioning system

2 仿真系統(tǒng)

2.1 仿真系統(tǒng)組成

根據(jù)動(dòng)力定位系統(tǒng)的組成，抽象出仿真系統(tǒng)的組成如圖2所示，圖中采用數(shù)學(xué)模型代替實(shí)際系統(tǒng)中的功能模塊。

圖2 動(dòng)力定位仿真系統(tǒng)組成Fig.2 Composition of dynamic positioning simulatiion system

2.2 仿真系統(tǒng)功能

設(shè)計(jì)完成的仿真系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)以下功能:

1）一般仿真功能。這是仿真系統(tǒng)的基本功能，這項(xiàng)功能可以滿足動(dòng)力定位系統(tǒng)操作培訓(xùn)需求。主要功能包括參數(shù)設(shè)置、切換操作模式、下達(dá)控制命令、仿真船舶動(dòng)力定位過(guò)程、顯示船舶實(shí)時(shí)姿態(tài)、顯示歷史曲線、處理報(bào)警信息以及生成報(bào)表等。

2）控制器、動(dòng)力分配算法試驗(yàn)功能。這是仿真系統(tǒng)的高級(jí)功能，這項(xiàng)功能可以滿足動(dòng)力定位系統(tǒng)控制器、動(dòng)力分配算法研發(fā)需求。設(shè)計(jì)的基本思想是:①仿真系統(tǒng)中的各部分模型做到可以應(yīng)用進(jìn)口設(shè)備已有的模型，或是實(shí)際應(yīng)用中已經(jīng)驗(yàn)證的模型;②仿真系統(tǒng)設(shè)計(jì)中預(yù)留必要的接口，做到可以替換其中任何模塊;③仿真系統(tǒng)可以進(jìn)行模塊組合，如試驗(yàn)時(shí)可以選用除試驗(yàn)部分外其余均用確定模型的組合;④可以反復(fù)調(diào)試，取得最佳效果，達(dá)到研制目的。

3）環(huán)境、推進(jìn)器以及對(duì)象模型試驗(yàn)功能。這是仿真系統(tǒng)的高級(jí)功能，這項(xiàng)功能可以滿足動(dòng)力定位系統(tǒng)模型驗(yàn)證需求。設(shè)計(jì)思想同2）。

4）故障模擬定位功能。這是仿真系統(tǒng)的高級(jí)功能，這項(xiàng)功能可以滿足現(xiàn)有進(jìn)口動(dòng)力定位系統(tǒng)的故障維修訓(xùn)練需求。

2.3 仿真系統(tǒng)人機(jī)界面設(shè)計(jì)

人機(jī)界面 (又稱用戶界面或使用者界面）是系統(tǒng)和用戶之間進(jìn)行交互和信息交換的媒介，實(shí)現(xiàn)了信息的內(nèi)部形式與人類可以接受形式之間的轉(zhuǎn)換。因此，人機(jī)界面是仿真系統(tǒng)中非常重要的方面，設(shè)計(jì)時(shí)既要保證界面美觀大方又要符合操作人員的操作習(xí)慣。通過(guò)人機(jī)界面操作人員能夠?qū)?dòng)力定位仿真系統(tǒng)進(jìn)行各種操作，也能直觀得到動(dòng)力定位的效果。圖3是動(dòng)力定位仿真系統(tǒng)中環(huán)境設(shè)置的界面。

圖3 人機(jī)界面示例Fig.3 Example ofman-machine interface

3 仿真系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型

3.1 船舶運(yùn)動(dòng)數(shù)學(xué)模型

水面船舶動(dòng)力定位只涉及到3個(gè)自由度的運(yùn)動(dòng)，即縱蕩運(yùn)動(dòng)、橫蕩運(yùn)動(dòng)和首搖運(yùn)動(dòng)。船舶的運(yùn)動(dòng)方程以MMG模型為基礎(chǔ)［2］，建立縱蕩、橫蕩和首搖的運(yùn)動(dòng)方程如下式。

式中:m為船舶質(zhì)量;mx和my分別為X和Y方向上的附加質(zhì)量;Jz為繞Z軸方向的附加轉(zhuǎn)動(dòng)慣量;下標(biāo)為wi，wa，c，t，r的F/N分別表示風(fēng)力、浪力、海流力、推力和舵力及力矩;u為縱蕩速度;v為橫蕩速度;r為首搖角速度。附加質(zhì)量和附加轉(zhuǎn)動(dòng)慣量可根據(jù)元良誠(chéng)三圖譜進(jìn)行多元回歸分析得到［3］。

3.2 環(huán)境數(shù)學(xué)模型

船舶環(huán)境主要考慮風(fēng)、浪、流的影響［4］，風(fēng)力對(duì)船舶的作用力如下式:

式中:ρa(bǔ)為空氣密度;AX為平臺(tái)水線上的正投影面積;AY為水線上的側(cè)投影面積;Loa為平臺(tái)的總長(zhǎng);VR為平臺(tái)受到的相對(duì)風(fēng)速;Cwx(αR），Cwy(αR）和Cwn(αR）分別為x，y方向的風(fēng)阻力系數(shù)及繞z軸的風(fēng)阻力矩系數(shù)，可以通過(guò)Isherwood［5］公式求得。

海浪的作用力采用Daidola［6］提出的波浪漂移力和力矩的計(jì)算公式，如下:

式中:ρ為海水密度，a為平均波浪幅值;χ為波浪遭遇角;λ為波浪波長(zhǎng);CWaX(λ），CWaY(λ）和CNWa(λ）分別為x和y方向上的波浪漂移力系數(shù)以及繞z方向上的波浪漂移力矩系數(shù)。

海流的作用力可由以下經(jīng)驗(yàn)公式［7］得到:

式中:ρ為海水密度;Asw為水線以下船舶側(cè)投影面積;Afw為水線以下船舶正投影面積;Vc為海流的速度;β為海流入射角;Ccx(β），Ccy(β）和Ccn(β）分別為海流力及海流力矩系數(shù)，可以通過(guò)下式得到:

式中CL，CD和CN分別為船體的升力系數(shù)、阻力系數(shù)和轉(zhuǎn)矩系數(shù)。

3.3 舵槳數(shù)學(xué)模型

舵槳是推進(jìn)器的一種類型。螺旋槳的推力和轉(zhuǎn)矩的數(shù)學(xué)模型［3］可表示為

式中:tP為推力減額系數(shù);ρ為海水密度;n為螺旋槳轉(zhuǎn)速;DP為螺旋槳直徑;KT(JP）為推力系數(shù);Jp為進(jìn)速系數(shù);KQ為轉(zhuǎn)矩系數(shù)。

進(jìn)速系數(shù)可表示為

式中:u為船舶的縱向速度;wP為螺旋槳的伴流系數(shù);KT和KQ可由螺旋槳的敞水試驗(yàn)獲得。

式中:tR為舵阻力減額系數(shù);xR為舵中心到船舶重心的縱向距離;aH為操舵導(dǎo)致船體橫向力的修正因子;δ為舵角。

式中:λ為展弦比，僅適用λ=0.5～3.0;Ad為舵葉面積;UR為舵處來(lái)流有效流速;aR為舵處來(lái)流有效沖角。

3.4 推力分配策略

推力分配策略的好壞直接影響到推進(jìn)器對(duì)控制器指令的反應(yīng)，進(jìn)而對(duì)動(dòng)力定位效果產(chǎn)生直接影響。本系統(tǒng)采用經(jīng)過(guò)優(yōu)化的序列二次規(guī)劃法［8］進(jìn)行推力分配，具體策略如下:

式中:W為總消耗能量;P為權(quán)值，用來(lái)調(diào)節(jié)優(yōu)化目標(biāo);s'Qs為懲罰指令推力和產(chǎn)生的廣義推力的誤差;Tmin和Tmax分別為推力的上下限;ΔTmin和ΔTmax分別為推力變化幅值;(α－α0）Ω(α－α0）表示角位變化范圍;權(quán)值矩陣Ω＞0用來(lái)調(diào)節(jié)優(yōu)化目標(biāo);式中第4項(xiàng)主要用來(lái)避免奇異結(jié)構(gòu)，ε＞0避免數(shù)值問(wèn)題，δ≥0為權(quán)值參數(shù)，實(shí)際應(yīng)用中可根據(jù)不同環(huán)境情況調(diào)節(jié)δ參數(shù)。

4 動(dòng)力定位仿真原理

4.1 仿真流程

通過(guò)計(jì)算機(jī)模擬出船舶傳感器檢測(cè)到的各種數(shù)據(jù)，然后計(jì)算船舶當(dāng)前位置與目標(biāo)船位的偏差以及環(huán)境變量 (風(fēng)、浪、流）對(duì)船舶位置及首向的影響，通過(guò)控制算法計(jì)算出使船舶恢復(fù)到目標(biāo)位置所需的推力，并通過(guò)推力分配邏輯對(duì)各推力器的推力進(jìn)行分配，確定各推力器的推進(jìn)方向、螺距及轉(zhuǎn)速，進(jìn)而推力器產(chǎn)生推力使船舶保持目標(biāo)航向和船位。所有數(shù)據(jù)均由計(jì)算機(jī)模擬，通過(guò)界面編程實(shí)現(xiàn)船舶動(dòng)力定位過(guò)程的動(dòng)態(tài)展現(xiàn)，仿真流程如圖4所示。

圖4 仿真流程Fig.4 Simulation process

4.2 仿真系統(tǒng)接口設(shè)計(jì)

仿真系統(tǒng)接口設(shè)計(jì)是實(shí)現(xiàn)仿真系統(tǒng)高級(jí)功能的前提，同時(shí)提高了仿真系統(tǒng)的可擴(kuò)展性。本文采用VB與 Matlab混合編程［9］方式實(shí)現(xiàn)仿真系統(tǒng)接口功能。

1）模塊模型函數(shù)標(biāo)準(zhǔn)的建立。這是動(dòng)力定位仿真系統(tǒng)能夠發(fā)揮多功能的基礎(chǔ)。標(biāo)準(zhǔn)的建立包括函數(shù)名稱，輸入/輸出參數(shù)名、格式、單位、類型等。

2）模型代碼的編寫。利用VB或Matlab編寫各種模型代碼。

3）模型組件的生成。利用ActiveX DLL技術(shù)對(duì)模型代碼進(jìn)行封裝，并通過(guò)comtool工具生成COM組件。

4）仿真系統(tǒng)模塊的組合。根據(jù)仿真需求的不同，選擇不同的COM組件，以DLL形式引入嵌入VB中。

4.3 仿真實(shí)驗(yàn)

本系統(tǒng)以天津港某大型挖泥船為船模，結(jié)合動(dòng)力定位系統(tǒng)各功能模塊，對(duì)其動(dòng)力定位效果做了仿真實(shí)驗(yàn)，假定無(wú)外界環(huán)境干擾情況下，實(shí)驗(yàn)定位點(diǎn)為船舶縱蕩方向40 m，橫蕩方向50 m的位置，首向設(shè)定為10°，經(jīng)過(guò)一定時(shí)間的調(diào)整，定位效果如圖5所示。

圖5 動(dòng)力定位仿真實(shí)驗(yàn)Fig.5 Dynamic positioning simulation experiment

5 結(jié)語(yǔ)

圍繞船舶動(dòng)力定位仿真系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，研究了系統(tǒng)的功能、組成、人機(jī)界面、數(shù)學(xué)模型、仿真流程等問(wèn)題。為增強(qiáng)仿真系統(tǒng)的可擴(kuò)展性和重用性，從模塊模型函數(shù)標(biāo)準(zhǔn)的建立、模型代碼的編寫、模型組件的生成以及仿真系統(tǒng)模塊的組合等方面設(shè)計(jì)仿真系統(tǒng)接口，并用VB與Matlab混合編程實(shí)現(xiàn)接口功能。將該系統(tǒng)進(jìn)一步完善以后可以對(duì)船舶動(dòng)力定位實(shí)船實(shí)驗(yàn)有一定的指導(dǎo)意義。

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Simulation design on dynam ic positioning system of vessels

WU Nan，CHEN Hong-wei
(Jiangsu University of Science and Technology，Zhenjiang 212003，China）

In order tomeet the demands of the R＆D(research and development），maintenance and operating training in the field of vessel DPS，design such simulation system on the basis of a certain understanding of the DPS home and aboard.Study the function，organization，man-machine interface and simulation procedure of the DPS，and design the simulation system interface from the following aspects，such as the function standard of themodule，andmodel componentbuilding，etc.Apply VB and Matlab to program the interface function，it improves the capacity of expansion and repeated application.The system also needs improving in early-warning processing and breakdown diagnoses.

dynamic positioning;simulation system;interface programming;man-machine interface

U661.3

A

1672－7649(2013）05－0103－04

10.3404/j.issn.1672－7649.2013.05.024

2012－09－29;

2012－11－07

吳楠(1987－），男，碩士研究生，研究方向?yàn)榇白詣?dòng)化。