基于MATLAB GUI的船舶操縱性指數(shù)計算

解國強

摘 要：為了滿足在控制器設(shè)計時需要獲取船舶操縱性指數(shù)這一問題，本文在梳理理論計算公式之后，在MATLAB的GUI中編程實現(xiàn)了兩個船舶操縱性指數(shù)與三個時間常數(shù)的計算平臺，并通過實例驗證了平臺計算結(jié)果的正確性。本文所做的研究對控制器設(shè)計者和船舶駕駛員了解船舶操縱性能均具有很大的參考價值。

關(guān)鍵詞：船舶操縱性指數(shù);MATLAB;GUI;運動控制

中圖分類號：U445? ? ? ? ? 文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? 文章編號：1006—7973（2022）01-0098-03

1引言

船舶Nomoto模型是在設(shè)計船舶航向保持等控制器時廣泛使用的一種線性數(shù)學模型[1]。目前，可用于獲取船舶Nomoto模型K、T指數(shù)的方法主要有三種[2]。這三種方法雖然最終都可以獲得K、T指數(shù)的可靠數(shù)值，但在某些情況下，用二階Nomoto模型來進行船舶航向保持等控制器設(shè)計仍稍顯不足，如考慮執(zhí)行器動態(tài)時則仍需采用三階Nomoto模型，從而需要獲得與T指數(shù)相對應(yīng)的T1、T2和T3這三個時間常數(shù)的具體數(shù)值。本文采用公式計算的方法，借助MATLAB強大的數(shù)據(jù)計算與處理能力對涉及T1、T2和T3這三個參數(shù)的算式進行解算，并借助GUI的良好圖形界面功能將最終結(jié)果展示出來，構(gòu)建了一個圖形用戶界面的K、T指數(shù)計算平臺，便于滿足不同控制器設(shè)計情況對參數(shù)的需求，也方便以后進行其他功能的拓展。

諸多研究者借助MATLAB和GUI的強大功能對船舶方面的諸多問題進行了計算或可視化展示。文獻[3]通過深入地研究了不規(guī)則的海浪干擾建模，以及海浪干擾對于船舶運動的作用和影響，構(gòu)建了長峰和短峰不規(guī)則波的三維波面模型，并借助MATLAB自身的繪制函數(shù)給出了長峰與短峰不規(guī)則波的三維海面圖。文獻[4]主要是采用VB與MATLAB進行混合編程，設(shè)計出一款集數(shù)據(jù)提取、數(shù)據(jù)處理、建模、仿真及比較等多種功能于一體的現(xiàn)代化實船工業(yè)數(shù)據(jù)處理、建模和仿真系統(tǒng)。文獻[5]采用VB.NET與MATLAB進行混合編程，設(shè)計出了可以用于計算與分析冰區(qū)航行船舶推進軸系時域瞬態(tài)振動的工程應(yīng)用軟件。文獻[6]采用灰色預測理論對船載的相繼增壓柴油機性能進行預測，并采用MATLAB的GUI設(shè)計了一款灰色預測仿真平臺。文獻[7]采用MATLAB的GUI開發(fā)出了一套可實現(xiàn)計算表征船舶固有CO2排放水平評價指標功能的船舶能效設(shè)計指數(shù)EEDI的輔助計算系統(tǒng)。文獻[8]借助MATLAB的GUI設(shè)計了一款用于深海鋪管船托管架系統(tǒng)調(diào)整的軟件。文獻[9]在VB環(huán)境下，借助MATLAB強大的圖形繪制功能，建立了一套船舶搖蕩的可視化仿真平臺。

2 Nomoto模型K、T指數(shù)計算方法

若想計算Nomoto模型的K、T指數(shù)，則需要獲得船舶的8個基本參數(shù)的具體數(shù)值，即兩柱間長L、船寬B、吃水D、方形系數(shù)Cb、重心距船中距離xc、船速V、舵葉面積Aδ、排水體積▽。

首先，根據(jù)Clarke給出的回歸公式[10]計算出10個線性流體動力導數(shù)，如式（1）所示。

而式（1）中的是船舶本身的流體動力導數(shù)，在實際應(yīng)用時還應(yīng)考慮舵對船體流體動力導數(shù)的干擾，對這些流體動力導數(shù)做出一定的修正，其修正增量按式（2）確定[10]。

在對各流體動力導數(shù)進行修正后，可按式（3）計算得到6個相關(guān)的中間參量。

其中除先前所述的流體動力導數(shù)外，帶撇的量為的無量綱數(shù)值，具體的無量綱方法按式（4）計算，其中ρ為海水密度。

最終按式（5）和式（6）計算可得二階Nomoto模型的K、T指數(shù)。

其中，通常，的數(shù)值一般與相近[1]。對于操縱性良好的船舶，通常具有大的正值K和小的正值T。此外，，，，滿足式（7）所對應(yīng)的關(guān)系。

根據(jù)式（7），并在計算時考慮三個時間常數(shù)間的大小關(guān)系，最終可以獲得時間常數(shù)，，的具體數(shù)值。

3基于MATLAB GUI的軟件實現(xiàn)方法

圖形用戶界面（Graphical User Interfaces， GUI）給人的視覺感官與VB的設(shè)計環(huán)境很相似，且控件的外形及屬性設(shè)置也與VB的相似，但在控件功能的程序?qū)崿F(xiàn)上，MATLAB卻顯得更為簡潔。程序由一個主函數(shù)、各子函數(shù)和功能函數(shù)構(gòu)成。其中，主函數(shù)為固定格式的函數(shù)，無需修改。各子函數(shù)和功能函數(shù)需按照預先設(shè)計的作用進行代碼的編輯。運行程序后可得到如圖1所示的初始界面。

4實例驗證

文獻[12]中給出了大連海事大學教學實習船的基本參數(shù)與二階Nomoto模型的K、T指數(shù)，見表1。將育鯤輪的基本參數(shù)輸入到相應(yīng)的文本框中后，按下確定按鈕，最終可得到育鯤輪的各模型指數(shù)為K=0.31496，T=64.5289，T1=69.9575，T2=4.5081，T3=9.9367，計算界面如圖2所示。若將程序結(jié)果四舍五入保留到小數(shù)點后兩位，所得的最終結(jié)果與文獻[12]中所給出的數(shù)據(jù)一致，且三個時間常數(shù)也滿足文獻[1]中所指出的數(shù)量關(guān)系，說明本文所設(shè)計的船舶操縱性指數(shù)的計算平臺能夠準確計算相應(yīng)參數(shù)。

5結(jié)論

本文在MATLAB的GUI中編程實現(xiàn)了兩個船舶操縱性指數(shù)與三個時間常數(shù)的計算平臺，并通過實例驗證了平臺計算結(jié)果的正確性。通過平臺所計算得到的數(shù)據(jù)，對于船舶運動控制器的設(shè)計具有很大的理論價值，與此同時，該系統(tǒng)還可在封裝形成可執(zhí)行文件后，供控制器設(shè)計者使用。也為船舶駕駛員了解船舶操縱性能提供了一種有效的數(shù)據(jù)獲取途徑。此外，本文所設(shè)計的系統(tǒng)還為未來拓展其他功能打下了基礎(chǔ)。

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