（交通信息工程及控制专业论文）基于VB仿真的船舶转向鲁棒控制.pdf

中文摘要 摘要 船舶转向控制是船舶运动控制研究的重要课题，也是自动舵的一个重要环节。 众多科研人员对其进行了深入研究，取得了很多成果，其中以鲁棒控制理论为基 础的闭环增益成形算法能较好的对船舶转向进行控制，并且通过m a t l a b 仿真取 得了较好的控制效果。由于m a t l a b 难以直接应用于工程实践，因此本文运用 v b 仿真了闭环增益成形算法对船舶转向的有效控制，为此算法运用到船舶工程实 践中奠定了基础。 本文采用的船舶运动数学模型为六自由度的n o r r b i n 非线性模型，通过仿真实 验求出了船舶k ，丁指数。在控制器设计方面，运用h 。鲁棒控制理论和闭环增益 成形算法整定了p i d 参数，使得整个控制器具有鲁棒性。在实际编程仿真中，对 控制器的离散采用的是差分反演法。另外考虑到大风浪对船舶运动的影响，通过 计算保向舵角。从而对船舶转向进行了预补控制。在程序设计方面，为了提高仿 真实验的效率，添加了船舶旋回圈计算等新功能。 通过仿真模拟，实验效果较好。在航向保持控制中，由于采用了闭环增益成 形算法，船舶能在几乎没有超调的情况下较快的到达设定航向；在引入了风浪预 补舵角之后，能够在7 级风下保持良好的控制效果；在船舶转向过程中，通过平 滑处理实现了船舶的合理转向。 本文以v b 仿真实现了对船舶运动控制的模拟，所设计的控制器具有鲁棒性， 转向效果良好。通过对v b 程序的改进，使模拟环境的操作性更强，用户使用更方 便，整个程序更易于阅读与修改。 关键词：v b ；船舶转向控制；闭环增益成形；鲁棒控制 英文摘要 r o b u s tc o n t r o lo fc o u r s e c h a n g i n gf o rs h i p sb a s e do nv b s i m u l a t i o n a b s tr a o t t h er e s e a r c ho f0 0 u r s e c h a n g i n gf o rs h i p si si m p o r t a n ti nt h es h i pm o t i o nc o n t r o l ； m a n ye x p e r t sd oal o to fe f f e c t i v ew o r k i na l lo ft h ec o n t r o lm e t h o d s ，c l o s e d - l o o pg a i n s h a p i n ga l g o r i t h mb a s e do nr o b u s tt h e o r yc a l lc o n t r o ls h i p sf o rt h ec o u p e c h a n g i n g p r e f e r a b l y t h i sm e t h o di ss i m u l a t e ds u c c e s s f u l l yb ym a t i _ a b b e c a u s em a t l a b c a n t b ea p p l i e di n t oa c t u a le n g i n e e r i n gd i r e c t l y ，t h ec o u r s e - c h a n g i n gf o rs h i p si sc a r r i e do u tb y v bi nt h i sp a p e r t h i sp a p e rm a k e saf o u n d a t i o nf o ra na c t u a le n g i n e e r i n ga p p l i c a t i o no f c l o s e d - l o o pg a i ns h a p i n ga l g o r i t h m t h i sp a p e ru s e st h en o n l i n e a r r n o r r b i ns i x - d e g r e eo ff r e e d o mm o t i o ne q u a t i o n sf o r s h i p s c a l c u l a t i n gt h e 咒tm a n e u v e r a b i l i t yi n d e xb ye x p e r i m e n to fs i m u l a t i o n i n d e s i g no ft h ec o n t r o l l e r , t h ep i dp a r a m e t e r sa r ec a l c u l a t e du s i n gh * r o b u s tt h e o r ya n d c l o s e d l o o pg a i ns h a p i n ga l g o r i t h mt om a k et h ec o n t r o l l e rr o b u s t t h ee f f e c to fw i n da n d w a v ei sc o n s i d e r e dt oi m p r o v et h es i m u l a t i o n ，t h i sp a p e rc a l c u l a t e st h er u d d e ro f k e e p i n gc o u p e a n dd e c r e a s e st h en e g a t i v ee f f e c to fw i n da n dw a v eb yp r e c o m p e n s a t i o n i nt h ep a r to fp r o g r a m m i n g , i no r d e rt oi m p r o v et h ee f f i c i e n c yo fe x p e r i m e n t ，s o m en e w f u n c t i o n ss u c ha sc a l c u l a t i n gt h er a d i u so ft u r n i n gc i r c l ea r ea d d e d t h r o u g hs i m u l a t i o n , t h er e s u l t sa r es a t i s f a c t o r y i nt h ep a r to fs h i pc o u r s ec o n t r o l ， b e c a u s eo fa d o p t i n gc l o s e d - l c o pg a i ns h a p i n ga l g o r i t h m ，t h es h i pc a na r r i v et h es e t t i n g c o u p eq u i c k l yw i t h o u to v e r s h o o t ；a f t e ra d d i n gt h ep r e c o m p e n s a t i o n ，t h es h i pc a nb e c o n t r o l l e dw i t ht h ew i n do fb e a u f o r tn o 7 ；i nt h ep r o c e s so fc h a n g i n gc o u m e ，m a k i n g t h em o t i o no fs h i pr e a s o n a b l eb ys m o o t h i n gt h es e t t i n gc o u m e t h i sp a p e rs i m u l a t e st h es h i pm o t i o nb yv b t h ec o n t r o l l e ri sr o b u s ta n dt h e m o t i o no fc h a n g i n g - c o u r s ei ss a t i s f a c t o r y b ym o d i f i c a t i o no ft h ep r o g r a m ，t h ew h o l e p r o g r a mi se a s yt or e a da n dt oa m e n d ；t h ec i r c u m s t a n c ei sm o r eo p e r a b l ea n d m o r e c o n v e n i e n tt ot h eu s e r k e yw o r d s ：v b ；c o u r s e - c h a n g i n gc o n t r o lf o rs h i p s ；c l o s e d - l o o pg a i ns h a p i n g ； r o b u s tc o n t r o l 大连海事大学学位论文原创性声明和使用授权说明 原创性声明 本人郑重声明：本论文是在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果， 撰写成博士硕士学位论文：基王y 旦笾真的墼自自筮囱簦接蕉剑：。除论文中 已经注明引用的内容外，对论文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中 以明确方式标明。本论文中不包含任何未加明确注明的其他个人或集体已经公开 发表或未公开发表的成果。 本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名磅埋锯2 1 年弓月z ge t 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解“大连海事大学研究生学位论文提交、 版权使用管理办法”，同意大连海事大学保留并向国家有关部门或机构送交学位 论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权大连海事大学可以将 本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，也可采用影印、缩印或 扫描等复制手段保存和汇编学位论文。 保密口，在年解密后适用本授权书。 本学位论文属于：保密口 不保密臣r ( 请在以上方框内打“”) 论文作者签名：袁蓼铝导师签名： ；髟翌均 e t 期：弘研年；月2 9e l 。 基于v b 的船舶鲁棒转向控制 第1 章绪论 1 1 研究课题的提出 船舶在海上航行时，转向操作是经常的。自动转向控制器一般应用于下列场 合：在航向保持模式下，从一个设定航向转到另一个设定航向，中间要自动加入 一个转向控制过程；在航迹保持模式下，在转向点附近需要自动加入转向跟踪过 程；从航向保持模式转入航迹保持模式以及船舶由手动操作转为自动的航向、航 迹保持模式时，一般都应该加入转向控制过程；此外，船舶因风浪超出偏差带也 应加入转向控制。转向时要求动舵合理，航向变化快速平稳，调节时间短，允许 小量超调( 5 以内) 。人工操舵转向时，一般先给一较大舵角，让转向运动尽快 启动、加速，此为启动阶段；待回转角速度达到稳态后，用一个适当的舵角维持 这一等速回转，是为稳态回转阶段；等到航向接近设定新航向时再施加一个较小 值的反舵，阻止过调，是为转向结束阶段。 转向一般涉及大舵角操纵，非线性流体动力的影响明显出现，船舶在大海中 航行，经常受到风、浪、流等外界环境条件的干扰，因此基于小舵角、微速度变 化的线性船舶运动模型不再适用，因而从理论上说，应该用非线性控制系统理论， 如变结构控制、非线性鲁捧控制等方法来设计转向控制器；但由于非线性理论的 复杂性，人们往往还是求助于线性控制器的设计方法。 h 。鲁棒控制理论【1 - 1 4 1 经过二十多年的发展，已经取得了大量引人瞩目的研究成 果，但是仍然存在着制约其向实际工程应用方向的发展的因素，其中最主要的一 点就是权函数选择困难，需要艰深的数学基础和大量的实践经验，在使用上为初 学者带来相当的困难。 闭环增益成形算法【体1 7 】是在h 。鲁棒控制理论框架下提出的，它避免了权函数 的选择而对系统进行闭环增益成形，其核心是确定闭环系统传递函数即z 的最后希 望的形状，用闭环系统具有工程意义的z 的最大奇异值、带宽频率、关门斜率及闭 环频谱峰值四大参数直接构造出鲁棒控制器。利用h 。鲁棒控制理论混合灵敏度算 法的结果( 即s 和r 的形状) ，用构造方法设计出鲁棒控制器，所用参数都是具有 第1 章绪论 工程意义的，可以说是一种简化的h 。鲁棒控制算法。该算法的优点是设计过程简 单，物理意义明显。 本文将闭环增益成形算法与船舶转向控制相结合，以船舶操纵仿真为基础进 行了深入研究。 1 2 课题背景及国内外的研究情况 1 2 1 船舶运动仿真的国内外研究现状 航海模拟器是通过数学建模，采用计算机技术对船舶运动过程及相关方面的 重新再现。航海模拟器不仅给船员提供了方便的培训条件，还为船舶控制器的设 计带来了便利。国内外都对其进行了深入的研究，技术也已经发展得相当成熟， 其中大连海事大学独立研制的多功能航海模拟器，功能完善，达到了国际先进水 平i 删。 本论文依托于航海模拟器，以船舶操纵预报和船舶操纵运动仿真为立足点， 对船舶转向控制算法进行了深入研究，查阅了大量文献。其中在船舶操纵预报和 船舶操纵运动仿真方面，我国周昭明【1 8 】等人所从事的操纵预报较早，他们还同时 完成了海上试验数据中非线性水动力导数的回归，从操纵性仿真预报的内容看， 基本上为操纵性标准试验结果的预报，包括紧急制动试验。考虑较为全面的是李 美菁【1 9 l 等人进行的风、浪、流及浅水域中多工况操纵性预报。在国外，美国国家 研究委员会海运部已开始了操纵仿真计划1 2 0 1 。日本在船舶操纵性仿真预报方面一 直保持高投入，继船舶操纵性数学模型研究小组卓有成效的工作之后，造船协会 运动性能委员a 【2 1 1 又成立了低速、浅水域操纵性能检讨专门委员会，开展对浅水、 低速等情况的操纵性预报研究。 1 2 2 控制器及自动舵的国内外研究现状 船舶运动控制是一个既古老而又现代的研究课题。随着海上交通运输业的不 断发展，作为海上运输工具的船舶正向大型化和高效化方向发展，海上交通密度 不断加大，航行安全越来越受到威胁。海上运输的竞争日趋激烈，为了提高营运 的经济效益，船务公司不仅要降低船员的操作强度，还期望减少船员配置。而减 2 基于v b 的船舶鲁棒转向控制 少船员配置则加剧了对航行安全的威胁。为了解决这一矛盾，自然就对船舶的运 动控制提出了更高的要求，船舶航运是应用高科技，这就促进了高智能化船舶的 研究和开发，其中控制器的设计就是一个关键环节。 在控制器的设计方面，最成熟应用最广泛是p i d 控制器【捌。p i d 控制器的特点 是简单可靠，物理意义明显，并且经过8 0 年的发展，已形成了众多的参数整定方 法。目前p i d 控制器设计方法大致可分为4 类，第一类是p i d 参数的获得根据经验整 定或试凑，有些方法根据自学习原理或大量的实践经验发展成为p i d 自整定算法或 专家系统整定方法；第二类是依据某种与误差有关的最优性指标，通过优化指标 值来完成设计；第三类是依据闭环系统极点位置来调节p i d 控制器的参数；第四类 是基于特定的理论进行p i d 控制器优化设计，如基于h 。控制算法p i d 控制器设计【2 3 1 和基于分析的鲁棒p i d 控制器设计【2 2 l 。一般来说，第一类方法注意经验或经验的 学习，理论指导差一些；第二类方法注重系统的响应品质；第三类方法更多地考 虑了闭环系统的内部特性；第四类方法强调了设计的p i d 控制器具有鲁棒性，但该 类方法的特点是算法复杂，需要艰深的数学基础。 在自动舵的研究方面，自7 0 年代起，国内一些科研院所、高校开展自动舵的 理论与开发工作，并取得了不少成果，如大连海事大学、哈尔滨船舶工程学院、 上海交通大学、清华大学、华东船舶工程学院、武汉海军工程学院、华东理工大 学造船系、厦门集美大学航海学院、中国船舶总公司船舶系统工程部、中国船舶 总公司7 0 7 所九江分部等i 蛔。他们发表了大量自动舵控制方法的论文，其研究成 果基本上都处于理论仿真阶段。一些航海仪表厂家也独立或与研究所、高校合作 开展了自动舵的试制和生产，其产品以模拟p i d 舵为主。目前虽然国产自适应舵已 经投入实船使用，但效果并不明显。在国外，2 0 世纪印年代末，随着计算机技术 和自适应理论的发展，人们注意到将自适应理论引入船舶操纵成为可能，瑞典等北 欧国家的一大批科技人员纷纷将自适应舵从实验室装到实船上。目前国外市场上 有多种成熟的航向舵、航迹舵产品，其控制方法大多为比较成熟的自适应控制，例 如日本t o l d m e c 公司的p r 一8 0 0 0 系列自适应自动舵、德国a n s e h u z 公司的n a ut o 3 第1 章绪论 c o n r r o 蟓合系统中的自动舵、美国s p e r r y 公v i s i o n i e c h n o l d g y 系统中的自 适应自动舵和加拿大c o m n a v 公司生产的各种船舶导航装置等 2 4 - 3 2 1 。 1 2 3 船舶转向控制的国内外研究现状 船舶转向控制的核心是船舶航向保持控制。船舶航向控制实际上应区分为两 类控制问题：在航向设定值不变时进行航向保持和在设定航向变化时进行航向跟 踪。对船舶航向的两种控制应该采取不同的控制策略，例如像v a n a m e r o n g e n 的工 作【3 3 】所做的那样。但是，为简化起见，也可只应用一种控制律，但辅之以对设定 航向的变化进行某种平滑处理，可收到一定的效果。张尧采用一种动态的航向设定 方法【3 4 1 ，程启明采用间接多模态控制方法【3 5 】。也有很多的采用变结构控制、模糊 以及神经网络控制器来控制f 推4 2 1 。在风浪中的控制方面，杨盐生研究【4 3 删较早， 风浪模型到目前变化不大。应该说船舶转向控制的研究主要集中在自动舵的航迹 控制中。 1 3 论文的结构 本文围绕“基于v b 仿真的船舶航迹保持算法”这一主题，从两个方面了详细 的阐述和研究，一方面从控制算法入手，着重分析了风浪对船舶转向的影响，将 闭环增益成形算法应用于船舶转向控制之中，另一方面从模拟仿真出发，将控制 算法研究和仿真实验有机的结合了起来。全文分为5 章，第一章简述了论文如何选 题和研究背景；第二章简单介绍了论文所需的船舶运动数学模型【4 5 1 ；第三章介绍 了论文所需的控制理论知识；第四章详细描述了系统的总体设计与实现；第五章 为仿真实验中的程序设计；最后是结论。 4 基于v b 的船舶鲁棒转向控制 第2 章船舶运动数学模型 2 1 综述 船舶模型化是用数学语言描述实际过程动态特性的方法。在船舶运动控制领 域，建立船舶运动数学模型大体上有两个目的：一个目的是建立船舶操纵模拟器， 为研究闭环系统性能提供一个基本的仿真平台：另一个目的是直接为设计船舶运 动控制器服务。船舶运动数学模型又分为整体型和分离型两种，分离型以分离船、 桨、舵为特点，以研究船、桨、舵的单独性能为基础，能简洁地表示船、桨、舵 的干扰效应，能合理地表示作用于船体上的流体动力，但建模较为复杂。本文研 究船舶转向运动，采用整体型的船舶运动数学模型。 2 2 船舶平面运动的运动学 若把船舶看成是一个刚体，船舶运动则具有六个自由度，在附体坐标系上考 察，这种运动包括跟随三个坐标轴进行的移动及围绕三个坐标轴的转动。图2 1 的坐标定义如下：0 - x 。k z o 是惯性坐标系( 大地参考坐标系) ，0 为起始位置， o x 。指向正北，d k 指向正东，o z 。指向地心；0 一x y z 是附体坐标系，0 为首尾之 间连线的中点，o x 沿船中线指向船首，o y 指向右舷；航向角妒( h e a d i n g ) 以正北为 零度，沿顺时针方向取0 3 6 0 。；舵角6 以右舵为正。船舶的平移运动由前进速度、 横漂速度和起伏速度组成。在图2 1 中，为前进( s u r g e ) 速度，r 为横漂( s w a y ) 速度，w 为起伏( h e a v e ) 速度。船舶的旋转运动由首摇角速度、横摇角速度和纵摇 角速度组成。在图2 1 中，为首摇( y a w ) 角速度，p 为横摇( r o l l ) 角速度，q 为纵 摇( p i t c h ) 角速度。然而对于大多数船舶运动及其控制问题而言，可以忽略起伏运 动、纵摇运动及横摇运动，而只需讨论前进运动、横漂运动和首摇运动，这样就 简化成一种只有三个自由度的平面运动问题。 图2 2 给出图2 1 经简化后的船舶运动平面图。 5 第2 章船舶运动数学模型 图2 1 在惯性参照系和附体坐标系中的船舶位置、力和状态 f i g 2 1t h ep l a c e ，f o r c ea n ds t a t eo fs h i pi nt h ei n e r t i a lr e f e r e n c es y s t e ma n da t t a c h e dc o o r d i n a t e s y s t e m d 图2 2 船舶平面运动 f i g 2 2t h ep l a i nm o t i o no fs h i p 2 2 流体动力导数 流体动力导数的无量纲化船舶线性化数学模型的主要涉及1 0 个流体动力导 数k ，r ，k ，耳，。，m ，l ，d ，前4 个称为“速度导数”，第5 第8 称之为 “加速度导数”，最后两个称为“舵力和舵力矩导数”。由于船舶( 包括桨、舵) 6 基于v b 的船舶鲁棒转向控制 几何形状的复杂性，应用理论流体动力学方法计算这些流体动力导数是不可能的， 因之它们的确定必须依赖于船模试验。为了数据处理的科学性以及使用的方便性， 根据相似原理和量纲分析方法，应该采用无量纲的流体动力导数；为此选择一些 基本的度量单位：长度厶 ，( 船长) ，速度坎航速) ，时间t 。 ，n 质 量m 。( 1 2 ) ，力r ( 1 2 ) p y 管，力矩m 。( 1 2 ) 2 ，其中p 一 水密度。这样将有各量的无量纲值： 质量：i n 一珊髌p l 3 )长度：石c 他 速度：y 一v l v转首角速度：，一r l i v 力：f = f 哇p y 2 r ) 力矩：- n 1 ( 1 p l 3 矿2 ) 惯性矩：j - - i = “三)l 一警 眺彬龇将得到无彭撖织碍数巧- a y l 却一百a o 丽 f ) 。f o v o y ，- ( 2 i ( p v l 2 ) v , ， 彬- o n 毋- ( 2 ( p 圮4 ) ) m ，依此类推。 线性流体动力导数的估算公式c l a r k e 整理大量船模试验数据，给出关于1 0 个线 性流体动力导数的回归公式冈，汇集如下： 巧一- 1 + o 1 6 c b b i t - 5 i ( b i l ) 2 】石口l ) 2 f 一- o 6 7 b i l 一0 0 0 3 3 ( b t ) 2 】石仃l ) 2 ：- 一【1 协l o 0 4 1 b t 】万( 丁l ) 2 ；- 1 1 2 + 0 0 1 7 c 6 b i t 一0 3 3 b l 】石( 丁l ) 2 f 一一【1 + 0 4 0 c z , b t 】刀7 ( t l ) 2( 2 1 ) f 一- - 1 2 + 2 2 b l 一0 0 8 0 b t 石盯l ) 2 ：一一 1 2 + 2 4 t 工】石( r l ) 2 ：- 一 1 4 + 0 0 3 9 b t 一0 5 6 b l z ( t 三) 2 巧- 3 0 a d l l ： 7 第2 章船舶运动数学模型 6 - 一l 2 ) r 6 上式中尽z c 0 爿鼢别指船宽、吃水、方形系数、舵叶面积。上式中的y o n 0 ； 是船体本身的流体动力导数，在实际应用时应考虑舵对船体流体动力的干扰，尚 需对这些流体动力导数作一定的修正，需修改的增量按下式确定 a 一形 一一吾巧 a ：一一三巧 ( 2 2 ) 叫- 三彰 y = 0 3 0 2 3 状态空间型船舶平面运动线性数学模型 状态空间型的船舶运动数学模型是船舶运动控制器设计的基础，它可以有多 层次的模型化方案，不同维数的模型用于不同的设计目的和精度要求。 2 3 1 二自由度状态空间型船舶线性数学模型 眇r t zt “- y v , 群跏h 誊y 篡 乇，怔m t c - n v ，棼矧 8 竺y l1 酣) 基于v b 的船舶鲁棒转向控制 丑2 ) = q ( 2 ) = 兰 笔： 。譬巧 譬圮 y 嘶一所) v ( 1 v ：一m z ：) 分别是惯性力导数矩阵、粘性力导数矩阵及舵力导数矩阵，x ( ：) - i vr r 是状态向 量，u = 6 是控制输入。将式( 2 4 ) t 7 6 h 茂标准的状态空间形式，得 x ( 2 ) - a ( 2 ) x ( 2 ) + 曰2 ) 6 ( 2 5 ) 其中 锄川；2 ) ) 1 如群割 毗) - l q ；2 ) 。刚 并且 4 1 l - f ( ，茸一，) y ，一m 工c l ，i ) i v ，】y s t 4 1 2 一【( ，。一。，) 0 7 ，- m ) 一( 坍石c - y ，) a v ，- m x c ) 弘v s l 口2 1 一【一( m x c - n 口) y ，+ ( 坍- y 口) ，i v l s 1 a 2 2 - 【一( m x c 一，) ，- m ) + 咖- y p ) ( ，- m x c ) s b 1 1i 【( ，。- ，) y j 一伽x i c - y ，) j 2 ，s l b 2 1t 卜劬x t c - n p ) y d + - y 口) n di v 2 l s l s 1 一【( ，。一，) o 咒。- y 口) 一( ，玎x f c - n f ) ( ，”z c - y ，) l l 2 3 2 三个自由度的线性船舶运动方程式 在式( 2 5 ) 的基础上，增加一个便于研究问题的状态变量妒( 航向偏差) ，且 a 妒- 妒一妒，妒，为设定航向，使状态向量成为x 一i v ，妒r 。因妒一，可得 第2 章船舶运动数学模型 其中 x o ) 一a ( 3 ) x ( 3 ) + 量3 ) 6 钳m ( 2 6 ) ，。剐 3 阶模型是最基本的，由此可演化成其他更高阶的模型形式，方程组可表示为： x ( 0 ) - a n x ( o ) + a 1 2 x ( 1 ) + b , 6 x ( 1 ) ；a 2 1 x ( o ) + a 2 2 x ( 1 ) + 6 2 d ( 2 7 ) 石( 2 ) t x ( 1 ) 其中x ( 2 ) 为船舶航向，z ( 0 ) 为横漂速度，x ( 1 ) 为船转角速度。 2 4 状态空间型船舶平面运动的非线性数学模型 2 4 1n o r r b i n 关于非线性力的简化表示式 n o r r b m 在研究船舶参数辨识问题时提出了一种关于线性流体动力j 的简 洁表示式如下冈： i n 如m o , vj 1 。m c f v ( v , ，) r ) ( 2 8 ) 其中 ，y o ，r ) = n m 西1 一可1 【- v ) 2 】，一* c 一 詈c 一 丁。，卜i 【一五l 工l v r 一- 2 1 ( v ) 3 】，一 一 予c ( 2 9 ) n i ，| 噎1 + 了1 【_ v ) 2 】彦c 一士予c m 1 0 基于v b 的船舶鲁棒转向控制 a p ，r ) 一 r r | r i 吒l z l 【_ v ) 】，一m t 一壬予t 一 r ，| ，| 【一1 一i 1 f 1 譬v ) 2 + i 1 可19 v 4 】，一 t 一壬t ( 2 1 0 ) t 。，l ，i 1 工1 、v ，。，1 ： 0 ，脒互0 ：l 蕾0 t 1 0 上w p 0 ，d _ k 0 ：l 一1 t 一0 d 肘p 0 d k 0 ：工一1 。t 一2 p d 肘p 0 ：l 一1 t p 上功z p 0 d k y j 时，才描绘下一点。 5 4 数据自动生成与存储的实现 在仿真实验过程中往往涉及到大量的数据生成与存储。如前章所提到的，计 算在大风浪中船舶运动保向舵角中，由程序自动生成大量的数据，而这些数据需 要通过一些专业软件来对数据进行拟合。因此我们就需要通过e x c e l 作为中介， 先将v b 程序中生成的数据导入到e x c e l ，再由专业软件对e x c e l 中的数据进 行拟合。 在程序中通过一个名为t o e x c e l 的自定义函数来实现在e x c e l 里导入在v b 中生成的数据。下面对进行曲线拟合的软件作一下简要介绍： t a b l e c u r v e 是一个用于曲线与曲面拟合的专业软件，包含众多的拟合函数，拟 合精度较高，但使用较为复杂，速度也比较慢。在不需要太高精度的情况下，可 以选择名为a d v a n c e d g r a p h e r 的拟合软件，本文实验中得出的曲线是通过 a d v a n c e d g r a p h e r 拟合的。 5 5船舶运动模拟实验 5 5 1 船舶运动模拟实验的意义 船舶操纵运动仿真是从动态的角度，全面仿真船舶操纵的操纵运动过程。一 直以来船舶运动模拟都是设计船舶控制器的重要手段，通过设计控制器对船舶数 学模型进行控制，以检验所设计控制器的优劣。同时船舶操纵运动仿真以在船舶 运动预报方面发挥着巨大的作用，1 9 6 9 年1 2 届国际拖曳水池会议组织的“航海者” 型货船各种水动力导数的世界比测试验，它证实了利用操纵模型预报船舶非线性 运动的可能性，从此，操纵性仿真预报方法逐渐为人们所接受。尤其是在港口水 域的操纵运动，操纵性仿真预报给航运带来了极大的便利。 不仅如此，船舶运动模拟实验还可以为船舶的数学建模提供必要的依据和平 台。通过船舶运动仿真与实船舶资料的分析来检验船舶数学模型的优劣。 基于v b 的船舶鲁棒转向控制 5 5 2 模拟船舶的旋回运动 船舶旋回性是最基本的重要操纵性能之一，因此旋回运动也是船舶运动仿真 的重要一环。 实验所用模型数据为h u a lt r o o p e r 的实船数据，船长1 9 0 m 、船宽3 2 2 6 m 、吃 水6 9 m 、船速1 3 5 k n 、排水量2 2 6 2 4 m 3 、方形系数0 5 3 5 、重心距中心距离2 5 m 、 舵叶面积3 4 1 m 2 。 图5 6 模拟回旋运动截图 f i g 5 6t u m i n gc i r c l eo fs i m u l a t i o n 图5 7 实船回旋运动轨迹 f i g 5 7 t r a c k o f t u r n