一種船舶動力定位的運行仿真平臺的制作方法
【專利摘要】一種船舶動力定位的運行仿真平臺。本發(fā)明針對船舶動力定位系統(tǒng)仿真平臺這一具體的問題，基于系統(tǒng)建模與仿真的校核、驗證和驗收技術(shù)，研制一套船舶動力定位系統(tǒng)仿真平臺，加速先進控制理論在船舶動力定位系統(tǒng)控制領(lǐng)域中的應(yīng)用。
【專利說明】一種船舶動力定位的運行仿真平臺
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種船舶動力定位的運行仿真平臺【背景技術(shù)】[0002]利用傳統(tǒng)錨泊定位的時候，船舶本身自有的錨泊設(shè)備為其定位提供了方便，但是錨泊定位精度不準(zhǔn)確，機動性能差，而且船舶作業(yè)的水深受到了嚴格的限制，在深水進行作業(yè)時使用錨泊方式定位將變得不方便而且不經(jīng)濟。動力定位很好的解決了這一問題，動力定位的精度很高，而且機動性好，定位也方便。經(jīng)過不斷的發(fā)展，現(xiàn)在的動力定位系統(tǒng)已經(jīng)十分復(fù)雜可靠，許多海上作業(yè)的船舶也應(yīng)用了動力定位系統(tǒng)，在進行潛水作業(yè)、潛水跟蹤、海上施工、海上探測時都需要用到動力定位系統(tǒng)，也就是按預(yù)定目的、預(yù)定位置，對船舶進行定位控制。
【發(fā)明內(nèi)容】

本發(fā)明針對船舶動力定位系統(tǒng)仿真平臺這一具體的問題，基于系統(tǒng)建模與仿真的校核、驗證和驗收技術(shù)，研制一套船舶動力定位系統(tǒng)仿真平臺，加速先進控制理論在船舶動力定位系統(tǒng)控制領(lǐng)域中的應(yīng)用。
[0003]本發(fā)明一種船舶動力定位系統(tǒng)仿真平臺主要具有以下功能:
(I)船舶動力定位系統(tǒng)模型的建立與測試。本仿真系統(tǒng)提供船舶動力定位系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，使用者還可根據(jù)需要自行輸入不同規(guī)格的柴油發(fā)電機組的數(shù)據(jù)。本系統(tǒng)可進行船舶回轉(zhuǎn)運動仿真、Z型實驗仿真，與實船實驗數(shù)據(jù)比較，便可測試模型的有效性。
[0004](2)控制算法的加載與測試。本系統(tǒng)提供PID控制、自適應(yīng)控制、模糊控制等常用控制模塊；使用者只需將自己設(shè)計的控制算法按規(guī)定的格式編譯成動態(tài)連接庫，就可加入到本平臺中。根據(jù)控制算法的不同，使用者可進行控制仿真測試；平臺還提供一個“事件編輯器”，可方便用戶進行更復(fù)雜的事件仿真測試。在測試過程中，用戶可以觀察航向、舵角、船速等參數(shù)的動態(tài)數(shù)據(jù)和顯示曲線，據(jù)此可對控制算法進行測試、優(yōu)化和改進。
[0005](3)仿真數(shù)據(jù)的保存。在測試過程中，可將船舶運動狀態(tài)的重要動態(tài)數(shù)據(jù)保存下來，便于以后的進一步研究應(yīng)用。
[0006]本發(fā)明的技術(shù)方案如下:
船舶動力定位系統(tǒng)的基本原理圖如圖1所示。
[0007]船舶動力定位系統(tǒng)由船舶動力定位系統(tǒng)模型的設(shè)置與測試模塊1，控制算法的加載與測試模塊2、船舶動力定位系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型模塊3，船舶動力定位系統(tǒng)曲線顯示界面4四部分組成。
[0008]船舶動力定位系統(tǒng)模型的設(shè)置與測試模塊I和控制算法的加載與測試模塊2與船舶動力定位系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型模塊3進行雙向數(shù)據(jù)交換。船舶動力定位系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型模塊3單向傳輸數(shù)據(jù)至船舶動力定位系統(tǒng)曲線顯示界面4中；同時船舶動力定位系統(tǒng)曲線顯示界面4曲線顯示界面4都可單向傳輸數(shù)據(jù)至I船舶動力定位系統(tǒng)模型的設(shè)置與測試模塊I和控制算法的加載與測試模塊2。上述軟件模塊I至4用VC++開發(fā)。
[0009]本發(fā)明一種船舶動力定位系統(tǒng)的工作原理是: 船舶模型的測試:首先根據(jù)測試目的和要求不同由船舶模型的設(shè)置與測試模塊I選擇合適的船型、計算控制算法的測試:當(dāng)建立了有效的船舶動力定位系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型模塊3后，就可進行控制算法的測試。首先由控制算法的加載與測試模塊2加載需要測試的控制算法，然后與船舶動力定位系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型模塊3構(gòu)成閉環(huán)控制系統(tǒng)，通過“事件編輯器”對船舶航行環(huán)境、船舶轉(zhuǎn)向點等條件進行設(shè)置，接著進行船舶運動控制仿真，同時將仿真結(jié)果輸出到船舶動力定位系統(tǒng)曲線顯示界面4，最后分析船舶航線、航跡和動態(tài)數(shù)據(jù)等仿真結(jié)果，并判斷所加載控制算法的控制特性。
[0010]出船舶參數(shù)并傳輸?shù)酱斑\動數(shù)學(xué)模型模塊3中，接著船舶動力定位系統(tǒng)模塊3進行船舶回轉(zhuǎn)實驗仿真，同時仿真結(jié)果輸出到船舶動力定位系統(tǒng)顯示界面4，將仿真實驗結(jié)果與實船實驗數(shù)據(jù)進行比較，當(dāng)回轉(zhuǎn)圈航跡誤差小于在一個船長時，則認為所建立的船舶運動數(shù)學(xué)模型是有效的，否則無效。
[0011]本發(fā)明的優(yōu)點和有益效果是:
【專利附圖】

【附圖說明】
[0012]圖1是本發(fā)明一種船舶動力定位系統(tǒng)的組成結(jié)構(gòu)框圖。
[0013]圖中:1、船舶模型的設(shè)置與測試模塊，2、控制算法的加載與測試模塊，3、船舶動力定位系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型模塊，4、船舶動力定位系統(tǒng)曲線顯示界面。
【具體實施方式】
[0014]下面結(jié)合附圖對本發(fā)明做進一步詳細地描述:
船舶動力定位系統(tǒng)由船舶動力定位系統(tǒng)模型的設(shè)置與測試模塊1，控制算法的加載與測試模塊2、船舶動力定位系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型模塊3，船舶動力定位系統(tǒng)曲線顯示界面4四部分組成。
[0015]船舶動力定位系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型模塊3設(shè)計實現(xiàn)了三自由度MMG模型和四自由度的平野模型。船舶動力定位系統(tǒng)曲線顯示界面4可以顯示航向、航跡、命令舵角、實際舵角、主機轉(zhuǎn)速、航速、，以及等參數(shù)的實時數(shù)據(jù)和曲線。
[0016]一、船舶動力定位系統(tǒng)模型的設(shè)置與測試模塊I的設(shè)計與實現(xiàn)
1.模型重要參數(shù)的輸入
仿真系統(tǒng)通過“打開”和“保存”按鈕實現(xiàn)數(shù)據(jù)的存?。荒Ｐ偷闹匾獏?shù)包括船舶自身參數(shù)以及海洋參數(shù)；在此處的參數(shù)通過單擊“參數(shù)確認正確”按鈕就可以導(dǎo)入仿真系統(tǒng)中。
[0017]2.模型驗證
由于模型的不同，所以驗證時分為Norrbin模型、三自由度MMG模型二種情況進行。但是，由于Norrbin響應(yīng)型模型本身是一個定常模型，而回轉(zhuǎn)實驗中，主機通常都是定油門運行，整個回轉(zhuǎn)運行中航速都會有較大變化，已經(jīng)超出模型攝動的范圍，所以基于Norrbin模型進行的回轉(zhuǎn)實驗分為兩種，一種是定參數(shù)Norrbin模型回轉(zhuǎn),一種是變參數(shù)Norrbin模型回轉(zhuǎn)，在變參數(shù)Norrbin模型中,通過時間分段改變Norrbin模型的參數(shù)來近似船舶回轉(zhuǎn)中的降速。
[0018]二、控制算法的加載與測試模塊2的設(shè)計與實現(xiàn)
如何方便用戶快速加載新的算法，是本發(fā)明仿真系統(tǒng)的一個重要內(nèi)容。如果系統(tǒng)的控制算法仍然需要用戶自己通過加代碼的方式把算法寫入程序中，這顯然是無法令人滿意的，本系統(tǒng)采用通過動態(tài)鏈接庫(DLL)的方式來加載算法。動態(tài)鏈接庫的名稱可以根據(jù)編寫算法的內(nèi)容任取，但動態(tài)鏈接庫中必須包含一個名為ShipState的結(jié)構(gòu)體，同時在命名為ControlleK )的函數(shù)中編寫控制算法。算法通過定義形如ShipState *m_PShipState格式的指針m_PShipState，來與程序交換數(shù)據(jù)，算法需要的實際航向或航跡，設(shè)定航向或航跡的數(shù)據(jù)通過指針m_PShipState都可得到，算法需要存儲的中間變量放在ComputeStatePara數(shù)組中，最后計算出的控制量保存在變量RudderD中。
[0019]在控制算法測試方面，本發(fā)明提出事件仿真算法測試兩種方法，定義如下 事件仿真算法測試:是建立仿真系統(tǒng)之后，在一定的設(shè)定條件下，在時間軸上，研究被
控對象在進行一系列活動的過程中，控制算法在多種信號下的控制效果。
[0020]針對事件仿真算法測試本系統(tǒng)設(shè)計了一個事件編輯器。如果主要研究船舶航向控制、航跡控制，那么影響船舶運動控制的船舶的主要活動就是主機操縱，而外界主要影響就是風(fēng)、浪、流擾動變化，所設(shè)計的“事件編輯器”是一個方便用戶，只要調(diào)整幾個參數(shù)就可以仿真實船一系列活動的對話框。通過“事件編輯器”的方式，用戶可以快速地實現(xiàn)“事件仿真算法測試”，在整個事件中，主機轉(zhuǎn)速以及風(fēng)、浪、流外界干擾都可以多次變化。雖然輸入內(nèi)容增多，但這樣仿真的效果更接近于實際情況，有更高的可信度。
【權(quán)利要求】
1.船舶動力定位系統(tǒng)由船舶動力定位系統(tǒng)模型的設(shè)置與測試模塊1，控制算法的加載與測試模塊2、船舶動力定位系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型模塊3，船舶動力定位系統(tǒng)曲線顯示界面4四部分組成；船舶動力定位系統(tǒng)模型的設(shè)置與測試模塊I和控制算法的加載與測試模塊2與船舶動力定位系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型模塊3進行雙向數(shù)據(jù)交換；船舶動力定位系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型模塊3單向傳輸數(shù)據(jù)至船舶動力定位系統(tǒng)曲線顯示界面4中；同時船舶動力定位系統(tǒng)曲線顯示界面4曲線顯示界面4都可單向傳輸數(shù)據(jù)至I船舶動力定位系統(tǒng)模型的設(shè)置與測試模塊I和控制算法的加載與測試模塊2 ;上述軟件模塊I至4用VC++開發(fā)。
【文檔編號】G05B17/02GK103645642SQ201310602792
【公開日】2014年3月19日 申請日期:2013年11月25日 優(yōu)先權(quán)日:2013年11月25日
【發(fā)明者】劉雨 申請人:大連海聯(lián)自動控制有限公司