船舶力控减摇鳍系统建模与仿真

43卷 第 2期(总第 157期 20Oz年 6月 中 国 造 船 SHIP叫 ILDING OF CHINA V0__43 N0 2(Seria1 N0．157) ju眦 2002 文章编号 ：1000 4882(2002)02—0064 07 船舶力控减摇鳍系统建模与仿真 张晓宇， 金鸿章， (哈 尔滨工程大学 自 化学院 李国斌， 吉 明 黑龙江 哈尔滨 150001) 摘 要 苛对海 浪的随机干扰 、船 舶模 型的 确定 性和控制器输 出约束 ，采用升力反馈控制 的空 新方法，建立 系 统数学模型，运用H 控制理论考虑混合灵敏度S／KS问避 设计 领导形象设计圆作业设计ao工艺污水处理厂设计附属工程施工组织设计清扫机器人结构设计 了控制器．对混合灵敏度S／KS问题模型、权 函数的选择等问起进行了研究，同时结台具有凳船，利用 MFC和 OpenGL三维图形库．建立了在{彀机上实 现交互式实时控制、同时显示直观的实时多媒体对画的力控减摇鳍仿真系统，碧出了仿真结果．并对仿真结 果进行 7 分析 定性数据统计分析pdf销售业绩分析模板建筑结构震害分析销售进度分析表京东商城竞争战略分析 。 关 键 词 ：海浪干扰；力拉减摇鳍；H 鲁棒控制器；实时动画 中图分类号 ：U664．72 文献标识码 ：A (一) 引 言 船舶在海上航行时．由于受到浪、风及流等海洋环境扰动的作用，不可避免地要产生各种摇荡， 船舶剧烈的摇荡对船舶的适航性和安全性、船上的设备、货物及船员都产生了不利的影响。因此，人 们一直在寻求减小船舶摇荡的方法，研制了许多控制船舶摇荡的特种装置 减摇鳍是 目前应用最广 泛、最有效的减摇设备，它利用鳍产生的扶正力矩抵抗悔浪产生的横摇力矩来达到减摇 目的 】。目前 减摇鳍控制系统普遍采用的是鳍角反馈控制方法，但由于鳍角与升力映射关系的复杂性与不确定性， 造成减摇鳍的实际减摇效果一般达不到设计能力 力控减摇鳍是一种全新的减摇鳍，它从控制原理上 对传统的减摇鳍进行了改进，具有许多突出的优点。采用升力反馈控制方法，避免了在控制中直接使 用鳍角与升力的映射关系，直接以扶正力矩为反馈信号，从而能使减摇鳍装置有满意的减摇效果。 本文以船舶力控减摇鳍系统为研究对象．应用 H 控制方法，设计出能有效抑制随机海浪干扰的 控制器．同时按照鳍角的幅值限制，对控制器输出加以约束在 VisualC-+-+中利用OpenGL[21三维图形 库，建立了船舶力控减摇鳍多媒体实时动画仿真系统．进行了仿真试验。并对结果进行了分析，给出 了结论 。 (二) 系 统 建 模 船舶的摇摆运动主要由海浪引起．海浪是不规则的、随机的，但它具有统计规律性。用海浪谱理 论描述海浪，谱密度曲线如图1所示。 由图 1可知，海浪能量主要集中在频宽为0．3～1．25rad／s的低频范围内。如果船舶的横摇运动角 度很小．可以应用线性横摇理论来分析船舶的横摇运动。考虑力控鳍系统，船舶横摇方程可以表示为 收稿日期 2OOl一08 03} 梧改穑收稿日期：2OOl 12 1 7 维普资讯 http://www.cqvip.com 43卷 第 2期(总第 157期) 张晓宇等：船舶力控减摇鳍系统建模与仿真 图 1 簿 很 渡 能谮 曲 线 l璺I 2 力 拦减 描 鳍 系甄 的 娘理 框 图 ( + ) + 2N + D ^ 一 K K， (1) 式中≠为横摇角，， 和△ 分别为相对于通过船舶重心纵轴的质量惯性矩和附加质量惯性矩，2N 为 每单位横摇角速度的船舶阻尼力矩，D为船舶排水量，h为横稳心高，K 为海浪扰动力矩，K，为力控 鳍的稳定力矩。力控减摇鳍系统的原理框图如图2所示。令 K 一K K，．考虑某船的参数为：排水量 D一1457．26t，横稳心高 一^1．1 5m，船的横摇周期 T 一9s，无因次阻尼 2 一0．265，由式(1)，船的横 摇传递函数为 s 一 一再 一 状态空间方程为 [ [一， + 一。 l州 ]十[川，，+0 k一[ 0 ]K 一 [——。．0 一01 ][： ]+[。．。。 。一 ]K 一： ．。。 。 ]K， c。 式中 为横摇角， 为横摇角速度。减摇鳍用液压装置驱动，其传递函数如下式 小 )= 550 5 + 15s+ 225 (4) 其状态空间实现为 [≥]一[一0。。 一 ][ ]+[ ：。]“ cs 式中 为鳍转角， 为鳍转角角速度。 根据减摇鳍的水动力系数，可以推知 NJ5减摇鳍的静特征数是 5．64。，而此时对应的最大减摇鳍 鳍角是 22。．所以对应的鳍角到鳍产生稳定力矩的转换系数是 429627(N·m／(。))。 根据船舶与升力鳍的串联关系，由式(3)和式(5)，得到船舶横摇力控减摇控制系统增广模型的状 态空间实现的系数矩阵分别为 一 [0 0 0 4．879×10 s] D 一0 (三) H。。控 制 器 设 计 H 控制理论是以某一闭环传递函数的H 范数作为目标函数进行优化设计，其设计真髓是对系统 ●叫● —．．．． 1 一 印● ● ●J 2 6 6 D； 0 0 0 O l 8 5 3 9 & O O 1 4 — 4 2 6 2 O 1 O 2 2 一 O 5 8 l 1 0 0 l 维普资讯 http://www.cqvip.com 中 国 造 船 学术论文 的频率特性进行整形(Loopshaping)：⋯：。应用 H 控制理论对实际系统进行设计时，一般要经过选择 台适的优化模型、选择权函数、H 、优化控制器的计算及系统性能指标 评价 LEC评价法下载LEC评价法下载评价量规免费下载学院评价表文档下载学院评价表文档下载 等步骤。对于船舶力控减摇 鳍系统，考虑控制器输出约束和H 混合灵敏度问题即S／KS问题设计 H 、鲁棒控制器。 1．H． 混台灵敏度 S／KS问题模型描述 H 混合灵敏 度 S／KS问题模 型表示如 图 3 所示 表示不确定外干扰信号，权函数 直 接反映了系统对于干扰的抑制能力，是系统性能 的反映 ，权 函数 反映 了加权 不确定性 的限 制，同时也可以是对控制信号“幅值的约束。在 标准 excel标准偏差excel标准偏差函数exl标准差函数国标检验抽样标准表免费下载红头文件格式标准下载 问题结构形式下 ，S／KS问题的广义对象为 = 1 2 根据外输出和外输人之间的关系，由式(6)得闭环传递函数为： =⋯⋯，一[ 一[ s] 设计要求为求取一镇定控制器K，以满足性能指标：l <1 。 (6) (7) 2．设计中权函数的选择 权函数的选择必须考虑系统的动态性能、鲁棒稳定性、抗干扰能力，还应使设计出的控制器结构 简单，在工程上易于实现 。 的选择原则是；为了抑制干扰或为了具有精确地跟踪输入的功能，要求回路增益尽量大。因 此，一般 应取为积分特性或高增益低通特性．且其增益设计为可供调整的设计参数。对于船舶力 控减摇鳍系统，如前文所述，系统的干扰主要是低频海浪干扰．因此，u 形式为： 其中 为可供调整的参数。 。 的选择原则是：为了使系统对加法不确定性具有鲁棒性，应根据系统加法不确定性的范围选 择；同时考虑力控鳍的鳍角不可能任意大，即对于控制器输出应有约束，一般 n可取为实有理函数 阵，同时要考虑系统的快速性要求 对于船舶力控减摇鳍系统， 形式为W。一 而 ，其中 为 可供调整的参数。 3．H 控制器设计 基于H一控制理论设计控制系统，无论是鲁棒稳定还是干扰抑制问题，都可归结为求反馈控制器 使闭环系统稳定且闭环传递函数阵的H一范数最小或小于某一给定值。控制器的设计常用方法主要分 为两类，印标准问题的频域解法和状态空间解法。本文采用的是基于状态空间解法，这种方法极大地 简化了算法，且具有良好的控制器结构，只需求解一个(状态反馈)或两个(输出反馈)代数 Riccati方 程。应用前面介绍 的权函数 的选择方法，取 一5，k一5×10 ．则 W 和 “分别为：W — ， r ／1 ， 11 ’ ’’“ 5× 10～ 4-0．001 经过计算机仿真得控制器传递函数为 ⋯ 25952Z5．6735( + 6．47)(， + 1 5 + 225)(5 + 0．185s丁 0．4874) ⋯ ⋯ ( + l014) 28．21)Cs十 1_25) ( 4-19．35s+ 678．5) ⋯ (四) 力控减摇鳍实时动画仿真系统的实现 在建立力控减摇鳍实时动画仿真系统时，考虑到系统的实时性要求和可扩充性，主要在 Visual C 维普资讯 http://www.cqvip.com 43卷 第 2鹅 t总第 1S7鹅) 张晓宇等 ：船舶力控斌摇鳍 系统建模与仿 真 +_-中利用 OpenGL三维图形库进行实时仿真。为了验证仿真的正确性，设计中利用 Matlab进行了 必要的校验 。 1．仿真系统的总体构造 仿真系统主要由初始条件设置模块、实时仿真模块、仿真数据处理模块、知识库查询系统模块、 多媒体实现模块等组成 。 初始条件设置模块用于设置船舶航行的初始条件 ，如：海浪浪级、力控减摇鳍系统参数等，对不 同浪级、海况下的海浪用 PM 频谱进行波高、波倾角、有效波倾角的仿真，并对 PM 谱、JONSWAP 谱、Neumann谱的谱密度函数进行比较。实时仿真模块对船舶力控减摇鳍系统工作时的情况进行实时 仿真，给出力控减摇鳍的实时状态和摇摆程度，便于分析力控减摇鳍的各种工作特性，并可以随时调 整减摇控制系统参数，以达到预期控制效果。同时对加装力控减摇鳍前后舰船姿态进行实时对比，并 可以给出力控减摇鳍的实时状态和摇摆度。便于分析力控减摇鳍的各种工作特性。仿真数据处理模块 用于对仿真中的数据进行再处理，是一个数据库系统，仿真数据需要即时存储、查看和处理，以数据 库处理仿真数据，对仿真数据进行排序、极值、均方差和绝对值均值等计算工作 知识库查询系统模 块，简单地说，是一个帮助系统，具有知识详实、图片丰富的特点，以超链接形式构成有机整体，随意 跳转，配置 Windows标准帮助系统，具有搜索、目录和索引等功能，利用 ASP和 Visual C+一实现， 可以进一步实现系统的网络化。多媒体实现模块是出于使用系统方便和系统友好的考虑，使用大量 AVI动画，精心的界面设计使界面友好富有动感，软件中加入相关的图像、语音、动画、影像、音乐等 多媒体元素 。 以上这些系统模块均是构成力控减摇鳍实时动画仿真系统的有机组成部分，可能方便地对每个模 块进行再设计、再扩充。实际上，每个模块都有若干个类组成，可以方便地实现代码的可重用和程序 再开发 2．仿真系统 的类构建 仿真中出于面向对象程序设计(OOP)的考虑，由于设计中即要求进行力控减摇鳍系统的数据处理 和众多的算法设计，又要求实时的输出仿真动画，因此，从这两个角度出发进行设计 为了便于实现系统的维护和再开发．对于仿真系统的计算功能，首先建立了抽象类 CShip，目的 是多态地使用其中的成员函数，它提供了船舶计算功能的统一操作界面 其次，由于仿真以某一船舶 为背景，可从CShit中派生C~：arShip类，在这一类中封装有船舶的参数数据以及操纵这些数据的函 数．例如：船舶重心的纵轴的质量惯性矩和附加质量惯性矩、船舶排水量、横稳心高以及操纵它们的 函数等，还有一些接口函数 再次，由于设计中主要考虑船舶的横摇运动，因此从 CWa~hit 中又派 生出 CWarShipRotl类，这个类专门用于处理船舶横摇运动，如有需要，可以方便地得到研究船舶其 它运动的类，根据从C~"arShip类中得到的数据，再考虑具体海情，可以建立船舶的横摇运动方程。 由于船舶力控减摇鳍系统只是船舶的一部分，因此，可以进行类的聚集，船舶力控减摇鳍系统定义为 CShipFinSystem，这样CShitFinSystem只是 CWarShip的一个成员，可以方便地进行系统扩充 建立 CShitFinSystem类时，它有一成员就是CLiftControtter。本文采用 H 控制方法，也可以采用其它的控 制器 以上只是简单地介绍了系统的计算类系结构，限于篇幅，不再详述。 对于仿真系统的图形输出功能，也应进行类的层次设计，为系统的维护和再开发提供方便。首先 建立 OpenGL的可重用类 COpenGLDraw，这一类 中应 有最一般的 OpenGL实现功能，例 如：环境 的 初始化并设置当前着色描述表、初始化OpenGL场景、处理视口变换及设置投影变换模式、窗口重绘、 释放资源等 接着就可以根据具体实船的几何尺寸 ，按比例地缩小但保持船舶的相对尺寸不变，建立 CShitDraw类，再生成CShipDraw的对象以实现具体的实船绘制 当然OpenGL的实用库(其它库中 也如此)只提供了基本的函数实现复杂图形的绘制，例如：画圆柱函数 gluCylinder()，画圆盘函数 udisk()，画球体函数 gtuSphere()等 可以方便地绘制实船的各个体素，然后利用几何变换 函数 gtTranlate()、gtRotate()和glScate()可以实现这些体素的拼接工作。对于 Rotate()函数应尽量保证 维普资讯 http://www.cqvip.com 中 国 造 船 学术论文 顺时针和逆时针转过的角度在构造体素前后相抵消．这样才能保证视点坐标系的一致性。在构造实船 时．考虑到实船的复杂性，可以采用用 AutoCAD、3DMax先构造船体，再通过编程引人到程序中来， 笔者就是采用用 AutoCAD先构造船体轮廓．然后引人，再进行纹理和光照等处理．生成真实感很强 的实船模型 综上．最后的力控减摇鳍系统类为CSh RotlDraw应是从 CWarShit，Roll类和CSh Draw类继 承而来，从而同时实现力控减摇鳍系统的计算仿真功能和实时动画输出仿真功能。在这一设计过程中， 充分体现了OOP程序设计的优势，使得系统的维护和再开发十分容易 3．仿真系统实时动画实现的基本原理 在进行实时仿真的动画输出中，影响动画质量的两个关键问题：一个是消隐问题，即消除隐藏线 和隐藏面，另一个是显示缓存问题．OpenGL采用 z缓存模式 由于z缓存的值始终表示最接近视点 的图形单元到视点的距离，因此，OpenGL可以实现自动消隐。在进行实时仿真的动画输出中．一般采 用双缓存模式，OpenGL亦不例外 基本原理是：将要显示的图形数据写人后页缓存中，写操作完成 后，进行显存切换，即当前的后页显存设置为前页缓存，当前的前页显存自动切换为后页缓存，这样， 刚写人的图形数据就在屏幕上显示出来。完成显存切换后，立即开始向当前的后页显存写人下一屏静 态图形数据，写人完成后．再进行切换⋯⋯ 如此周而复始，就形成了双缓存动画。同时运用了 OpenGL的光照功能、纹理映射功能、融和功能、雾化功能、多个缓存功能等，使运动场景更加真实而 且美观。对于运动中的船舶可能会出现微小的走样．可以运用 OpenGL的反走样功能，加人适当的算 法 ．即可得到很平滑的实时动画效果。 (五) 系统性能、仿真结果和结论 根据式(8)所得的控制器，结合船舶力控减摇 鳍来分析横摇系统的性能 根据 H 混合灵敏度 s／ KS问题的要求，出于抑制干扰的考虑，ii w ( )S (s)i】一<1，则可得，I[ ( )] [w (i血．)]或 [w (i血．)] (i血．)]，灵敏度函数与权函数 w 的奇异值图如图4所示，从图可知，所设计的控制 器满足系统要求 ，从而可以有效地抑制海浪干扰 下面从计算机仿真的角度来分析船舶力控减摇 鳍系统的分析和设计是否正确可行 为了使仿真结 果具有代表性和充分反映各种海上的航行情况，仿 ～ 、、I／S W ～ ＼＼ j ＼ 一 ； ＼ ＼ ＼ ＼ 、 ． ； 图 4 灵敏度函数与权函数 的奇异值图 真时船舶航速为 18kn，船舶航行的海浪取有义波高 日 为3m、3．8m和4．2m，船舶航向与海浪的遭遇 20 o 一 20 2 o { 50 10D 150 时闻，| }刳5 船舶 在海 浪干扰下的横摇 角 50 100 1卯 时匍，a 圈5 力控减摇鳍和海浪同时作用下的船舶横摇角 维普资讯 http://www.cqvip.com 43卷 第 2期 (总第 1j7期) 张晓字等 ：船舶力控碱摇鳍 系境建模与仿 真 角 取 30 、45。、90。、1_35。和 150。，由于篇幅所限，只结出有义波高H 为 4．2m、遭遇角 为 90。时的 船舶横摇仿真曲线，见图 5和图6 从图上可知，H 力控减摇鳍不但有效地减小船舶横摇．而且系统具有很好的快速性 传统的鳍角 控制减摇鳍，其中许多重要参数如：升力系数C“ 升力系数斜率 [ 、来流速度 v等均具有不确定性， 这使得鳍角到升力的不确定性更为复杂。而鳍的水动力即鳍角到升力映射关系的复杂性与不确定性又 使得鳍角到波倾角的动态转换系数 K 难以实时确定。力控减摇鳍直接以扶正力矩为反馈信号，封装 了鳍角与升力的不确定关系，因此，减摇性能肯定优于鳍角反馈减摇鳍。 本文将 H 控制理论应用于力控减摇鳍系统，并作了一些深入的探讨，笔者是在 Windows 98操作 系统下用 Visual C_-+开发的船舶力控减摇鳍仿真系统，可以交互式实时控制、实时多媒体动画输出， 用户可以方便地选择海情和船舶系统初始条件，即能方便地查询船舶运动参数，又能直观地观看船舶 运动的过程 。 参 考 文 献 ：1] 金鸿章．李国斌．船舶特种装置控制系统[M3．北京：国防工业出版社．1 995． Ez] Walnum C．3D graphics programming with OpenGL[z]．Que Corporation，1995． [33 Gu G X，Chen J．Lee E B．Parametric H。[oopshaping and weighted mixed sensitivity minimization_J]．IEEE Transaction on Automatic Contro1．1999．44(4)． 4¨] Tsai M C，Gedds E J M．Postlethwaite 1．Po re loop zero cancellation and closed loop properties of an H mixed sensitivity design problem [J]．Automatica，1992，28(3)． [93 Besson V，A．T．Shenton．A T．An interactive parameter space method for robust performance in mixed sensitiv ity problems 2J]．IEEE Transaction on Automatic Controt一1 999，44(4) [6] Shi P，Dragan V．Asymptotic H control of singularly perturbed systems with parametric uncertainties lJ]．IEEE Transaction on Automatic Contro1．1999．44 (4)． It] 申铁龙．H 控制理论及应用[M]．北京：清华大学出版社，I996． [83 吴旭东，解学书．H 鲁棒控制中的加权阵选择_J]．清华大学学报，1 997，37(1) Robust Controller Design and Simulation Study of Ship Fin Stabilizer System based on Lift Feedback ZHANG．Xiao—yu， J1N Hong—zhang， LI Guo—bin， J1 Ming (Automation college，Harbin Engineering University，Harbin 1_50001，China) Abstract The fin stabilizer plays an important role in reducing ship rol1．At present．the fin—angle—feed back control method is adopted generally in fin stabilizer design，the effectiveness of which is un— promising due to uncertainties in calculating the fin lift．The lift—feedback—control method is proposed in this paper，which can make the fin stabilizer more efficient．The rol1 model of a ship is set up based on ConollY’S theory Under random sea waves，and is transformed into state space equation．In H controller design，the mixed sensitivity problem of S ． ．／KS is considered．The weighting functions are selected for the system by considering the system characteristics．The controller is designed with out put restraint．The simulation was carried OUt and results are discussed in the paper． 维普资讯 http://www.cqvip.com 中 国 造 船 学术论文 Key words：sea wave disturbance；lift feedback fin stabilizer；H robust controller；real—time anima tiOil 作 者 简 介 张晓宇 男，1971年生．哈尔滨工程大学自动化学院博士研究生，主要研究方向：非线性系统、H 鲁棒控制、船舶综 合控制等。 金鸿章 男，1946年生，暗尔滨工程大学 自动化学院教授．博士生导师，主要研究方向：智能控制理论、鲁棒控制、船 舶控制理论与船舶控制等． 李国斌 男．1937年生，暗尔滨工程大学 自动化学院教授，博士生导师 传动控制等 吉 明 男．1972年生，哈尔滨工程大学自动化学院博士研究生 ．讲师 主要研究方向：船舶特辅装置及其控制、流体 主要研究方向：鲁棒控制等 第五届船舶力学学术委员会全体会议在绵阳举行 中国造船工程学会船舶力学学术委员会第五届全体会议于 2002年 4月 16日至 19日在四JII绵阳 举行。来自24个单位的近百名船舶力学界专家出席了会议。 16日上午，在绵阳浣花宾馆礼堂举行开幕式。吴有生主任向大会作了题为 “团结求实创新奉献， 为船舶力学的发展不断努力进取”的工作 报告 软件系统测试报告下载sgs报告如何下载关于路面塌陷情况报告535n,sgs报告怎么下载竣工报告下载 ，详尽回顾了第五届学委会四年来在开展国内学术交 流、活跃于国际学术舞台、编撰《船舶力学丛书》、编辑出版《船舶力学≥杂志、与伪科学作斗争等方面 所做的工作和取得的成绩 会议安排了三场大会学术报告，我国出任第 23届国际船模试验池会议(ITTC)及第 1j届国际船 舶和海洋工程结构会议(ISSC)各委员会的委员们报告了本人所在国际学术组织的活动情况，并就所涉 研究领域综述了国际国内相关工作的现状及发展趋向。这些报告会后将结集出版。 会议产生了第六届学术委员会．由73名委员组成。26名船舶力学界的工程院院士和 ITTC、ISSC 委员为当然委员，50岁以下的占总数的 6O ，新当选的中青年委员占总数的三分之一以上 会议一致讨论通过了学委会工作条例修订草案。 会议期间，中国船模试验水池会议(CTTC)和中国船舶与海洋工程结构会议(CSOSC)分别召开会 议，讨论了各自的工作，并充分协商了我国参加第 24届 ITTC(2002年)和第 16届 ISSC(2003年)的 人选。 会议还调整了专业学组的设置，各专业学组分别召开会议，选举产生了新一届学组组长·调整了 学组成员，并讨论了学组的活动和工作。 会议期间，《船舶力学丛书》编委会认真审查了有关专著的书稿及编撰大纲，仔细检查和研究了丛 书各专著编撰工作进度。《船舶力学》杂志编委会也召开了第二届编委会工作会议一回顾了创刊四年多 来的工作，组成了新一届编委会，讨论了新一届编委会的工作和进一步办好刊物的问题。 全体会议闭幕之前，举行了六届委员会第一次会议，会议选举吴有生为主任委员。 在 1 8日举行的闭幕式上，主任吴有生就六届委员会的工作作了简明扼要的讲话，要求大家承前启 后．迈向未来，努力为发展我国船舶力学的研究，为祖国船舶事业和海军建设，为使我国在不远的将 来成为世界一流造船强国 ，作出更大的贡献。 (康伯霖 ) 维普资讯 http://www.cqvip.com