船舶动力定位海洋环境的建模与仿真

  本文关键词：现代船舶动力定位系统的建模研究，由笔耕文化传播整理发布。

　　第 23 卷 　第 11 期
文章编号 : 1006 - 9348 ( 2006 ) 11 - 0237 - 03

计 　算 　机 　仿 　真

2006 年 11 月 　　

船舶动力定位海洋环境的建模与仿真
施小成 ,王元慧
(哈尔滨工程大学动力与核能工程学院 ,黑龙江 哈尔滨 1

50001)

摘要 : 在船舶动力定位系统设计中 ,必须考虑船舶所受到的外界环境干扰的影响 。 为了有效地量化海洋环境对动力定位船舶 的作用 ,该文提出了海洋环境负载 (包括风 、 海浪和海流 ) 的建模方法 ,并运用 MA TLAB 的 M 文件和 S I UL I K分别编制了 M N 风干扰力和力矩计算和随机海浪的仿真程序 ,在三级海况下 ,实现了对海洋环境的仿真 ,得到了合理的仿真结果 。 此外 , 通过 改变仿真参数 ,也可以对其它任何海况进行仿真 ,使仿真程序具有较好的通用性和灵活性 。 该海洋环境的建模和仿真方法 , 对动力定位系统控制策略的选取和软硬件配置的调试有着重要意义 ,为船舶动力定位的实时模拟奠定了基础 。 关键词 : 动力定位 ; 海洋环境 ; 建模 ; 仿真 中图分类号 : TP391. 9 　　文献标识码 : A

M a r ine Env ironm en t M ode ling an d S i ula t ion for D ynam ic Po sit ion in g m
SH I X iao - cheng, WAN G Yuan - hu i
( Co llege of Powe r and N uclear Ene rgy Eng , H arbin Enginee ring U niversity, H a rbin He ilongjiang 150001, Ch ina) . A BSTRAC T: In the de sign of a ve ssel D P system , the environm ental disturbance s exe rted on the vesse l m u st be con sidered. In o rde r to effec tive ly calcu la te the fo rces and fo rce mom en ts acted on the D P ve ssel by m a rine environm en t, the modeling m e thods fo r m a rine environm ental load s, which include w ind, wave and sea cu rrent effects are p resen ted. In add ition, M - files a re used in MA TLAB and S I UL I K to deve lop the w ind fo rce and M N mom en t calcula tion and stocha stic wave sim ulation p rogram s to realize the sim ulation fo r m a rine environm ent at the third sea sta te code. The sim u lation re sults are reasonable. Mo reover, the sim u la tion p rogram s show good ve rsa tility and flexibility by m ean s of changing the sim u la tion pa ram eters to sim u la te any o the r sea state code s . The p re sented m arine environm ent mode ling and sim u la tion m ethod s are very impo rtant fo r choo sing the contro l strategy and debugging the software and ha rdwa re configuration fo r D P system , which estab lishe s the founda tion s fo r the rea l - tim e sim u la tion of dynam ic po sitioning of ve ssels . KEYW O RD S:D ynam ic po sitioning (D P) ; M a rine environm ent; Modeling; Sim ulation

1 　引言
为了在海上恶劣环境下顺利完成海上作业 , 现代工作船 舶以及其它浮式生产系统 (包括半潜平台 , 钻井平台 ) 大都 加 装 了 动 力 定 位 系 统 。 船 舶 的 动 力 定 位 (D ynam ic
Po sitioning,简称 D P) ,是指在有风 、 、 浪 流的干扰情况下 , 不

借助锚泊系统 ,利用自身的推进装置使船舶保持一定的位置 和角度或按照预定的运动轨迹运动 。 在本文中 , 我们引入两种坐标系 , 大地坐标系 XE YE ZE 和随船坐标系 XV YV ZV ,如图 1 所示 。 对于水面船舶来说 , 动力定位系统的主要目的是实现 对水平面的位置和艏向 (即纵荡 ,横荡和艏摇 )三个自由度的 控制 ,如图 2 所示 。影响这三个物理量定位精度的主要因素
图 1　 大地坐标系和随船坐标系 收稿日期 : 2005 - 10 - 10

— 237 —

来自 传 感 器 误 差 、 阵风 、 浪 与 流 的 波 干扰和推力器的响 应 速 度 等 。因 此 , 对外界环境的研究 是船舶动力定位控 制系统设计中一个 不容 忽 视 的 问 题 。 本文分别对动力定 位船舶在海上受到 的风 、 和 流 的 作 浪 用进行了研究和实 时仿真 。仿真程序 可以用于实际的动 力定位船舶系统 。
图 2　 船舶的三自由度运动示意图

uw =Vw cos (β - ψ) w vw =Vw sin (β - ψ) w (1)

其中 , Vw 和 β 分别表示风速和风向 ,见图 1。假设风速 w 远大于船速 ,这样 ,风在纵荡 、 横荡和艏摇方向的负荷向量可 表述为 ρ 0. 5 a Awx Cwx (γ ) | uw | uw w τ ind = 0. 5 a Awy Cwy (γ ) | vw | vw ρ w w ρ 0. 5 a AwyLoa Cwψ (γ ) | vw | vw w 风的相对角为 γ =β - ψ w w
( 3) (2)

本文中 ,我们取 20 ℃下的是空气密度 ρ = 1. 22Kg/m3 , a 船全长 Loa = 100m ,船未浸水部分在 xz - 平面和 yz - 平面的 横向和纵向投影面积分别为 Awx = 400m2 和 Awy = 1000m2 。
Cwx (γ ) , Cwy (γ )和 Cw (γ ) 分别为纵荡 、 横荡和艏摇方向 ψ w w w

的无因次风系数 ,是通过 Isher ood 半经验公式得到的 。我们 w 在 MA TLAB 6. 5 环境下 ,编制了求解风力和力矩的程序 ,分别 以相对风速为 10m / s 和 20m / s 为例进行仿真 , 计算得到纵 荡、 横荡和艏摇方向的风力和力矩曲线如图 3 所示 。

2　 风的建模与仿真
风的作用可以划分为平均的缓慢变化的风和快速变化 的风 。将风速分量定义为

图 3　 风在纵荡横荡和艏摇三个方向上的力和力矩曲线

　　 由以上力和力矩曲线可知 ,仿真结果在合理范围内 。因 此 ,只要给定风速和风向 ,通过运行我们编制的仿真程序 ,就 能计算得到风对船在水平面三个自由度上的扰动负载 , 这样 可以仿真出风对动力定位船的影响 ,可以有的放矢的设计相 应的控制器进行有效的补偿 。

3　 随机海浪的仿真
在研究船舶在随机海浪作用下的运动特性和船舶动力 定位系统在海浪作用下的动态响应时 ,经常把海浪作为一个 平稳随机过程来处理 。我们采用长峰波海浪进行研究 ,假定

— 238 —

海浪是二因次的且只有一个固定前进方向 ,每个垂直于波前 进方向的波峰线是无限长的 。我们编写 MA TLAB 文件 , 运用 动态系统仿真工具 S I UL IN K进行建模 , 如图 4 所示 。 M

率和初相位 。考虑海面上固定的波浪 ,不失一般性 ,设在 ξ =
0 和 η = 0 处 ,在仿真条件下 , 考虑到实际应用 , 可以忽略高

次谐波 ,则定点长峰波海浪方程可以写成 ζ( t) = ∑ ai cos (ωi t +εi ) ζ
i=1 n

(5)

海浪的谐波幅值 ζ 均是均匀微小量 ,由海浪知识 , 随机 ai π 初相位 εi 是在 0 ～2 之间均匀分布的随机变量 。 海浪的实时仿真是一个比较复杂的问题 。如果用规则 波研究这些问题 ,由于不反映实际的海浪 , 所以结果常常不 令人满意 。其它的一些仿真方法 , 或能用于某种特定场合 , 或仿真速度太慢 ,不能为实时分析所利用 。本文采用的方法 不仅能仿真多种长峰波海浪 ,而且可以灵活地改变它地参数 来满足各种使用要求 。 仿真过程主要分为以下几步 。首先 ,确定预仿真海浪的 频谱形式 ,选用 P - M 谱和 ITTC 谱等 ,确定所选海浪的有关 参数 (如有义波高 、 特性周期 、 风速等 ) 。我国近海的海浪谱 谱密度可以表示为
A B S (ω) = 5 exp ( - 4 ) ζ ω ω (6)

我们采用一种常被使用的 B retschneider谱作为仿真谱 ,
图 4　 海浪仿真的动态模型

则 A = 2760h2 /3 / T4 , B = 690 / T4 。取三级海况 下 , 有 义波高 1 1 1
h1 /3 = 0. 9m ,峰值频率 w0 = 0. 8 rad / s进行谱密度计算 ,所得谱

我们对平均浪向 α ean = 0 ° , 有义波高 h1 /3 = 0. 9m , 峰值 m 频率 w0 = 0. 8 rad / s的三级海况下的长峰波的实际海况进行 仿真 ,结果如图 5 所示 。

密度曲线如图 6 所示 。

图 5　 三级海况的长峰波实时仿真

图 6 　h1 /3 = 0. 9m 的 B retschneider谱

由仿真出的海况可以看出 , 仿真结果符合长峰波有无 穷长的 、 单向的 、 不同间距的波峰彼此保持平行的二因次不 规则波浪的特征 。 假定随机长峰波海浪可以看成由无数个不同波幅和波 长的谐波叠加而成 ,每个谐波都有同一个前进方向 。根据海 浪理论 ,海面上某一点随机海浪的波高可以用 ( 4 )式表示 ζ( t) = ∑ ai cos ( kξ μ + kηsin - ωi t +εi ) ζ μ i cos i
i=1

然后 ,根据等间隔法在采样频率 ω1 ,ω2 , …,ωn 下对所得 波谱进行离散化采样 ,求得 S (ω1 ) , S (ω2 ) , …, S (ωn ) , 又由 海浪理论 ,得波幅 ζ 和频谱之间存在如下关系 ai
Δ ω

1 2 ω ∑ ζ = S (ωi )Δ i 2 ai

( 7)

Δ 趋于无限小时 ,Δ 区内得单元波趋于确定频率得谐 ω ω
(4)

∞

波 ,故 ( 7 )式可变成 :
(下转第 246 页 )

式中 ,ζ , ki ,ωi ,εi 分别为第 i次谐波的波幅 、 波数 、 角频 ai

— 239 —

统是当前加工制造业普遍需要推广应用的 ,数控仿真教学方 式也必将在数控机床操作人员培训中成为一种重要的教学 手段 。 参考文献 :
[ 1 ] 　戴露思 ,等 . 基于网络服务的数控仿真服务系统的研究 [ J ].

[ 5 ] 　 Y S Tarng, W S Chang D ynam ic NC sim u lation of m illing . op eration s[ J ]. ( 12) : 769 - 775. Compu ter - A ided D esign, D ec. 1993, 25

[作者简介 ] 蒋杨永 ( 1981 - ) , 男 (汉族 ) , 浙江诸暨人 , 浙江工
业大学之江学院教师 ,主要研究方向为机电工程 , 数 控技术及 CAD /CAM;

电气技术与自动化 , 2003, ( 2) : 57 - 59.
[ 2 ] 　马莉敏 ,等 . 建设现代数控技术实践教学基地 培养学生综合

能力 [ J ]. 实验室研究与探索 , 2001, 20 ( 2) : 85 - 87.
[ 3 ] 　蒲志新 . 数控实验教学仿真软件的开发 [ J ]. 制造业自动化 , 2003, 25 ( 3) : 22 - 23. [ 4 ] 　乔咏梅 ,等 . 数控仿真技术的回顾与评述 [ J ]. 计算机辅助设

王海根 ( 1967 - ) ,男 (汉族 ) , 江西乐平人 , 实验师 ,
工程硕士 ,主要从事 CAD /CAM 和数控方面的教学 与研究 ;

秦春节 ( 1969 - ) ,女 (汉族 ) ,安徽芜湖人 ,实验师 ,工程硕士 ,主要从
事 CAD /CAM 技术等方面的实验教学及研究 。

计与图形学学报 , 1995, 7 ( 4) : 311 - 315.

(上接第 239 页 ) vc =V c sin (βc - ψ) ( 9)

其中 , V c 和 βc 分别代表流速和流向 , 如图 1 所示 。这 里 ,我们没有考虑艏摇方向的流速 。海流对水面船舶的作用 可以通过将各海流速度分量引入到船的运动方程中由相对 速度向量 υ = [ u - uc , v - vc , r] T 体现 。 r

5 　结束语
研究动力定位船舶在海上受到的外界环境的作用有着 重要的意义 , 根据船舶的运动性能及环境因素的影响 , 可以 为船舶控制系统提供控制策略 , 同时还可以用来调试动力定 位控制仪的软硬件配置 , 实现动力定位的实时模拟 。 本文中 所设计的海洋环境的仿真程序具有很大的通用性和灵活性 , 可用于实际的动力定位船舶系统的分析和设计 。 参考文献 :
[ 1 ] 　 T Fossen, S h ips[ C ]. et a l . P roc . Iden tif ica tion of D ynam ica lly Positioned O f the 3 rd IFAC W orkshop on Con trol

图 7　 长峰波随机海浪仿真曲线

ζ = ai

ω 2S (ωi )Δ

( 8)

A pplica tions in M a rine S ystem s: N or ay, 1995. w

确定在每种特定的频率下的各个谐波的幅值 ζ ,初相位 ai εi 后 ,根据 ( 5 ) 式把每个谐波叠加起来就得到了如图 7 所示 的仿真的长峰波随机海浪 。

362

-

369, T rondheim ,

[ 2 ] 　 T Fossen. Gu idance and Con trol of O cean V eh icles[M ]. N ew York: W iley, 1994. [ 3 ] 　 M A Isher ood. W ind R esistance of M erchan t S h ips[ J ]. T rans w .

4　 海流干扰的作用
作用在海上动力定位船舶上的海流具有方向和速度的 特征 。研究中 ,一般不考虑在大地坐标系下铅垂方向运动 。 海流分为恒定流和潮汐流 。恒定流一般为固定方向和速度 的海流 ,如洋流 。而潮汐流指海洋因为潮汐运动而引起的海 水流动 ,其典型的表现为海流方向的缓慢变化 。但对于每次 动力定位来说 ,海流的大小与方向可以认为是确定的 。所以 海流的模型可以统一按照大小和方向恒定来确立 。 流的速度分量表示为
uc =V c cos (βc - ψ)

Inst N ava l A rch. R INA, 1972, 115: 327 - 338. . [ 4 ] 　 T ristan Perez . A n In troduction to M a rine Cybernetics[ R ].

CeSOS S em ina r N or eg ian U n iversity of S cience and Technology . w N TNU. N or ay, 2005. w

[作者简介 ]

施小成 ( 1957. 8 - ) ,男 (汉族 ) , 福建人 , 教授 , 博士
生导师 ,主要研究方向 : 船舶动力定位系统及水下机 器人的综合运动控制 ;

王元慧 ( 1981. 9 - ) , 女 (汉族 ) , 吉林临江人 , 博士
研究生 ,主要研究方向为船舶动力定位系统的设计 与仿真 。

— 246 —



更多相关文档:

船舶动力工程毕业论文选题

船作业视景仿真及软件开发集成技术研究 船舶动力定位...仿真分析 柴油机缸套活塞环系统状态及其辨识模型 船舶...船舶与海洋工程毕业论文 5页 免费喜欢此文档的还喜欢...

动力定位关键技术与展望

船舶动力定位控制技术的热点展望[4]: 1,二阶波浪...该控制模式由两部分组成:环境补偿器和模型预测控制器...船舶船型有:半潜钻井平台、海洋调查船、海洋监察船、...

船舶动力定位现在很有前景的

船舶动力定位现在很有前景的, 主要应用领域就是在多用途工程船, 油田服务船, 海洋工程, 海洋石油平台等领域。 尤其是海洋石油领域需求很大, 因为围绕海洋工程的...

船舶动力定位系统的限幅LQR控制器设计

并通过仿真分析,印证了 该控制方法的有效性。 【关键词】船舶动力定位;lqr;...流等未建模的环境扰动力;惯性参数矩阵,M 包括重量惯性和水动力附加的惯性,D ...

动力定位

动力定位_专业资料。船舶动力定位动力定位 动力定位是...海洋资源开发在中国沿海的迅猛发展,与其相关的海洋...部分试 验应该在能够对船位实施精确监控的环境下进行...

船舶与海洋工程毕业论文选题

起重船对南海海况的适用性研究 海洋工程结构单元入水砰击分析与仿真模拟 基于 ...现代船舶动力定位系统的建模研究 船舶动力定位系统控制器设计 船舶性能数值水池的...

上海海事大学CMAR课程动力定位

重大件货物转运,环球邮轮停泊,沉船勘察打捞和清除,水雷清除,挖泥船作业,海洋科 ...维护课程包括动力定位系统的一般介绍,DP 系统架构,重点强调故障诊断的分析模型。...

工程船舶动力定位系统失效原因及风险控制措施分析_图文

工程船舶动力定位系统失效原因及风险控制措施分析_电力/水利_工程科技_专业资料。...在最 不利的情况,这样的事故还可能引发海底的井喷事故,给作业海域的安全、环境...

2012年哈尔滨工程大学自动化学院_图文

夏国清:30 分钟～40 分钟 题目:海洋运载器控制技术 4.王科俊:30 分钟～40 ...线性模型预测控制的船舶动力定位控制器设计 UUV 作业机械手的运动建模与仿真 水...

船舶航向实验系统及航向控制器的设计与仿真课设报告

船舶动力定位系统的使用 3页 2下载券 小型船舶自动...在实物仿真中通过串口将计算机与船舶模型连接构成闭环...Matl ab 环境中的 Simulink 仿真工具箱和 GUI 界面...

更多相关标签:

  本文关键词：现代船舶动力定位系统的建模研究，，由笔耕文化传播整理发布。