实例介绍
对船舶数学模型的各个推进器参数进行系统辨识,具有实际价值
李文华,等:船舶动力定位系统数学模型参数辨识方法研究 针对动力定位技术的发展,我国研究人员也进 表1离散时间摘要扩展卡尔曼滤波 行了积极有益的探索。文献[]用固定增益的卡尔 f(k+1)=F((k),(k)+vw(k) 曼滤波估计低频运动,而高频运动则用一个参数模 系统模型量测|/(k)~N(O,Q(k》)x(k)=H((k)(); 型来模拟,并用递推增广最小二乘法来估计参数,从 u(k)-N(0,Q(k) 而估计出船舶的髙频运动。通过控制计算和模拟试 初始情况1(0)+5np(0)= 验取得了良好的效果。文献[12]提出了水面舰船 动力定位控制系统模型参数的离线最速下降寻优的 状态估计传递|(k+1)=F((k),() 误差协方差传递 辨识方法,提高了动力定位系统研制过程的工作效 P(h+1)=(h)P()(k)+r(kQ(k )r(k) 率。文献[13]在建立船舶三维几何模型基础上,对 K()=P(k)HT(k)H()(kH()+R()]- 满载船舶从浅水40m到深水500m的水动力系状态估计更新)=()1)(( 数进行数值计算。利用三维线性势流理论在频域误差协方差更新P)=kk)H(FLK)H()y 里研究船舶在浅水中的辐射问题,应用三维源汇分 K()R(k)K(k) 布法对不同水深下船舶运动的水动力系数,包括附 定义 φ(k)=0() JH(-) 加质量和阻尼系数进行数值计算与分析,得出了有 (k) H(k)= 0(k) 限深水域的附加质量和阻尼系数的渐进特性。文献 14]考虑具有修正PM波谱的长峰不规则浪,基于尾部隧道式侧推m,艏部隧道式侧推,艄部方 海浪幅值响应算子(RAO研究了船舶在海浪中的六角式推进器。质量阵M可利用文献9]里介绍 自由度运动预报模型。为了有效地量化海洋环境对的 Strip Theory计算得到: 动力定位船舶的作用,文献[5提出了海洋环境负从/112740 0 018902-00744 载(包括风、海浪和海流)的建模方法,并运用 0 0.07440.1278 MATLAB的M文件和SIMUⅠNK分别编制了风干 为了得到需要辨识的量需重复进行3项(每项 扰力和力矩计算及随机海浪的仿真程序。在三级海2次,共6次)海上试验,以此提高参数估计器的收 况下,实现了对海洋环境的仿真,得到了合理的仿真敛性和表现。具体如下 结果。文献[1]考虑到船舶的动态特性存在固有的 第1项:解耦了的纵荡运动。船舶仅依靠主螺 强非线性以及非线性控制改善系统性能和鲁棒性的旋桨山和实现恒速前进,艏向通过艏侧推控制。 能力,将非线性控制理论应用到船舶动力定位控制第2项:结耦了的横荡与艏摇运动。通过三个隧道 系统的设计中,对某供应船的计算机模型进行仿真,式推进器砌、4、实现两次结耦了的横荡与艏摇运 验证了非线性控制系统是有效的。文献[17]提出并动。第3项:在结耦的横荡与艏摇运动中得到方位 验证了基于线性核函数在线支持向量回归的模型预角式推进器u的推力系数K6 测控制方案。在线支持向量回归算法的引入可以通 第1项是为了计算主螺旋桨的推力系数K1和 过在线调整,确保预测模型的精确性。 Xa,需要的输入量是X本文中X的计算方法是利 22船舶数学模型参数辨识 用文献[19]里介绍的切片法。第2项是为了计算结 文献[18]讨论了使用两个并行测量序列来估计耦了的横荡与艏摇运动的参数数值,可以辨识出的 动力定位船舶模型参数的离线并行扩展卡尔曼滤波向量为[ YYNNK3K5]第3项是为了计算全方 器算法(O- line parallel extended Kalman filter位推进器的推力系数K6 ( EKF) Algorithm),见表1。最后采用一项以供给船 使用动量方程来代替标准动力学方程,不仅可 为对象的全尺度的海上试验来验证提出的参数估计以显著提高状态和参数估计器的性能还具有以下 器的收敛性和鲁棒性。 优点: 实验对象以挪威ABB公司的“ Far Scandia”号供 (1)增加数据冗余度; 给船为原型。该船总长762m,船宽18:8m,型深 (2)降低量测噪声; 825m,吃水625m,净吨位4200t,主发动机功率 (3)降低环境干扰; 3533kW。推进器配置左右舷两个主推进器u1、l2, (4)增加数据记录长度 第23卷第3期(总第135期) 船羔 vd.23N.3 012年6月 shiP boat June, 2012 (5)以对参数分批进行辨识等手段提高参数辨风。将风速分量定义为 识的精确度。 L=v,cos(ψ 图2显示了实验辨识得到的A和。其中A包 (5) W V sin(B-0) 含的待求未知量[XyYM而R包含的待求末式中和v分别为风速在X轴和Y轴的分量;v 知量是[kk2k3k4k5k6]。 和月分别表示风速和风向。如图1所示。假设风速 远大于船速,风在纵荡、横荡和艏摇方向的负荷向量 可表述为 As elements .pAcM(o)V, IV 0.5p.A_C-(r )V,V 6) 0.SpA,Lo C(rm)VV. 式中,风的相对角为y=ψp为空气密度,单位 e号 为kgm3;Lm为船舶总长,单位为m;V为相对风速, 103 K elements 单位为kn;A-和A为正投影面积和侧投影面积, 20 15 单位均为m2;C(y)Cn(y)和C(4)分别为纵荡 横荡和艄摇方向的无因次风系数,是通过 Isherwood 半经验公式得到的。 00 003,波浪扰动数学模型 波浪干扰力一般分为两种:一种是一阶波浪干 图2实验辨识得到的参数曲线 扰力,也称高频波浪干扰力。这是在假设波浪为微 幅波,未引起船舶大幅摇荡的情况下,认为船舶受到 经实验辨识出的动量方程中的量: 与波高成线性关系并且与波浪同频率的波浪力。另 0.0318 0 种是二阶波浪力,也称波浪漂移力该波浪力与波 A 0 00602006l8 高平方成比例。 0.0075_0.2454 这种具有高频率小振幅振荡特性的波浪所产生 K=103ding([93,93,20,2.0,28,26] 的一阶波浪干扰力最主要是引发船舶的纵摇和垂荡 经过计算公式D-M得到 运动,对横摇的影响稍次之,而对横荡及艄摇运动的 002820 影响相对来说就小一些。至于具有慢时变特性的二 0 0.013 04759 00.081419676 阶波浪干扰力,本身同时又是非线性的,它仍然和波 写成动力定位模式下的状态空间表达式为: 浪的频率有关。波浪的二阶漂移力不但会改变船舶 元=AU+Bx (4)疔的航向和航迹,尤其对于在锚泊状态下船舶位 置的移动及钻井平台的动力定位系统的工作等均有 式中A=MA4M,并且B=MTK。其数值表达式为:重要影响 003180 0 0.062800030 下面介绍一种估算二阶波浪漂移力方法。1974 0.0046-0.2428 年, Newman提出一种应用频域波浪漂移力系数的 00082000820 0 0 估算方法。通过把波谱(通常选用PM谱)分为N 0∞505-069000108等份,每份有相对应的波浪频率m和波幅A。这样 波浪漂移力对横荡、纵荡、艏摇运动的作用力计算公 3环境扰动数学模型 式为1 31风扰动数学模型 A,(T(W,B=-y)1(W+) 风的作用可分为平缓变化的风和快速变化的 李文华,等:船舶动力定位系统数学模型参数辨识方法研究 [5] Fossen T L. Handbook of Marine Craft Hydrodynamics and 式中,T()x0是频域波浪偏移力公式fB是平均 Motion Control[M]. Wiley Sons Ltd, 2011: 81-83. 波浪方向:是随机的相角。 [6] Balchen J G, Jenssen N A, Saelid S Dynamic Positioning 可以通过对本估算式进行改变,以避免在数值 Using Kalman Filtering and Optimal Control Theory[C]/ 上产生无物理意义的高频分量。还可对本式进行扩 Proceedings of IFAC/IFIP Symposium on Automation in 展,用来包括波浪蔓延( wave spreading)。 Offshore Oil Field Operation Norway 1976: 183-186 33海流扰动数学模型 [7]Balchen J G, Jenssen N A Mathisen E, et al. Dynamic 作用在海上动力定位船舶上的海流具有方向和 Positioning System Based on Kalman Filtering and Optimal Control[J]Modeling, Identification and ControL 1980, 1(3) 速度的特征,研究中一般不考虑在大地坐标系下铅 135-163 垂方向运动。海流分为恒定流和潮汐流。恒定流一般[8] Strand JP, Fossen t inonlinear Passive Observer Design 为固定方向和速度的海流,如洋流。潮汐流指海洋 for Ships with Adaptive Wave Filtering, In: New Directions 因为潮汐运动而引起的海水流动,其典型的表现为 in Nonlinear Observer Design(Nijmeijer H, Fossen T L) 海流方向的缓慢变化。但对于动力定位来说,海流 [M].London: Springer-Verlag London Ld, 1999: 113-134 的大小与方向可以认为是确定的,所以海流的模型[9] Guttorm t, Jerome J, Fosset I. Nonlinear Dynamic 可以统一按照大小和方向恒定来确立。流的速度分 Positioning of Ships with Gain-Scheduled Wave Filtering 量表示为5: [C]//The Proceedings of 43rd IEEE Conference or L=V2cos(ψ) Decision and Control, Atlantis, Paradise Island, Bahamas Decemher2004:5340-5347 ve=y sin(8-n) 式中:和v分别为流速在X轴和y轴的分量;V10 i Do K d. Global Robust and Adaptive Output Feedback Dynamic Positioning of Surface Ships[C]/The Proceedings 和月分别代表流速和流向。如图1所示。 of 2007 IEEE Internati 在此没有考虑第摇方向的流速,而海流对水面 Automation. Roma, April 2007: 10-14 船舶的作用可以通过将各海流速度分量引人到船的1]王晓声船舶动力定位系统设计及试验研究门J国造 运动方程中由相对速度向量v=[u-,-a,r丁体现。 船,1991(3):12-21 [12]边信黔,严渐平,施小成船舶动力定位系统参数辨识 4结论 方法的研究[J]船舶工程,19994):36-38 [13]姜哲,石珦,王磊动力定位船舶水动力参数数值试验 本文讨论了船舶及推进器动力学数学模型与船 研究[门]实验室研究与搡索,2005(12):14-17. 舶外界环境干扰因素数学模型的建模策略。通过对14]李文魁张博田蔚风等.一种波浪中的船舶动力定位 已有研究方法的分析研究与总结,有助于建立适用 运动建模方法研究[]仪器仪表学报,2007(6):1051 于各种海况和操作模式的船舶动力定位系统非线性 数学模型。 [15]施小成王元慧船舶动力定位海洋环境的建模与仿真 J,计算机仿真,2006(11):237-239 [16]刘芙蓉陈辉基于非线性控制理论的船舶动力定位控 [参考文献 制系统的数学模型[〕船海工程,209(5):92-95 [1]杜佳璐,张显库汪思源,等船舶动力定位系统的自适 [17]邓志良,胡寿松,张军峰船舶动力定位系统的在线模 应非线性控制器设计[ C]/proceedings of the2 g chinese 型预测控制[门中国造船,2009(6):879 Control Conference. Beijing, 2010: 585-589. [2]周利,王磊,陈恒动力定位控制系统研究[船海[18] Fossen T I.Identification of Dynamically Positioned Shipe [].Control Engineering Practice, Volume 4, Issue 3, March 程,008,37(2)86-91 1996:369-376 [3]马超庄亚锋陈俊英船舶动力定位系统技术[J中国 [19] FaltinsenO M Sea Loads on Ships and Oishore Structures 造船,2009,50(增刊):52-57 [4]贾欣乐,杨盐生船舶运动数学模型机理建模与数学建 [M].Cambridge University Press, 1990:41-45 模[M]大连大连海事大学出版社,199:294-356 船舶动力定位系统数学模型参数辨识方法研究 旧 WANFANG DATA文献链接 作者: 李文华,杜佳璐,张银东,宋健,孙玉清,陈海泉, LI Wen-hua, DU Jia-lu ZHANG Yin-dong, SONG Jian, SUN Yu-ging, CHEN Hai-quan 作者单位 李文华,张银东,宋健,孙玉清,陈海泉, LI Wen-hua, ZHANG Yin-dong, SONG Jian, suN Yu- qing, chen Hai-quan(大连海事大学轮机工程学院大连116026),杜佳璐, DU Jia-lu(大连 海事大学信息科学技术学院大连116026) 刊名: 船舶 英文刊名: Ship boat 年,卷(期): 2012,23(3) 参考文献(19条 1. Balchen J G; Jenssen N A; Mathisen E Dynamic Positioning System Based on Kalmon Filtering and Optimal Control 1980(03) 2. Balchen J G; Jenssen N A; Saelid S Dynamic Positioning Using Kalman Filtering and Optimal Control Theory 1976 3. Fossen T I Handbook of Marine Craft Hydrodynamics and Motion Control 2011 4贾欣乐;杨盐生船舶运动数学模型机理建模与数学建模1999 5.马超;庄亚锋;陈俊英船舶动力定位系统技术2009(增刊) 6.周利;王磊;陈恒动力定位控制系统研究[期刊论文]船海工程2008(02) 7. Faltinsen 0 M Sea Loads on Ships and Offshore Structures 1990 8. Fossen t I Identification of Dynamically Positioned Ships 1996 9.邓志良;胡寿松;张军峰船舶动力定位系统的在线模型预测控制2009(06) 10.刘芙蓉;陈辉基于非线性控制理论的船舶动力定位控制系统的数学模型[期刊论文]船海工程2009(05) 11.施小成;王元慧船舶动力定位海洋环境的建模与仿真[期刊论文]计算机仿真2006(11) 12.李文魁;张博;田蔚风一种波浪中的船舶动力定位运动建模方法硏究[期刊论文]仪器仪表学报2007(06) 13.姜哲;石珣;王磊动力定位船舶水动力参数数值试验硏究[期刊论文]实验室硏究与探索2005(12) 14.边信黔;严浙平;施小成船舶动力定位系统参数辨识方法的硏究[期刊论文]船舶工程1999(01) 15.王晓声船舶动力定位系统设计及试验研究1991(03) Do K d Global robust and Adaptive Output Feedback Dynamic Positioning of Surface Ships 2007 17. Guttorm T; Jer(o)me J; Fossen T I Nonlinear Dynamic Positioning of Ships with Gain-Scheduled Wave Filtering 2004 18. Strand J P; Fossen T I Nonlinear Passive Observer Design for Ships with Adaptive Wave Filtering 19.杜佳璐;张显库;汪思源船舶动力定位系统的自适应非线性控制器设计2010 本文链接http://d.g.wanfangdata.comcn/periodiCalcb201203011.aspx 【实例截图】
【核心代码】
标签:
小贴士
感谢您为本站写下的评论,您的评论对其它用户来说具有重要的参考价值,所以请认真填写。
- 类似“顶”、“沙发”之类没有营养的文字,对勤劳贡献的楼主来说是令人沮丧的反馈信息。
- 相信您也不想看到一排文字/表情墙,所以请不要反馈意义不大的重复字符,也请尽量不要纯表情的回复。
- 提问之前请再仔细看一遍楼主的说明,或许是您遗漏了。
- 请勿到处挖坑绊人、招贴广告。既占空间让人厌烦,又没人会搭理,于人于己都无利。
关于好例子网
本站旨在为广大IT学习爱好者提供一个非营利性互相学习交流分享平台。本站所有资源都可以被免费获取学习研究。本站资源来自网友分享,对搜索内容的合法性不具有预见性、识别性、控制性,仅供学习研究,请务必在下载后24小时内给予删除,不得用于其他任何用途,否则后果自负。基于互联网的特殊性,平台无法对用户传输的作品、信息、内容的权属或合法性、安全性、合规性、真实性、科学性、完整权、有效性等进行实质审查;无论平台是否已进行审查,用户均应自行承担因其传输的作品、信息、内容而可能或已经产生的侵权或权属纠纷等法律责任。本站所有资源不代表本站的观点或立场,基于网友分享,根据中国法律《信息网络传播权保护条例》第二十二与二十三条之规定,若资源存在侵权或相关问题请联系本站客服人员,点此联系我们。关于更多版权及免责申明参见 版权及免责申明
网友评论
我要评论