基本信息
- 項目名稱：
- 船舶操縱計算機仿真及其航向模糊智能控制
- 小類：
- 機械與控制
- 大類：
- 自然科學類學術(shù)論文
- 簡介：
- 目的：為了更好地了解船舶的非線性，大慣性等復(fù)雜的操縱性能，能夠用經(jīng)濟直觀的方法體現(xiàn)船舶的應(yīng)舵能力的測試平臺，同時找到一中比現(xiàn)有PID更好的航向控制智能方法。 基本思路：找到一艘標準船的基本數(shù)據(jù)，運用船舶響應(yīng)型運動數(shù)學模型原理，建立這艘船的運動數(shù)學模型，利用計算機仿真技術(shù)和Visual C＋＋編程語言建立船舶的操縱平臺，結(jié)合船舶駕駛員的操舵經(jīng)驗，利用模糊控制理論設(shè)計船舶航向智能控制器
- 詳細介紹：
- 摘要：為了更好地掌握船舶的非線性，大慣性等復(fù)雜的操縱性能，為船舶操縱的教學以及相關(guān)科研提供一個經(jīng)濟方便的平臺，同時找到一種比較好的航向控制智能方法，本文從狀態(tài)空間型的非線性船舶運動數(shù)學模型原理出發(fā)，研究了二階響應(yīng)型模型，就某一艘船舶的數(shù)據(jù)，建立了這艘船舶的響應(yīng)型運動數(shù)學模型，并且基于這個船舶運動數(shù)學模型，運用Visual C++計算機語言，建立船舶操縱計算機仿真平臺。又基于這個船舶操縱平臺，利用模糊控制理論，結(jié)合船舶駕駛員的操船經(jīng)驗，提出一種船舶航向模糊控制方法。仿真試驗結(jié)果表明，該方法能教好地控制具有很大慣性的船舶航向。 關(guān)鍵詞：船舶操縱；計算機仿真；船舶運動數(shù)學模型；航向控制；模糊智能控制 1 引言 目前船舶操縱和運動控制問題的重點研究領(lǐng)域是船舶運動數(shù)學模型的建立和船舶運動控制器的設(shè)計。建立一個復(fù)雜程度適宜、 精度滿足要求的數(shù)學模型對于進行船舶操縱系統(tǒng)研究是至關(guān)重要的。太復(fù)雜和精細的模型可能包含難于估計的參數(shù)，建立的成本也會很高，過于簡單的模型則不能描述系統(tǒng)的重要性能，這就需要我們建模時要考慮實用性，也要考慮可行性。目前在船舶運動模型化研究中有兩大流派，一種是歐美學派，它采用的是整體模型結(jié)構(gòu)；另一種是日本學派，通常稱為MMG學派(Manoeuvring Model Group)，它發(fā)展的是分離型模型結(jié)構(gòu)[1]。整體型模型結(jié)構(gòu)的研究者以Abkowitz為代表，它的模型化方法論是把船、漿、舵看作一個不可分的整體。分離型模型MMG認為操縱性數(shù)學模型應(yīng)按下述原則建立：(1)應(yīng)以船、漿、舵的單獨性能為基礎(chǔ)；(2)應(yīng)能簡潔地表示船-漿-舵的干擾效應(yīng)；(3)能合理地表達作用于船舶上的各種流體動力。響應(yīng)型模型是船舶運動數(shù)學模型的另一種表達形式。50年代末野本(Nomoto)從控制工程的觀點將船舶看成為一個動態(tài)系統(tǒng)，舵角為系統(tǒng)的輸入、首向角或轉(zhuǎn)首角速度為系統(tǒng)的輸出，首先從簡捷的物理考察上，建立了描述系統(tǒng)輸出對輸入的響應(yīng)關(guān)系的線性數(shù)學模型一階響應(yīng)模型。以后根據(jù)不同的需要，建立了非線性響應(yīng)型模型。這些模型的一個重要的特點是：模型參數(shù)可直接以規(guī)定的實船試驗中獲得，從而避免了狀態(tài)空間型的模型(如MMG模型)參數(shù)需用船模型試驗獲得的缺陷，這就自動消除了尺度效應(yīng)。因此響應(yīng)型船舶運動數(shù)學模型在船舶操縱性的研究領(lǐng)域中，及在船舶航向、航跡自動控制研究中，在早期的航海仿真器、操縱仿真器研制中都得到了廣泛的應(yīng)用。它實質(zhì)上為船舶運動數(shù)學模型的研究開辟了一個新領(lǐng)域。 隨著計算機技術(shù)的發(fā)展，人們想到利用計算機模擬技術(shù)來研究和預(yù)測船舶交通系統(tǒng)中所發(fā)生的問題，即進行船舶交通系統(tǒng)模擬。在國外，日本在船舶交通系統(tǒng)模擬方面做了不少工作。日本的黑田勝彥建立了港內(nèi)航行安全評價的模擬模型和港內(nèi)航行安全評價的模擬模型；原潔、井上欣三等人運用SJ方法與網(wǎng)絡(luò)模擬相結(jié)合，對東京灣水域進行了模擬評價。英、美、西歐有關(guān)船舶交通系統(tǒng)的基礎(chǔ)研究代表作首推西歐共同體各國的合作研究成果《COST301》（Cooperation of Science and Technology）,其報告對西歐船舶交通進行了調(diào)研論述。近幾年，挪威的Norcontrol公司、英國的Transas公司相繼開發(fā)了一系列多功能，交互式船舶交通管理系統(tǒng)（VTS）、船舶交通、船舶操縱模擬器。在國內(nèi)，對船舶交通模擬的研究起步較晚，大連海事大學方祥麟教授的課題組在承擔天津港新港VTS技術(shù)論證項目的基礎(chǔ)上，首次進行了“船舶交通系統(tǒng)GPSS模擬及應(yīng)用”和船舶交通微—宏觀模擬的研究，完成了“船舶航運交通安全系統(tǒng)模擬仿真技術(shù)的研究”等項目。 航向控制仍是船舶自動駕駛的一個主要任務(wù)。目前在時間生產(chǎn)中大多數(shù)航向自動控制是基于固定增益的ＰＩＤ控制，雖然增益能由用戶自行調(diào)整，但這需要有相當?shù)慕?jīng)驗來得到最佳值，大多數(shù)情況下難以達到滿意程度。智能理論的發(fā)展，更新更好的傳感器和計算機技術(shù)的應(yīng)用，使得應(yīng)用智能方法來提高船舶自動操縱水平成為可能。當前國內(nèi)外的研究人員主要利用模糊集理論、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和專家系統(tǒng)來設(shè)計船舶航向控制器[2][3] ，這些控制器大都基于早期的船舶運動數(shù)學模型“育美”輪”和“Mariner”輪進行。 2 響應(yīng)型船舶運動數(shù)學模型 從本質(zhì)上看船舶的動態(tài)特性都非線性的，線性響應(yīng)模型僅是對這種動態(tài)特性的一次近似。操舵響應(yīng)的非線性來源于兩個方面：一是船舶縱向速度的變化，二是流體動力的非線性特性。當船舶的運動幅度較大時，船速的影響不可忽略，它會影響船舶的其他運動特性。野本推導得出的一種非線性轉(zhuǎn)首響應(yīng)模型如下[4] (1) 這時非線性影響已經(jīng)由 體現(xiàn)， 是常數(shù)，公式(1)即為非線性轉(zhuǎn)首響應(yīng)模型。 這里以集裝箱船“民河”輪為標準船，其船舶主要數(shù)據(jù)為：兩柱間長 為224.5米 ，船寬 為32.2米，滿載吃水12.0米，方形系數(shù)0. 708，船速 為19.2節(jié)，舵葉面積38.0平方米，排水量61416.73 立方米，由這些數(shù)據(jù)根據(jù)公式（2）（3）（4）（5）可計算出船舶 Nomoto 模型的 K , T參數(shù)[5] （2） （3） （4） （5） 式中，m、 、 和 分別為船舶的質(zhì)量、附加質(zhì)量、慣性矩和附加慣性矩，符號“ ”表示無量綱量。 3 船舶操縱計算機仿真平臺 3.1 船舶操縱系統(tǒng)及其仿真步驟 船舶操縱系統(tǒng)由船員、船舶和操船環(huán)境三個子系統(tǒng)構(gòu)成，是一個復(fù)雜的系統(tǒng)。研究船舶操縱系統(tǒng)可以對其原型進行研究，即進行實船試驗，但在這種原型系統(tǒng)上做試驗費用太高并且很危險或者可能發(fā)生嚴重的破壞。為了減少研究費用，可以采用系統(tǒng)仿真的方法研究船舶操縱系統(tǒng)，這主要指在水池中對船舶操縱進行試驗和利用計算機對船舶操縱進行仿真。仿真就是建立系統(tǒng)的模型并在模型上做試驗，計算機仿真是一種對問題求數(shù)值解的技術(shù)，它利用計算機對客觀復(fù)雜系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和行為進行動態(tài)仿真或表演，以安全和經(jīng)濟的方法，得出系統(tǒng)或過程的數(shù)量反應(yīng)結(jié)果，然后經(jīng)過分析研究，觀測發(fā)現(xiàn)、認識了解或比較評價一個系統(tǒng)的行為效果，為決策者提供決策依據(jù)。 采用解析的方法研究船舶操縱系統(tǒng)非常困難，較好的方法是在計算機上對船舶操縱進行數(shù)字仿真。由于在水池中進行船舶操縱試驗費用仍舊較高，所以這里所說的船舶操縱仿真指的是對船舶操縱系統(tǒng)進行計算機的仿真，在計算機上運行船舶操縱過程，以實現(xiàn)對運行中的船舶操縱系統(tǒng)的評價。船舶操縱仿真過程是觀察船舶操縱系統(tǒng)模型中隨時間變化的所有變量。對船舶操縱系統(tǒng)進行仿真，應(yīng)經(jīng)過以下的步驟[6]：1. 問題描述；2. 構(gòu)造仿真模型；3. 數(shù)據(jù)采集；4.模型的確認；5. 仿真程序的編制和驗證；6. 仿真實驗設(shè)計；7. 仿真模型的運行；8. 仿真輸出結(jié)果的統(tǒng)計分析。 3.2 船舶運動數(shù)字仿真 計算機仿真有離散系統(tǒng)仿真和連續(xù)系統(tǒng)仿真之分，在離散系統(tǒng)中，狀態(tài)變量僅在隨機的時間點上發(fā)生瞬間的躍變，而在兩個相鄰的時間點之間，系統(tǒng)的狀態(tài)保持不變。而船舶操縱系統(tǒng)的狀態(tài)隨著時間能作平滑的連續(xù)的變化，所以船舶操縱仿真是連續(xù)系統(tǒng)仿真。連續(xù)系統(tǒng)的動態(tài)特征一般可用常微分方程或常微分方程組來描述，因此，要在計算機上仿真這類系統(tǒng)，就要求解常微分方程。把船舶運動數(shù)學模型寫成微分方程組形式，研究船舶操縱系統(tǒng)的性質(zhì)，歸根結(jié)底是要對這些常微分方程組求數(shù)值解。數(shù)值積分方法主要有歐拉法、梯形法和龍格－庫塔方法[7]。與歐拉法和梯形法相比，龍格－庫塔方法更精確。這里采用四階龍格－庫塔公式，其可滿足仿真精度的要求。四階龍格－庫塔公式由下列一組方程表示。 （6） 式中，函數(shù)f為y在各個點的一階導數(shù)，h為積分間隔△t。函數(shù)f在每個積分間隔中被計算4次。 3.3 船舶操縱仿真平臺 船舶操縱仿真是在Windows XP環(huán)境下，用可視化語言Visual C++ 6.0的軟件開發(fā)平臺作為開發(fā)工具。C語言是一種編譯型語言，它具有書寫簡潔清晰，表達能力強，通用性好的特點。C語言是一種適用于從8位微型機到大型機的通用性語言，用它不但可以編寫操作系統(tǒng)、編譯程序等系統(tǒng)軟件，還可以編寫數(shù)據(jù)處理、過程控制、信息通訊以及人工智能等系統(tǒng)軟件。此外它還具有先進的控制結(jié)構(gòu)和數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。代碼質(zhì)量高、可以執(zhí)行好的特點。最重要的是它提供了大量有效實用的庫函數(shù)，以供開發(fā)者解決各種問題。在進行船舶操縱仿真時，如果在船舶操縱中，需要輸入駕引人員的指令，則時間比例系數(shù)取1，使得駕引人員觀察和決策的情況與事實相符。如果不需要輸入駕引人員的指令，則時間比例系數(shù)取0.1，以節(jié)約時間和資金。圖1顯示了基于“民河”輪船舶響應(yīng)型運動數(shù)學模型的計算機仿真船舶旋回圈測試的數(shù)據(jù)。圖2顯示了用VC＋＋計算機編程語言建立的船舶操縱仿真平臺。為了使船舶操縱的測試簡單、實用，用軟件平臺代替硬件平臺，取消了模擬器中的操縱箱，改用鼠標和人機界面完成船舶操縱指令的輸入，整個仿真過程可在一臺計算機上進行。 圖1：基于響應(yīng)型運動數(shù)學模型的船舶操縱仿真旋回圈 圖2：用VC＋＋計算機語言建立的船舶操縱仿真平臺 4 船舶航向模糊智能控制 4.1 航向模糊智能控制策略 模糊推理是應(yīng)用模糊邏輯使所給輸入與輸出形成映射的過程。這種映射提供了一個制定決策和產(chǎn)生方案的基礎(chǔ)。模糊推理的過程包括隸屬函數(shù)的選擇、模糊變換器的建立和模糊規(guī)則的制定。模糊推理系統(tǒng)采用Sugeno型推理機。構(gòu)造一個模糊推理系統(tǒng)通常稱為模糊建模。知識庫（基于專家經(jīng)驗）能指導學習過程，使初始參數(shù)值盡量接近最優(yōu)值，然后在學習時只要微調(diào)這個知識庫中的參數(shù)從而達到一個好的結(jié)果[8]。 有關(guān)模糊規(guī)則如下： 規(guī)則 k： 如果 是 和 是 , 則 式中， 和 是語言變量?；诖安倏v者的知識庫，根據(jù)表１設(shè)定了 的初始值。在這里語言變量[+B +S ZR -S -B]的值對應(yīng)于舵角值[30o 15o 0o -15o -30o]。 表１ 航向控制選擇的舵角模糊規(guī)則 NB ZR PB NB +B +S ZR ZR +S ZR –S PB ZR –S –B 雖然模糊邏輯提供了一個可行的控制方法，但它要依賴兩個重要因素：知識獲得技術(shù)的魯棒性和專家?guī)斓挠行?，這兩個因素在本質(zhì)上限制了模糊邏輯的實用性，這意味著雖然模糊邏輯系統(tǒng)包含有可以解釋的語言規(guī)則，但它們不能學習。通常是設(shè)計者先制定模糊規(guī)則庫，然后輸入估計參數(shù)值，而性能測量和策略修正都是主觀性的。此外，如果控制對象的動力性能和環(huán)境發(fā)生了變化，精心設(shè)計的模糊系統(tǒng)的性能也會變差。 4.2 航向智能控制方法的應(yīng)用 下面以模擬實驗船“民河”輪來測試上述的智能控制方法。該實驗船的數(shù)據(jù)見上述第二部分。圖3模糊控制器的航向控制結(jié)果，實驗結(jié)果令人滿意?？刂破髂芎芸觳倏v船舶到新的航向且工作穩(wěn)定。 圖3：船舶航向模糊智能控制結(jié)果 5 結(jié)論 本文充分利用計算機仿真技術(shù)和計算機編程語言，在建立標準船的船舶運動數(shù)學模型的基礎(chǔ)上，建立了船舶操縱仿真平臺，并在此基礎(chǔ)上設(shè)計了船舶航向模糊智能控制器，通過仿真平臺測試，控制效果較好。這個操縱仿真平臺和設(shè)計的智能控制方法有一些明顯的特征： ? 船舶的車、舵操縱由鍵盤完成。 ? 能對仿真操縱獲得的數(shù)據(jù)進行處理。 ? 在設(shè)計船舶智能控制方法時，一些參數(shù)采用試湊法確定。 本文建立的響應(yīng)型船舶運動數(shù)學模型中的水動力系數(shù)利用經(jīng)驗公式得到，精確度不是很高，在設(shè)計船舶航向控制器時沒有考慮風、流等外界干擾，這些將在以后的研究工作中得到改善。 參考文獻 [1] 吳秀恒，劉祖源等.船舶操縱性.北京：國防工業(yè)出版社，2005. [2] 劉益劍.船舶航向模型參考模糊自適應(yīng)控制器的設(shè)計.自動化技術(shù)與應(yīng)用，2003,22(5):11-14. [3] 張顯庫，呂曉菲，郭晨等.船舶航向保持的魯棒神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制.船舶力學，2006，10(5):55-58. [4] 楊鹽生.船舶運動控制研究.交通運輸工程學報，2003,3(2):34-39. [5] 賈欣樂， 楊鹽生. 船舶運動數(shù)學模型. 大連：大連海事大學出版社，1999. [6] 方祥麟，姚杰，卓永強.船舶交通及操縱安全系統(tǒng)評價模型與方法.大連:大連海事大學出版社, 2003. [7] 王惠剛，計算機仿真原理及應(yīng)用，第1版.長沙：國防科技大學出版社，1994. [8] 王立新，模糊系統(tǒng)與模糊控制. 北京：清華大學出版社，2003.
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作品專業(yè)信息
撰寫目的和基本思路
- 目的：為了更好地了解船舶的非線性，大慣性等復(fù)雜的操縱性能，能夠用經(jīng)濟直觀的方法體現(xiàn)船舶的應(yīng)舵能力的測試平臺，同時找到一中比現(xiàn)有PID更好的航向控制智能方法。 基本思路：找到一艘標準船的基本數(shù)據(jù)，運用船舶響應(yīng)型運動數(shù)學模型原理，建立這艘船的運動數(shù)學模型，利用計算機仿真技術(shù)和Visual C＋＋編程語言建立船舶的操縱平臺，結(jié)合船舶駕駛員的操舵經(jīng)驗，利用模糊控制理論設(shè)計船舶航向智能控制器
科學性、先進性及獨特之處
- 1、從狀態(tài)空間型的非線性船舶運動數(shù)學模型出發(fā)，研究了二階響應(yīng)型模型，就某一艘船舶的數(shù)據(jù)，建立了這艘船舶的響應(yīng)型運動數(shù)學模型。 2、運用Visual C++程序計算機語言，基于船舶運動數(shù)學模型，建立船舶操縱計算機仿真平臺，有效利用了計算機仿真技術(shù)的優(yōu)勢，在某些研究上克服了實船和在水池做試驗費用高的缺點，在某種程度上可以更方便、經(jīng)濟地研究船舶的操縱性能。
應(yīng)用價值和現(xiàn)實意義
- 1、利用所開發(fā)的船舶操縱計算機仿真平臺，可以有效地了解掌握船舶在航行過程中的各項操縱性能，對船舶的安全航行有更好的指導意義。 2、所研究的船舶航向模糊控制方法是對船舶智能控制的一種探索，在操縱操縱計算機仿真平臺上進行了測試，效果良好，為以后的船舶控制研究作了基礎(chǔ)工作，智能方法在船舶控制上的應(yīng)用，對船舶運營的節(jié)能和安全有很重要的意義
學術(shù)論文摘要
- 為了更好地掌握船舶的非線性，大慣性等復(fù)雜的操縱性能，為船舶操縱的教學以及相關(guān)科研提供一個經(jīng)濟方便的平臺，同時找到一種比較好的航向控制智能方法，本文從狀態(tài)空間型的非線性船舶運動數(shù)學模型原理出發(fā)，研究了二階響應(yīng)型模型，就某一艘船舶的數(shù)據(jù)，建立了這艘船舶的響應(yīng)型運動數(shù)學模型，并且基于這個船舶運動數(shù)學模型，運用Visual C++計算機語言，建立船舶操縱計算機仿真平臺。又基于這個船舶操縱平臺，利用模糊控制理論，結(jié)合船舶駕駛員的操船經(jīng)驗，提出一種船舶航向模糊控制方法。仿真試驗結(jié)果表明，該方法能教好地控制具有很大慣性的船舶航向。 關(guān)鍵詞：船舶操縱；計算機仿真；船舶運動數(shù)學模型；航向控制；模糊智能控制
獲獎情況
- 無
鑒定結(jié)果
- 無
參考文獻
- [1] 吳秀恒，劉祖源等.船舶操縱性.北京：國防工業(yè)出版社，2005. [2] 劉益劍.船舶航向模型參考模糊自適應(yīng)控制器的設(shè)計.自動化技術(shù)與應(yīng)用，2003,22(5):11-14. [3] 張顯庫，呂曉菲，郭晨等.船舶航向保持的魯棒神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制.船舶力學，2006，10(5):55-58. [4] 楊鹽生.船舶運動控制研究.交通運輸工程學報，2003,3(2):34-39. [5] 賈欣樂， 楊鹽生. 船舶運動數(shù)學模型. 大連：大連海事大學出版社，1999. [6] 方祥麟，姚杰，卓永強.船舶交通及操縱安全系統(tǒng)評價模型與方法.大連:大連海事大學出版社, 2003. [7] 王惠剛，計算機仿真原理及應(yīng)用，第1版.長沙：國防科技大學出版社，1994. [8] 王立新，模糊系統(tǒng)與模糊控制. 北京：清華大學出版社，2003.
同類課題研究水平概述
- 當前在船舶運動模型化研究中有兩大流派，一種是歐美學派，它采用的是整體模型結(jié)構(gòu)；另一種是日本學派，通常稱為MMG學派(Manoeuvring Model Group)，它發(fā)展的是分離型模型結(jié)構(gòu)。整體型模型結(jié)構(gòu)的研究者以Abkowitz為代表，它的模型化方法論是把船、漿、舵看作一個不可分的整體。 Abkowitz的非線性船舶運動數(shù)學模型的從整體的觀點把流體動力展開為各運動變量的Taylor級數(shù)，與線性化數(shù)學模型的處理方法類似，不同的是著重考慮直至三階的非線性項。 分離型模型結(jié)構(gòu)的研究者以日本的小川、小瀨、井上、平野等人為代表。MMG認為操縱性數(shù)學模型應(yīng)按下述原則建立：(1)應(yīng)以船、漿、舵的單獨性能為基礎(chǔ)；(2)應(yīng)能簡潔地表示船-漿-舵的干擾效應(yīng)；(3)能合理地表達作用于船舶上的各種流體動力。 響應(yīng)型模型是船舶運動數(shù)學模型的另一種表達形式。這是日本研究者野本(Nomoto)從控制工程的觀點將船舶看成為一個動態(tài)系統(tǒng)，舵角為系統(tǒng)的輸入、首向角或轉(zhuǎn)首角速度為系統(tǒng)的輸出，當前主要用的是非線性響應(yīng)型模型。這些模型的一個重要的特點是：模型參數(shù)可直接以規(guī)定的實船試驗中獲得，從而避免了狀態(tài)空間型的模型(如MMG模型)參數(shù)需用船模型試驗獲得的缺陷，這就自動消除了尺度效應(yīng)。 在國內(nèi)，對船舶交通模擬的研究起步較晚，大連海事大學方祥麟教授的課題組在承擔天津港新港VTS技術(shù)論證項目的基礎(chǔ)上，首次進行了“船舶交通系統(tǒng)GPSS模擬及應(yīng)用”和船舶交通微—宏觀模擬的研究，完成了“船舶航運交通安全系統(tǒng)模擬仿真技術(shù)的研究”等項目。 航向控制仍是船舶自動駕駛的一個主要任務(wù)。目前在時間生產(chǎn)中大多數(shù)航向自動控制是基于固定增益的ＰＩＤ控制，雖然增益能由用戶自行調(diào)整，但這需要有相當?shù)慕?jīng)驗來得到最佳值，大多數(shù)情況下難以達到滿意程度。智能理論的發(fā)展，更新更好的傳感器和計算機技術(shù)的應(yīng)用，使得應(yīng)用智能方法來提高船舶自動操縱水平成為可能。當前國內(nèi)外的研究人員主要利用模糊集理論、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和專家系統(tǒng)來設(shè)計船舶航向控制器，這些控制器大都基于早期的船舶運動數(shù)學模型“育美”輪”和“Mariner”輪進行。
