船舶操纵系统的交互式仿真设计平台

摘要

随着船舶性能要求的不断提高，船舶操纵系统的设计过程也相应变得复杂繁琐。因此，测试船舶操纵系统在真实海洋环境下的性能是非常重要的一步。传统的测试方法大都是通过实船进行多次测试，以期得到真实可靠的实验数据，为进一步改善性能提供依据。但是这种方式往往成本高、周期长，很难满足实际需求。
　　针对这个问题，本文开发了船舶操纵系统的交互式仿真设计平台。平台良好的交互性和简单的操作，能让设计者快速地进行船舶操纵系统仿真实验，通过对实验结果进行分析，可综合评价其操纵性能。与传统测试方法相比，计算机仿真测试能大大缩短操纵系统的设计周期。
　　本文的主要工作可分为以下几个部分内容:
　　1)UI界面设计和平台架构搭建。通过Matlab的GUI工具，设计了平台的三个交互式UI界面:主界面、模型参数配置界面和数据管理界面。为了达到高扩展性的设计要求，平台将星型架构作为主体结构，实现了平台功能的模块化设计。
　　2)模块化功能实现。本平台的功能可分为五大模块:设置模块、建模模块、控制器设计模块、图形显示模块和数据管理模块，各模块之间相互独立。在各模块的实现过程中充分利用了星型架构的结构特点，分别对各模块进行独立设计，实现了模块间的低耦合。各模块间的通信则由主平台中的统一调度模块完成，这种集中式的控制方式避免了很多冲突的发生，使程序运行更流畅。在控制器设计模块中，开放了控制算法的设计接口，可让设计人员更加方便地自行编写和测试控制算法。
　　3)帮助文档的网页设计。为了让设计人员更方便地操作交互式的船舶操纵系统仿真设计平台，平台以网页的形式对其功能及相关操作进行了详细的介绍。
　　4)自适应控制算法和LQG控制算法设计。在自适应算法部分，本文针对模型参考自适应和最小方差自校正自适应控制方法进行了算法的设计。最后，分别通过船舶航向控制和鳍减摇控制仿真实验，验证了算法的有效性。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 研究背景及意义

1．2 国内外研究现状

1．2．1 船舶运动数学模型的研究现状

1．2．2 船舶运动控制研究现状

1．2．3 船舶运动控制仿真软件及相关计算机技术研究现状

1．3 论文内容及结构安排

第二章 船舶运动数学模型

2．1 坐标系

2．2 船舶平面运动数学模型

2．3 船舶横摇运动数学模型

2．3．1 转动惯量计算

2．3．2 横摇阻尼计算

2．3．3 减摇鳍产生的控制力矩计算

2．3．4 规则波产生的横摇力矩计算

2．4 船舶航迹模型

2．5 环境干扰数学模型

2．5．1 风产生的干扰力和力矩计算

2．5．2 浪产生的干扰力和力矩计算

2．5．3 流产生的干扰力和力矩计算

2．6 本章小结

第三章 船舶操纵系统的交互式仿真平台设计

3．1 平台设计

3．1．1 需求分析

3．1．2 架构设计

3．2 设计工具及相关技术

3．2．1 GUIDE

3．2．2 Simulink

3．2．3 HTML和JavaScript

3．3 软件实现

3．3．1 交互界面设计

3．3．2 模块设计

3．3．3 help网页设计

3．4 本章小结

第四章 自适应控制算法

4．1 自适应控制概述

4．2 模型参考自适应控制算法理论

4．3 最小方差自校正控制算法理论

4．3．1 最小方差控制器

4．3．2 最小二乘法

4．4 自适应控制算法仿真

4．4．1 船舶航向模型参考自适应控制算法仿真

4．4．2 船舶鳍减摇自适应控制算法仿真

4．5 本章小结

第五章 LQG控制算法

5．1 LQG控制概述

5．2 LQG控制算法理论

5．2．1 LQR状态反馈调节器

5．2．2 离散系统的Kalman量优预测

5．3 LQG控制算法仿真

5．3．1 船舶航向LQG控制算法仿真

5．3．2 船舶鳍减摇LQG控制算法仿真

5．4 本章小结

第六章 总结与展望

参考文献

作者在攻读硕士期间发表的论文

致谢