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船舶运动仿真平台的研究与设计

陆灏铭  
【摘要】:由于船舶运动的数学模型非常复杂,对船舶运动的安全性和高效性又有着重大的影响,因此,设计船舶或控制器的研究人员不得不将大量的时间花在船舶运动数学模型的研究上。本论文借助计算机仿真技术,开发了船舶运动仿真平台,旨在协助研究人员了解船舶的运动特性,并提供检验控制器性能的接口,从而缩短船舶产品的开发周期。 本文设计的仿真平台可看作船舶运动的数值水池,能够为船舶设计、航海驾驶训练以及控制器的性能检验提供高效、直观的实验环境。运用LabVIEW软件以系统工程方法论为指导对该平台进行设计和实现。仿真平台软件设计主要包括:模型模块设计、显示模块设计和控制模块设计。具体内容如下: 首先,建立船舶运动仿真平台的基础——数学模型。本文以MMG模型为基础,通过对船舶运动的运动学方程和动力学方程进行分析,并考虑流体动力和环境扰动因素的影响,建立了船舶平面运动的三自由度数学模型。研究人员只需输入船舶尺度参数和环境参数,即可得到船舶运动数学模型。 其次,针对常见的以纯波形形式给出的仿真结果,难以帮助用户直观地从全局把握船舶运动姿态的缺点,本文采用3ds Max建立船舶模型并导出.wrl文件,通过LabVIEW的3D Picture Control Toolkit调用.wrl文件,搭建运动可视化模块,以变量的状态值驱动模型运动,实现了仿真过程和结果的科学计算可视化,可以帮助用户直观地了解船舶的运动过程。 再次,设计了控制模块接口。船舶运动控制是一个重要的研究领域,其目的是提高船舶运动的自动化、智能化水平,从而保证航行的安全性、经济性以及舒适性。平台提供了检验控制器性能的仿真环境,控制算法由研究人员编写程序代码实现。通过可视化模块,用户可以了解到船舶的控制效果和控制器的性能。 最后,本文对船舶运动控制进行了研究。目前船舶运动系统主要采用PID调节,其性能取决于整定的参数,由于船舶运动的复杂性,PID控制不仅费时费力,性能指标也不能令人满意。本文尝试将模糊控制技术与经典PID控制结合,结合专家经验,设计了基于增量型PID调整原理的自适应模糊控制器,实现了PID参数在线模糊自整定。仿真结果表明,自适应模糊PID控制器能够显著提高船舶运动的控制精度,有较好的抗干扰能力和自适应能力。


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