專利名稱：船舶運動控制算法測試仿真系統(tǒng)的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種高可信度的船舶運動控制算法測試仿真系統(tǒng)。
背景技術：
由于船舶航行實船實驗的費用很高，所以大多數(shù)船舶運動控制理論工作者只能進行仿真 研究。仿真工作者對控制算法的研究偏多，對被控對象的研究偏少，而被控對象逼真度不高 直接導致整個系統(tǒng)的仿真逼真度不高，這樣就導致了算法測試仿真結論可信度不高，降低了 工程人員對控制理論工作者工作的認可程度，從而延緩了一些先進控制理論在實際工程中的 應用?？刂葡到y(tǒng)仿真屬于控制理論與仿真技術交叉的領域，但當前很少有控制理論工作者把 控制系統(tǒng)仿真當作一個系統(tǒng)仿真的問題來處理，而普通的仿真理論工作者又很難從事控制理 論相關的工作，這在一定程度上影響了先進仿真理論在控制系統(tǒng)仿真這一交叉領域中的應用， 也導致了控制系統(tǒng)仿真存在著"仿真可信度不高"的問題。

發(fā)明內容
本發(fā)明針對船舶運動控制仿真這一具體的問題，基于系統(tǒng)建模與仿真的校核、驗證和驗 收技術，研制一套高可信度的船舶運動控制算法測試仿真系統(tǒng)，加速先進控制理論在船舶運 動控制領域中的應用。
本發(fā)明一種高可信度的船舶運動控制算法測試仿真系統(tǒng)主要具有以下功能
(1) 船型的選擇以及實船數(shù)據(jù)的輸入。本仿真系統(tǒng)提供5446TEU大型集裝箱船和3萬噸油輪
兩種船型，使用者還可根據(jù)需要自行輸入不同船型及實船數(shù)據(jù)。
(2) 船舶運動數(shù)學模型的選擇與參數(shù)計算。根據(jù)算法測試的不同目的和要求，使用者可以選
擇不同類型的模型，本系統(tǒng)提供兩種船舶運動模型響應模型和分離模型。使用者選擇 完船型和數(shù)學模型種類后，本系統(tǒng)就可計算并顯示出相應船模的所有參數(shù)值。
(3) 船舶模型的測試。本系統(tǒng)可進行船舶回轉運動仿真、Z型實驗仿真，與實船實驗數(shù)據(jù)比較，
便可測試模型的有效性。
(4) 控制算法的加載與測試。本系統(tǒng)提供PID控制、自適應控制、模糊控制等常用控制模塊；
使用者只需將自己設計的控制算法按規(guī)定的格式編譯成動態(tài)連接庫，就可加入到本平臺 中。根據(jù)控制算法的不同，使用者可進行船舶航向和船舶航跡控制仿真測試；平臺還提 供一個"事件編輯器"，可方便用戶進行更復雜的事件仿真測試。在測試過程中，用戶 可以觀察航向、舵角、船速等參數(shù)的動態(tài)數(shù)據(jù)和顯示曲線，同時可觀察船舶運動虛擬現(xiàn) 實仿真場景，據(jù)此可對控制算法進行測試、優(yōu)化和改進。
(5)歷史數(shù)據(jù)的保存。在測試過程中，可將船舶運動狀態(tài)的重要動態(tài)數(shù)據(jù)保存下來，便于以 后的進一歩研究應用。
本發(fā)明的技術方案是船舶運動控制算法測試仿真系統(tǒng)，主要出船舶模型的設置與測試
模塊l、控制算法的加載與測試模塊2、船舶運動數(shù)學模型模塊3、船舶航向與航跡曲線顯示 界面4和船舶運動虛擬現(xiàn)實仿真場景5五部分組成。船舶模型的設置與測試模塊1、控制算 法的加載與測試模塊2分別與船舶運動數(shù)學模型模塊3進行雙向數(shù)據(jù)連接；船舶運動數(shù)學模 型模塊3單向傳輸數(shù)據(jù)至船舶航向與航跡曲線顯示界面4和船舶運動虛擬現(xiàn)實仿真場景5中； 同時船舶航向與航跡曲線顯示界面4和船舶運動虛擬現(xiàn)實仿真場景5都可單向傳輸數(shù)據(jù)至船 舶模型的設置與測試模塊1和控制算法的加載與測試模塊2。所述的船舶模型的設置與測試 模塊l、控制算法的加載與測試模塊2、船舶運動數(shù)學模型模塊3、和船舶航向與航跡曲線顯 示界面4用￥0++開發(fā)，所述的船舶運動虛擬現(xiàn)實仿真場景5由VC"^和Vega混合編程實現(xiàn)。
本發(fā)明一種高可信度的船舶運動控制算法測試仿真系統(tǒng)的工作原理是 船舶模型的測試首先根據(jù)測試目的和要求不同由船舶模型的設置與測試模塊1選擇合 適的船型、計算出船舶參數(shù)并傳輸?shù)酱斑\動數(shù)學模型模塊3中，接著船舶運動數(shù)學模型模 塊3進行船舶回轉實驗仿真，同時仿真結果輸出到船舶航向與航跡曲線顯示界面4和船舶運 動虛擬現(xiàn)實仿真場景5中，將仿真實驗結果與實船實驗數(shù)據(jù)進行比較，當回轉圈航跡誤差小 于在一個船長時，則認為所建立的船舶運動數(shù)學模型是有效的，否則無效。
控制算法的測試當建立了有效的船舶運動數(shù)學模型后，就可進行控制算法的測試。首 先由控制算法的加載與測試模塊2加載需要測試的控制算法，然后與船舶運動數(shù)學模型模塊 3構成閉環(huán)控制系統(tǒng)，通過"事件編輯器"對船舶航行環(huán)境、船舶轉向點等條件進行設置， 接著進行船舶運動控制仿真，同時將仿真結果輸出到船舶航向與航跡曲線顯示界面4和船舶 運動虛擬現(xiàn)實仿真場景5中，最后分析船舶航線、航跡和動態(tài)數(shù)據(jù)等仿真結果，并判斷所加 載控制算法的控制特性。
本發(fā)明的優(yōu)點和有益效果是與通常的算法測試仿真過程相比，本發(fā)明船舶運動控制
算法測試仿真系統(tǒng)增加了許多仿真的工作，其中多種模型的選擇明確了仿真的目的，而合適
的模型能夠更為有效地進行算法測試；對模型的完整性和精確性的要求能夠明顯地提高仿真 逼真度；"事件仿真算法測試"能夠在連續(xù)的時間軸上進行算法測試，對于控制算法的魯棒性、 自適應性都能進行更好的測試。
本系統(tǒng)中船舶模型的測試工作實際屬于仿真工作，并不包含太多的控制理論知識，并且 具有一定的通用性，可以提前完成，即可提前構造一套有效的、高可信度的控制系統(tǒng)，然后 更換控制算法來測試控制效果就可以得到可信度較高的算法結論分析。因此，該仿真系統(tǒng)能
夠減少船舶系統(tǒng)控制研究者大量的重復性工作，幫助科研工作者更快速有效的進行船舶運動 控制算法仿真測試，方便控制算法改進，得到可信度較高的仿真測試結論，從而實現(xiàn)減少海 上試驗次數(shù)，降低試驗成本，縮短開發(fā)周期，加速先進控制理論在實際工程中的應用。


下面結合附圖對本發(fā)明做進一步詳細地描述
圖1是本發(fā)明一種高可信度的船舶運動控制算法測試仿真系統(tǒng)的組成結構框圖。 圖中1、船舶模型的設置與測試模塊，2、控制算法的加載與測試模塊，3、船舶運動
數(shù)學模型模塊，4、船舶航向與航跡曲線單示界面，5、船舶運動虛擬現(xiàn)實仿真場景。
具體實施例方式
如圖1所示，本發(fā)明的一種高可信度的船舶運動控制算法測試仿真系統(tǒng)，主要由船舶模
型的設置與測試模塊l、控制算法的加載與測試模塊2、船舶運動數(shù)學模型模塊3、船舶航向 與航跡曲線顯示界面4和船舶運動虛擬現(xiàn)實仿真場景5五部分組成。船舶模型的設置與測試 模塊1、控制算法的加載與測試模塊2分別與船舶運動數(shù)學模型模塊3進行雙向數(shù)據(jù)連接； 船舶運動數(shù)學模型模塊3單向傳輸數(shù)據(jù)至船舶航向與航跡曲線顯示界面4和船舶運動虛擬現(xiàn) 實仿真場景5中；同時船舶航向與航跡曲線顯示界面4和船舶運動虛擬現(xiàn)實仿真場景5都可 單向傳輸數(shù)據(jù)至船舶模型的設置與測試模塊1和控制算法的加載與測試模塊2。
船舶運動數(shù)學模型模塊3設計實現(xiàn)了響應型模型，三自由度MMG模型和四自由度的平 野模型。
船舶航向與航跡曲線顯示界面4可以顯示航向、航跡、命令舵角、實際舵角、主機轉速、 航速、，以及等參數(shù)的實時數(shù)據(jù)和曲線。 一、船舶模型的設置與測試模塊1的設計與實現(xiàn)
1. 模型的選擇
本仿真系統(tǒng)將模型分為響應型模型和分離模型兩種，由于Nomoto模型過于簡化，在最 近幾年己經(jīng)很少使用，所以此處的響應型模型特指Norrbin模型；分離模型在仿真的使用中， 可以分為三自由度MMG模型和四自由度的平野模型。
2. 模型重要參數(shù)的輸入
仿真系統(tǒng)通過"打開"和"保存"按鈕實現(xiàn)數(shù)據(jù)的存取；模型的重要參數(shù)包括船舶自身 參數(shù)以及海洋參數(shù)；在此處的參數(shù)通過單擊"參數(shù)確認正確"按鈕就可以導入仿真系統(tǒng)中。 本系統(tǒng)中帶有5446TEU系列集裝箱的COSCO Shanghai號的和3萬噸油輪的重要數(shù)據(jù)可供用 戶使用。
3. 模型驗證由于模型的不同，所以驗證時分為Norrbin模型、三自由度MMG模型與四自由度平野模 型三種情況進行。但是，由于Norrbin響應型模型本身是一個定常模型，而回轉實驗中，主 機通常都是定油門運行，整個回轉運行中航速都會有較大變化，已經(jīng)超出模型攝動的范圍， 所以基于Norrbin模型進行的回轉實驗分為兩種， 一種是定參數(shù)Norrbin模型回轉， 一種是 變參數(shù)NorrbJn模型回轉，在變參數(shù)Norrbin模型中，通過時間分段改變Norrbin模型的參 數(shù)來近似船舶回轉中的降速。
(1) 定參數(shù)Norrbin模型回轉實驗
由于Norrbin模型本身是一個勻速的定參數(shù)模型，所以采用Norrbin模型進行回轉實驗 本身就是有一定困難的，但為了比較這幾種模型，本系統(tǒng)可進行定參數(shù)Norrbin模型的仿真 回轉實驗。
(2) 變參數(shù)Norrbin模型回轉實驗
為了表現(xiàn)出船舶回轉過程中降速的過程，本系統(tǒng)可采用分段變參數(shù)的辦法，即根據(jù)船舶 數(shù)據(jù)以及實船實驗數(shù)據(jù)，計算出不同航速下的模型參數(shù)，然后在回轉實驗中，分段采用不同 的參數(shù)。
(3) 三自由度MMG模型和四自由度的平野模型回轉實驗
山于三0由度MMG模型和四自由度平野模型都是時變模型，所以在給出回轉實驗圖時給出 仿真回轉實驗中的數(shù)據(jù)曲線圖。在基于三自由度MMG模型的回轉實驗中的數(shù)據(jù)曲線圖中給 出航向、航速、主機轉速的曲線圖，基于三自由度MMG模型的回轉實驗中的數(shù)據(jù)曲線圖中 再加上橫搖角的曲線圖。
二、控制算法的加載與測試模塊2的設計與實現(xiàn)
如何方便用戶快速加載新的算法，是本發(fā)明仿真系統(tǒng)的一個重要內容。如果系統(tǒng)的控制 算法仍然需要用戶自己通過加代碼的方式把算法寫入程序中，這顯然是無法令人滿意的，本 系統(tǒng)采用通過動態(tài)鏈接庫(DLL)的方式來加載算法。
動態(tài)鏈接庫的名稱可以根據(jù)編寫算法的內容任取，但動態(tài)鏈接庫中必須包含一個名為 ShipState的結構體，同時在命名為Controller ()的函數(shù)中編寫控制算法。算法通過定義 形如ShipState *m—PShiPState格式的指針m—PShiPState，來與輕序交換數(shù)據(jù)，算法需要的 實際航向或航跡，設定航向或航跡的數(shù)據(jù)通過指針m—PShipState都可得到，算法需要存儲的 中間變量放在ComputeStatePara數(shù)組中，最后計算出的控制量保存在變量RudderD中。
struct ShipState
{ double nowCourseDirect:〃當前航向 doub〗e SetCourseDirect:〃設定航向
double CourseError;〃當前航向偏差5
doub〗e LastCourseError; 〃上一時刻航向偏差s
double CourseErrorChange;〃航向偏差變化率(微分)
double CourseErrorChangeSum; 〃航向偏差變化率積分
double RudderD;〃舵角
double MovingU;〃縱向速度
double ErrorX;〃位置x的偏差
double ErrorY:〃位置y的偏差
double Errorlocation; 〃當前位置的偏差
double LastErrorLocation; 〃上一時刻位置的偏差
double LocationErrorChange;〃位置偏差變化率(微分)；
double LocationErrorChangeSum;/位置偏差變化率積分
double h:〃仿真歩長
double ComputeStatePara[100]: 〃中間變量 double t:〃仿真時間
void Controller(ShipState *m—PShipSt￡ite) { 〃用戶控制算法程序
在控制算法測試方面，本發(fā)明提出狀態(tài)仿真算法測試與事件仿真算法測試兩種方法，定 義如下
狀態(tài)仿真算法測試是建立仿真系統(tǒng)之后，在一定的設定條件下，研究控制算法在某單 一-信號，通常為階躍信號下的控制效果的測試方法。
事件仿真算法測試是建立仿真系統(tǒng)之后，在一定的設定條件下，在時間軸上，研究被 控對象在進行一系列活動的過程中，控制算法在多種信號下的控制效果的測試方法。
針對事件仿真算法測試本系統(tǒng)設計了一個事件編輯器。如果主要研究船舶航向控制、航 跡控制，那么影響船舶運動控制的船舶的主要活動就是主機操縱，而外界主要影響就是風、 浪、流擾動變化，所設計的"事件編輯器"是一個方便用戶，只要調整幾個參數(shù)就可以仿真 實船一系列活動的對話框。通過"事件編輯器"的方式，用戶可以快速地實現(xiàn)"事件仿真算 法測試"，在整個事件中，主機轉速以及風、浪、流外界干擾都可以多次變化。雖然輸入內容 增多，仍這樣仿真的效果更接近于實際情況，有更高的可信度。
三、船舶運動虛擬現(xiàn)實仿真場景5的設計與實現(xiàn)該模塊由￥。++和￥紹&混合編程實現(xiàn)。 Vega是美國Multigen-Paradigm公司用于虛擬現(xiàn)實、實時實景仿真、聲音仿真以及其他可 視化領域的世界領先級應用軟件工具。它支持快速復雜的視覺仿真程序，能為用戶提供一種 復雜仿真事件的便捷手段，它將易用的工具和高級仿真功能巧妙地結合起來，使用戶以簡單 的操作迅速地創(chuàng)建、編輯和運行復雜的仿真應用程序。由于Vega大幅度地減少了源代碼的編 程，使軟件的維護和實時性能的進一歩優(yōu)化變得更加容易，從而大大提高了工作效率。
Vega提供了很多功能模塊，各模塊帶有方便的接口。其中Vega海洋仿真模塊為實現(xiàn)逼 真的海洋仿真提供了完善的動態(tài)和靜態(tài)海洋模型、區(qū)域矢量以及各種各樣的海洋特殊效果等， 使用海洋仿真模塊用戶可以快捷地開發(fā)出極具創(chuàng)造性的海洋仿真應用，所有的海洋效果都可 以通過擴展的圖形界面方便地進行設置，或者實時地通過該模塊的應用程序編程接口加以控 制。
本系統(tǒng)基于VC"K+的SDI框架，利用Vega開發(fā)船舶運動虛擬場景。 程序主框架為
main( int argc， char*argv[])
vglnitSysO; /*初始化Vega系統(tǒng)*/
vglnitMarineO; /*初始化海洋模塊*/
vglnitFxO; /*調用特效模塊*/
vgDefineSys(argv[ 1 ]); /*定義系統(tǒng):讀取ADF文件V vgConfigSysO; /*系統(tǒng)配置*/
while ( 1) /*主循環(huán)*/
{vgSyncFrameO; /*幀同歩*/
vgFrameO; /*當前幀下進行所有內部處理工作*/
/*應用程序具體實現(xiàn)代碼*/
所設計與實現(xiàn)的船舶運動虛擬現(xiàn)實仿真場景具有以下功能海洋顏色可調，海浪等級可 調，船舶尾跡，天空可變，光線可調，多視角觀察船舶運動姿態(tài)，船舶四自由度運動，以及 舵和減搖鰭的實時運動。
權利要求
1.船舶運動控制算法測試仿真系統(tǒng)，其特征在于，主要由船舶模型的設置與測試模塊(1)、控制算法的加載與測試模塊(2)、船舶運動數(shù)學模型模塊(3)、船舶航向與航跡曲線顯示界面(4)和船舶運動虛擬現(xiàn)實仿真場景(5)組成，船舶模型的設置與測試模塊(1)、控制算法的加載與測試模塊(2)分別與船舶運動數(shù)學模型模塊(3)進行雙向數(shù)據(jù)連接；船舶運動數(shù)學模型模塊(3)單向傳輸數(shù)據(jù)至船舶航向與航跡曲線顯示界面(4)和船舶運動虛擬現(xiàn)實仿真場景(5)中；同時船舶航向與航跡曲線顯示界面(4)和船舶運動虛擬現(xiàn)實仿真場景(5)都可單向傳輸數(shù)據(jù)至船舶模型的設置與測試模塊(1)和控制算法的加載與測試模塊(2)。
2、根據(jù)權利要求1所述的的船舶運動控制算法測試仿真系統(tǒng)，其特征在于，所述的船舶 模型的設置與測試模塊(1)、控制算法的加載與測試模塊(2)、船舶運動數(shù)學模型模塊(3)、 和船舶航向與航跡曲線顯示界面(4)用￥0++丌發(fā)，所述的船舶運動虛擬現(xiàn)實仿真場景(5) 由VOH"和Vega混合編程實現(xiàn)。
全文摘要
本發(fā)明涉及船舶運動控制算法測試仿真系統(tǒng)，由船舶模型的設置與測試模塊、控制算法的加載與測試模塊、船舶運動數(shù)學模型模塊、船舶航向與航跡曲線顯示界面和船舶運動虛擬現(xiàn)實仿真場景五個部分組成。船舶模型的設置與測試模塊、控制算法的加載與測試模塊分別與船舶運動數(shù)學模型模塊進行雙向數(shù)據(jù)連接；船舶運動數(shù)學模型模塊單向傳輸數(shù)據(jù)至船舶航向與航跡曲線顯示界面和船舶運動虛擬現(xiàn)實仿真場景中；同時船舶航向與航跡曲線顯示界面和船舶運動虛擬現(xiàn)實仿真場景都可單向傳輸數(shù)據(jù)至船舶模型的設置與測試模塊和控制算法的加載與測試模塊。該仿真系統(tǒng)方便控制算法改進，減少海上試驗次數(shù)，降低試驗成本，縮短開發(fā)周期，加速先進控制理論在實際工程中的應用。
文檔編號G06F17/50GK101373491SQ20081001185
公開日2009年2月25日 申請日期2008年6月13日 優(yōu)先權日2008年6月13日
發(fā)明者光 葉, 沈智鵬, 晨 郭 申請人:大連海事大學