本發(fā)明涉及一種三體船縱向運(yùn)動(dòng)模型辨識(shí)方法，具體屬于航海領(lǐng)域的建模方法。

背景技術(shù)：

從20世紀(jì)下半葉起，各種類型的船舶紛紛面世并投入使用，其航速和尺寸均呈增長(zhǎng)的趨勢(shì)。多體船的總寬度較大，因此具有很大的甲板面積和很高的穩(wěn)性，并得到了廣泛的應(yīng)用。對(duì)于高速多體船而言其大部分時(shí)間都在高速狀態(tài)下運(yùn)行，在船舶高速航行時(shí)升沉和縱搖兩個(gè)運(yùn)動(dòng)量的幅值明顯增大，相比于升沉和縱搖運(yùn)動(dòng)對(duì)于船舶航行造成的影響，其他方向的運(yùn)動(dòng)影響可以忽略不計(jì)。所以影響高速艇航行的主要因素便是升沉運(yùn)動(dòng)和縱搖運(yùn)動(dòng)，這兩種運(yùn)動(dòng)又可以統(tǒng)稱為高速艇的縱向運(yùn)動(dòng)。

三體船縱向運(yùn)動(dòng)模型主要由兩部分組成，第一部分是船體在海浪作用下的受力模型，包括兩個(gè)傳遞函數(shù)，其輸入是海浪的浪高，輸出分別是波浪力和波浪力矩；第二部分是船體在力作用下的運(yùn)動(dòng)模型，包括四個(gè)傳遞函數(shù)，分別將波浪力轉(zhuǎn)換到升沉量，將波浪力矩轉(zhuǎn)換到升沉量，將波浪力轉(zhuǎn)換到縱搖量，將波浪力矩轉(zhuǎn)換到縱搖量。兩類模型要用兩種不同的辨識(shí)方法，用傳統(tǒng)的辨識(shí)方法如非線性最小二乘法，搜索范圍較小，模型辨識(shí)誤差較大，精度不高。這種不精確辨識(shí)偏差會(huì)導(dǎo)致?lián)嗽O(shè)計(jì)的控制器失效，對(duì)實(shí)際應(yīng)用產(chǎn)生不利的影響。因此準(zhǔn)確辨識(shí)三體船縱向運(yùn)動(dòng)模型是亟待解決的問題，必須采用先進(jìn)的辨識(shí)技術(shù)來(lái)解決。

根據(jù)文獻(xiàn)高速船模型在約束條件下的非線性最小二乘法所提出了一種基于非線性最小二乘法的高速船模型辨識(shí)方法，但不足是傳統(tǒng)的最小二乘法搜索范圍較小，導(dǎo)致模型辨識(shí)誤差較大。本發(fā)明設(shè)計(jì)的方法解決了三體船縱向運(yùn)動(dòng)模型辨識(shí)問題，將三體船縱向運(yùn)動(dòng)模型分兩部分考慮，降低辨識(shí)難度，增加辨識(shí)的準(zhǔn)確度。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于設(shè)計(jì)了一種三體船縱向運(yùn)動(dòng)模型辨識(shí)方法，模擬了復(fù)雜海洋環(huán)境下的三體船的運(yùn)動(dòng)情況，為后續(xù)船體減縱搖控制器的設(shè)計(jì)提供了基礎(chǔ)。

本發(fā)明是通過(guò)以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的，具體包括以下步驟：

(1)從三體船水池拖曳試驗(yàn)中得到固定航速下的波浪力和波浪力矩的幅值和相位；

(2)將三體船水池拖曳試驗(yàn)得到的波浪力和波浪力矩的幅值和相位作為輸入變量；確定傳遞函數(shù)分子分母的階次，分子階次小于等于分母階次；根據(jù)編寫好的遺傳算法程序辨識(shí)出三體船在海浪作用下的受力模型，由兩個(gè)傳遞函數(shù)組成；

(3)從三體船水池拖曳試驗(yàn)中得到三體船的升沉質(zhì)量、縱搖慣性力矩、固定航速下的附加質(zhì)量、阻尼系數(shù)以及恢復(fù)系數(shù)；

(4)將船體的運(yùn)動(dòng)方程式進(jìn)行解耦，轉(zhuǎn)化成狀態(tài)方程形式；

(5)將三體船水池拖曳試驗(yàn)中得到的升沉質(zhì)量、縱搖慣性力矩、固定航速下的附加質(zhì)量、阻尼系數(shù)以及恢復(fù)系數(shù)作為輸入，根據(jù)解耦出的狀態(tài)方程求出固定航速下的四個(gè)傳遞函數(shù)，即為船體在力作用下的運(yùn)動(dòng)模型。

所述的步驟(2)中的具體遺傳算法步驟如下：

(2.1)得到待估計(jì)的傳遞函數(shù)模型，在頻域內(nèi)傳遞函數(shù)的參數(shù)估計(jì)問題就是由拖曳水池試驗(yàn)中得到的傳遞函數(shù)的頻率響應(yīng)或者伯德圖獲得待估計(jì)固定零極點(diǎn)數(shù)目的傳遞函數(shù)的問題，在頻域下的縱向運(yùn)動(dòng)模型如下：

式中：b(s,θ)與a(s,θ)為兩個(gè)傳遞函數(shù)。

(2.2)對(duì)模型采用參數(shù)化的辨識(shí)方式，通過(guò)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)估計(jì)參數(shù)矢量θ，對(duì)θ定義為：

θ＝(bm+1,bm,bm-1,…,b1,an,an-1,…,a1)；

(2.3)由每一組參數(shù)矢量θ得到對(duì)應(yīng)的代價(jià)函數(shù)，對(duì)應(yīng)的代價(jià)函數(shù)為：

式中：|g(jωi)|為實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)中波浪力(波浪力矩)的幅值；arg(g(jωi))為實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)中波浪力(波浪力矩)的相位；|g(jωi,θ)|為辨識(shí)出的傳遞函數(shù)幅值；arg(g(jωi,θ))為辨識(shí)出的傳遞函數(shù)的相位；

(2.4)為了使模型達(dá)到最優(yōu)，需要多次進(jìn)行選擇、交叉、變異，最終得到使傳遞函數(shù)的幅值和相位與拖曳水池試驗(yàn)中得到的數(shù)據(jù)相對(duì)誤差最小的一組參數(shù)矢量，從而辨識(shí)出最終的船舶在海浪作用下的受力模型。

所述的步驟(4)中的船體的運(yùn)動(dòng)方程式所示如下：

式中：x3為升沉量，x5為縱搖量，m33為升沉質(zhì)量，m55為縱搖慣性力矩，aij為附加質(zhì)量，bij為阻尼系數(shù)，cij為恢復(fù)系數(shù)，ω為輸入海浪信號(hào)，fi為海浪信號(hào)作用在船體上的力，γi為海浪信號(hào)作用在船體上的相位。

所述的一種三體船縱向運(yùn)動(dòng)模型辨識(shí)方法，三體船縱向運(yùn)動(dòng)模型主要由兩部分組成，第一部分是船體在海浪作用下的受力模型，包括兩個(gè)傳遞函數(shù)，其輸入是海浪的浪高，輸出分別是波浪力和波浪力矩；第二部分是船體在力作用下的運(yùn)動(dòng)模型，包括四個(gè)傳遞函數(shù)，分別將波浪力轉(zhuǎn)換到升沉量，將波浪力矩轉(zhuǎn)換到升沉量，將波浪力轉(zhuǎn)換到縱搖量，將波浪力矩轉(zhuǎn)換到縱搖量。

所述的一種三體船縱向運(yùn)動(dòng)模型辨識(shí)方法，在得到水池拖曳試驗(yàn)數(shù)據(jù)后，能夠快速準(zhǔn)確地辨識(shí)出三體船縱向運(yùn)動(dòng)模型。

本發(fā)明針對(duì)三體船的模型辨識(shí)問題，提出一種基于智能算法的辨識(shí)方法，能在進(jìn)行三體船拖曳水池試驗(yàn)的情況下，根據(jù)頻域下得到的波浪力、波浪力矩、附加質(zhì)量、阻尼系數(shù)、恢復(fù)系數(shù)、升沉質(zhì)量和縱搖慣性力矩計(jì)算出六個(gè)待辨識(shí)傳遞函數(shù)，從而得到與實(shí)際系統(tǒng)相匹配的三體船縱向運(yùn)動(dòng)模型。本發(fā)明應(yīng)用過(guò)程可以分為兩個(gè)階段：第一，經(jīng)過(guò)水池拖曳試驗(yàn)得到的一系列數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)簡(jiǎn)單的數(shù)據(jù)分析及擬合，保存在計(jì)算機(jī)中；第二，調(diào)用事先編好的程序辨識(shí)出系統(tǒng)模型的參數(shù)，此算法是在頻域分析的基礎(chǔ)上創(chuàng)新得來(lái)的。

本發(fā)明的有益效果在于：

本發(fā)明設(shè)計(jì)了一種適用于對(duì)復(fù)雜海況下的三體船運(yùn)動(dòng)情況進(jìn)行分析，可廣泛應(yīng)用于對(duì)船舶減縱搖的控制當(dāng)中，算法的快速性和智能性可保證得到的三體船模型在高速，復(fù)雜海況下也能較準(zhǔn)確地估計(jì)真實(shí)運(yùn)動(dòng)情況。

附圖說(shuō)明

圖1是本發(fā)明流程圖；

圖2是本發(fā)明模型辨識(shí)組成框圖；

圖3是本發(fā)明中船體在海浪作用下的受力模型辨識(shí)算法流程圖；

圖4是實(shí)施例中的三體船在40節(jié)航速下波浪力和波浪力矩的數(shù)據(jù)圖；

圖5是實(shí)施例中辨識(shí)出的模型仿真得到的波浪力與實(shí)際數(shù)據(jù)之間的對(duì)比圖；

圖6是實(shí)施例中辨識(shí)出的模型仿真得到的波浪力矩與實(shí)際數(shù)據(jù)之間的對(duì)比圖。

具體實(shí)施方式

下面將結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步的詳細(xì)說(shuō)明：本實(shí)施例在以本發(fā)明技術(shù)方案為前提下進(jìn)行實(shí)施，給出了詳細(xì)的實(shí)施方式，但本發(fā)明的保護(hù)范圍不限于下述實(shí)施。

本發(fā)明設(shè)計(jì)了一種三體船縱向運(yùn)動(dòng)模型辨識(shí)方法，包括基于遺傳算法的三體船在海浪作用下的受力模型及基于方程解耦的三體船在力作用下的運(yùn)動(dòng)模型。根據(jù)三體船拖曳水池試驗(yàn)得到的波浪力和波浪力矩，應(yīng)用遺傳算法辨識(shí)出三體船在海浪作用下的受力模型。根據(jù)三體船拖曳水池試驗(yàn)得到的附加質(zhì)量、阻尼系數(shù)，恢復(fù)系數(shù)，升沉質(zhì)量和縱搖慣性力矩，將船舶動(dòng)力學(xué)方程進(jìn)行解耦辨識(shí)出三體船在力作用下的運(yùn)動(dòng)模型。本發(fā)明針對(duì)三體船的模型辨識(shí)問題，提出一種基于智能算法的辨識(shí)方法，能在進(jìn)行三體船拖曳水池試驗(yàn)的情況下，根據(jù)頻域下得到的波浪力、波浪力矩、附加質(zhì)量、阻尼系數(shù)、恢復(fù)系數(shù)、升沉質(zhì)量和縱搖慣性力矩計(jì)算出六個(gè)待辨識(shí)傳遞函數(shù)，從而得到與實(shí)際系統(tǒng)相匹配的三體船縱向運(yùn)動(dòng)模型。本發(fā)明適用于對(duì)復(fù)雜海況下的三體船運(yùn)動(dòng)情況進(jìn)行分析，可廣泛應(yīng)用于對(duì)船舶減縱搖的控制當(dāng)中，算法的快速性和智能性可保證得到的三體船模型在高速，復(fù)雜海況下也能較準(zhǔn)確地估計(jì)真實(shí)運(yùn)動(dòng)情況。

結(jié)合圖1所示，本發(fā)明是通過(guò)以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的，具體包括以下步驟：

(1)從三體船水池拖曳試驗(yàn)中得到固定航速下的波浪力和波浪力矩的幅值和相位；

(2)將三體船水池拖曳試驗(yàn)得到的波浪力和波浪力矩的幅值和相位作為輸入變量；確定傳遞函數(shù)分子分母的階次，分子階次小于等于分母階次；根據(jù)編寫好的遺傳算法程序辨識(shí)出三體船在海浪作用下的受力模型，由兩個(gè)傳遞函數(shù)組成；

(3)從三體船水池拖曳試驗(yàn)中得到三體船的升沉質(zhì)量、縱搖慣性力矩、固定航速下的附加質(zhì)量、阻尼系數(shù)以及恢復(fù)系數(shù)；

(4)將船體的運(yùn)動(dòng)方程式進(jìn)行解耦，轉(zhuǎn)化成狀態(tài)方程形式；

(5)將三體船水池拖曳試驗(yàn)中得到的升沉質(zhì)量、縱搖慣性力矩、固定航速下的附加質(zhì)量、阻尼系數(shù)以及恢復(fù)系數(shù)作為輸入，根據(jù)解耦出的狀態(tài)方程求出固定航速下的四個(gè)傳遞函數(shù)，即為船體在力作用下的運(yùn)動(dòng)模型。

所述的步驟(2)中的具體遺傳算法步驟如下：

(2.1)得到待估計(jì)的傳遞函數(shù)模型，在頻域內(nèi)傳遞函數(shù)的參數(shù)估計(jì)問題就是由拖曳水池試驗(yàn)中得到的傳遞函數(shù)的頻率響應(yīng)或者伯德圖獲得待估計(jì)固定零極點(diǎn)數(shù)目的傳遞函數(shù)的問題，在頻域下的縱向運(yùn)動(dòng)模型如下：

式中：b(s,θ)與a(s,θ)為兩個(gè)傳遞函數(shù)。

(2.2)對(duì)模型采用參數(shù)化的辨識(shí)方式，通過(guò)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)估計(jì)參數(shù)矢量θ，對(duì)θ定義為：

θ＝(bm+1,bm,bm-1,…,b1,an,an-1,…,a1)；

(2.3)由每一組參數(shù)矢量θ得到對(duì)應(yīng)的代價(jià)函數(shù)，對(duì)應(yīng)的代價(jià)函數(shù)為：

式中：|g(jωi)|為實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)中波浪力(波浪力矩)的幅值；arg(g(jωi))為實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)中波浪力(波浪力矩)的相位；|g(jωi,θ)|為辨識(shí)出的傳遞函數(shù)幅值；arg(g(jωi,θ))為辨識(shí)出的傳遞函數(shù)的相位；

(2.4)為了使模型達(dá)到最優(yōu)，需要多次進(jìn)行選擇、交叉、變異，最終得到使傳遞函數(shù)的幅值和相位與拖曳水池試驗(yàn)中得到的數(shù)據(jù)相對(duì)誤差最小的一組參數(shù)矢量，從而辨識(shí)出最終的船舶在海浪作用下的受力模型。

所述的步驟(4)中的船體的運(yùn)動(dòng)方程式所示如下：

式中：x3為升沉量，x5為縱搖量，m33為升沉質(zhì)量，m55為縱搖慣性力矩，aij為附加質(zhì)量，bij為阻尼系數(shù)，cij為恢復(fù)系數(shù)，ω為輸入海浪信號(hào)，fi為海浪信號(hào)作用在船體上的力，γi為海浪信號(hào)作用在船體上的相位。

所述的一種三體船縱向運(yùn)動(dòng)模型辨識(shí)方法，在得到水池拖曳試驗(yàn)數(shù)據(jù)后，能夠快速準(zhǔn)確地辨識(shí)出三體船縱向運(yùn)動(dòng)模型。

本發(fā)明設(shè)計(jì)了一種適用于對(duì)復(fù)雜海況下的三體船運(yùn)動(dòng)情況進(jìn)行分析，可廣泛應(yīng)用于對(duì)船舶減縱搖的控制當(dāng)中，算法的快速性和智能性可保證得到的三體船模型在高速，復(fù)雜海況下也能較準(zhǔn)確地估計(jì)真實(shí)運(yùn)動(dòng)情況。

實(shí)施例1

將某三體船作為研究對(duì)象，在頻域下的縱向運(yùn)動(dòng)模型如下：

根據(jù)本發(fā)明設(shè)計(jì)的一種三體船縱向運(yùn)動(dòng)模型辨識(shí)方法，具體包括如下步驟：

第一步，結(jié)合圖2所示的組成框圖組建一個(gè)三體船縱向運(yùn)動(dòng)模型辨識(shí)系統(tǒng)，并將水池拖曳試驗(yàn)得到的三體船在40節(jié)航速下的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)結(jié)合圖4所示存入計(jì)算機(jī)中。圖4為三體船在40節(jié)航速下的波浪力和波浪力矩?cái)?shù)據(jù)圖，其中f3表示波浪力，f5表示波浪力矩。

第二步，將結(jié)合圖4中的數(shù)據(jù)輸入到結(jié)合圖3所示已編寫好的遺傳算法程序中，對(duì)遺傳算法參數(shù)設(shè)置如下：

選擇方式采用輪盤賭選擇，交叉概率0.8，變異概率0.008，最大疊代次數(shù)500，個(gè)體長(zhǎng)度30，代溝0.9。隨機(jī)生成的初始種群，經(jīng)過(guò)選擇、交叉、變異，得到一組使適應(yīng)度函數(shù)取得最小值的參數(shù)變量，從而辨識(shí)出船體在海浪作用下的受力模型。

結(jié)合圖2所示，上式為兩個(gè)船體在海浪作用下的受力模型，分別將海浪信號(hào)轉(zhuǎn)化成波浪力，將海浪信號(hào)轉(zhuǎn)化成波浪力矩。

第三步，輸入升沉質(zhì)量，縱搖慣性力矩以及40節(jié)航速下的附加質(zhì)量，阻尼系數(shù)，恢復(fù)系數(shù)到計(jì)算機(jī)中。具體數(shù)據(jù)如下：

其中輸入升沉質(zhì)量為m33＝43.14kg；縱搖慣性力矩為m55＝28.09kg*m*m；40節(jié)航速下的附加質(zhì)量為a33＝165.73kg,a35＝-7.29kg*m,a53＝35.67kg*m，a55＝708.04kg*m*m；阻尼系數(shù)b33＝16.91kg/s,b35＝894.32kg*m/s,b53＝-257.51kg*m/s，b55＝144.69kg*m*m/s；恢復(fù)系數(shù)為c33＝6450.14n/m,c35＝1080.10n,c53＝1080.10n，c53＝3920.70n*m。

第四步：將船體的運(yùn)動(dòng)方程式進(jìn)行解耦，轉(zhuǎn)化成狀態(tài)方程形式，所述船體的運(yùn)動(dòng)方程式所示如下：

第五步：將三體船水池拖曳試驗(yàn)中得到40節(jié)航速航速下的附加質(zhì)量、阻尼系數(shù)和恢復(fù)系數(shù)作為輸入，根據(jù)解耦出的狀態(tài)方程求出40節(jié)航速下的四個(gè)傳遞函數(shù)，即為船體在力作用下的運(yùn)動(dòng)模型。

結(jié)合圖2所示，上式為四個(gè)船體在力作用下的運(yùn)動(dòng)模型，分別將波浪力轉(zhuǎn)換到升沉量，將波浪力矩轉(zhuǎn)換到升沉量，將波浪力轉(zhuǎn)換到縱搖量，將波浪力矩轉(zhuǎn)換到縱搖量。

結(jié)合圖5所示是本實(shí)施例中辨識(shí)出的模型仿真得到的波浪力與實(shí)際數(shù)據(jù)之間的對(duì)比圖，其中magnitude和phase分別表示波浪力的幅值和相位。結(jié)合圖6所示是本實(shí)施例中辨識(shí)出的模型仿真得到的波浪力矩與實(shí)際數(shù)據(jù)之間的對(duì)比圖，其中magnitude和phase分別表示波浪力矩的幅值和相位。

以上闡述的是本發(fā)明給出的一個(gè)實(shí)施例表現(xiàn)出的精確辨識(shí)效果。需要指出，本發(fā)明不只限于上述實(shí)施例，本發(fā)明針對(duì)三體船縱向運(yùn)動(dòng)模型辨識(shí)方法，所以適用于各種航速各種海況下的三體船縱向運(yùn)動(dòng)模型辨識(shí)。