船舶减摇鳍减摇效果分布式仿真

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1、船舶减摇鳍减摇效果分布式仿真 曹成勋;陈宁 【摘 要】为开发船舶减摇鳍减摇效果的分布式视觉仿真平台,将基于 Matlab 的数 学仿真与基于Vega的视觉仿真相结合，将分布式仿真技术应用于船舶横摇领域，开 发了基于局域网的分布式通信程序,实现了在不同视角下船舶减摇鳍的减摇效果的 分布式仿真,其结果令人满意. 期刊名称】《江苏科技大学学报(自然科学版)》 年(卷),期】2009(023)006 【总页数】4页(P490-493) 【关键词】 减摇鳍;分布式视觉仿真;船舶 【作 者】 曹成勋;陈宁 【作者单位】 江苏科技大学,船舶与海洋工程学院,江苏,镇江,212003;安徽省地方海

2、 事局,安徽,合肥,230001;江苏科技大学,船舶与海洋工程学院,江苏,镇江,212003 【正文语种】 中 文 【中图分类】 U664.121 船舶航行时,由于受到海浪、海风及海流等海洋环境扰动的作用,不可避免地产生各 种摇荡,其中,横摇的影响极为突出,如:砰击、上浪、失速和螺旋桨飞车、甚至翻船等, 对船舶的适航性和安全性，船上设备、货物及人员都产生不利影响,甚至导致悲剧 的发生［1-2］．将减摇鳍应用于船舶是一重大改进,经过多年的实践证明减摇鳍的减 摇效果明显．本文旨在文献［2］的基础上,开发船舶减摇鳍减摇效果的分布式视觉仿 真平台,通过人机交互,在虚拟环境下模拟船舶横摇状态,在

3、减摇鳍设计前就进行大量 的虚拟仿真实验,从而把实体实验的危险降到最低．随着海上贸易的发展,海上安全 被提升到极其重要的位置,海上安全的前提是船舶的安全,通常提到的“机桨匹配” 凸显在船舶动力性能上,本课题对“船鳍匹配”的研究涉及船舶安全性,并且仿真得 到的数据对了解减摇鳍的性能具有重要意义． 本文将基于Matlab的船舶减摇鳍的数学仿真与基于Vega的船舶减摇鳍的视觉仿 真构建该分布式视觉仿真平台•由于Matlab，Vega与可视化编程语言VC++均有 应用程序接口 (API),为数学仿真与视觉仿真的结合提供了可能，平台系统框图如图 1．因为数学仿真的研究已经取得了一定的成果,本文重点介绍分

4、布式视觉仿真技术 在该平台的构建过程，但是平台构建过程的前提是VC++与Matlab , Vega的应用 程序接口的实现,接口程序的实现见文献［2］． 图 1 平台系统框图 Fig.1 Diagram of the platform 1基于Matlab的船舶减摇鳍的数学仿真 1.1 海浪模型的仿真 海浪理论研究表明,不规则的海浪可以分解为大量均匀微小的规则波,研究海洋运动 体在不规则海浪中的运动时,可以把这些均匀微小的规则波对海洋运动体的作用叠 加起来［1-2］,并且在设计海洋运动体控制系统时,经常把海浪作为一个平稳的随机过 程来处理,即利用长峰波随机海浪模型,由于该海浪运动幅度不太大

5、,故得出的结果令 1 、一M- -^7- 人满意． 理论上海浪频谱的分布频率为0,但仿真时不可能对所有频率的谐波进行仿真,只能 取其影响较大的一部分．此外,为了达到实时仿真的要求,必须提高仿真速度,所以只 能选择有限的频段来仿真［3-4］.从海浪的频谱图(本课题选用P-M阍图2可以看 出,能量主要集中在某一频段,特别在高海况下,能量更集中在某一段,所以选择某一频 段中的有限个谐波对海浪进行仿真•利用Matlab的rand函数生成0 ~ 1之间均 匀分布的随机变量，如图3为风速10m/s,航速15m/s,遭遇角30°的有效波倾角图. 图2 海浪的频谱图 Fig.2 Spectrums

6、of the waves 图 3 有效波倾角图 Fig.3 Diagram of the effective wave dip 1.2船舶横摇运动数学模型、减摇鳍控制系统及其Simulink框图 为了减小船舶横摇,船舶设计师和减摇鳍控制系统工程师成功地设计了各种类型的 减摇鳍，文中选用NJ5型减摇鳍，控制系统结构图见图4 • 图 4 减摇鳍控制系统结构图 Fig.4 Diagram of control system of the fin stabilizer 当船舶横摇角较小时，可以应用线性横摇理论来分析船舶横摇运动•依照Conolly 理论,船舶线性横摇为 (1) 式中，lx和

7、AIx分别为通过船舶重心的纵轴惯量和附加惯量,2Np为单位横摇角速 度的阻尼力矩，为横摇角加速度,为横摇角速度,申为横摇角,D为船舶排水量,h为横 稳心高,a1为波倾角速度,a2为有义波倾角. 对式(1)简化,进行拉氏变换、输入具体船舶参数等,得到式(2)所示的减摇鳍PID控 制器传递函数[2,5] (2) 式中，Td1=0.064, Td2=0.18, TI=24.607, KP为比例控制器的传递函数； KD , KI分别为微分通道和积分通道的比例系数. 由式(2)构建图5所示的船舶减摇鳍控制系统Simulink框图. 2 减摇鳍减摇效果分布式仿真的实现 文献［2 ］主要解决了

8、 Matlab，VC++，Vega三者接口的问题，通过可视化编程语 言VC++将数学仿真与视觉仿真联系起来，实现了单窗口多通道下的减遥鳍控制系 统的视觉仿真．虚拟现实技术的发展,计算机分布式理论的成熟及应用促使了分布 式仿真技术的发展［6-7］. DIS系统和HLA系统是目前分布式仿真领域应用最广泛 的两大系统,本文不是基于这两种分布式仿真系统,而是结合客观实际(利用3 台主机, 其中1台为“主机”,2台为“从机”,实现主机控制下的三屏分布式仿真效果),利用 计算机通信技术［8-9］,基于VC++开发了局域网内的分布式通信程序,实现了在不同 视角下船舶减摇鳍的减摇效果的分布式仿真. 图 5

9、减摇鳍控制系统 Simulink 框图 Fig.5 Simulink diagram of the fin control system 2.1 分布式仿真程序及界面 在文献［2啲基础上,添加控件“网络联接”，(ID: IDC_BUTTON2),添加程序如下 void CMatlabenginetestView::OnButton2() { //TODO: Add your control notification handler code here if (m_JoinDlg.DoModal()==IDOK) { if(!m_Socket.JoinGroup(m_JoinDlg

10、.m_IP, m_JoinDlg.m_nPort, m_JoinDlg.m_nTTL, m_JoinDlg.m_Loopback)) AfxMessageBox("Error joining host group"); group_flag=1; } } Matlabenginetest程序界面如图6. 2.2 分布式视觉仿真的实现 在局域网内，分别运行主机的“Matlabenginetest.dsw"文件和从机的“.exe文 件” •在主机界面上（图6）输入参数（风速为10m/s,遭遇角为75°,船速为10m/s,仿 真时间为50s）后依次点击按钮，在“开始仿真”前点击“网络联接

11、”，同时分别点击 从机工具栏上的“网络联接”（图7）,接着出现如图8所示的网络联接界面,点击 “OK”，“主机一从机”网络联通,点击主机程序界面的“开始仿真”按钮,分布式 减摇鳍减摇效果仿真呈现眼前. 图 6 Matlabenginetest 程序界面 Fig.6 Interface of the Matlabenginetest 图7从机工具栏中的“网络联接”按钮图Fig.7 Button of the network connection in the toolbar of slaves 图 8 网络联接界面 Fig.8 Interface of the network conne

12、ction 图9a）左为主机（未装减摇鳍的船舶）的横摇效果;图9b）为从机1（装有减摇鳍的船舶） 的视点1的横摇效果;图9c）为从机2（装有减摇鳍的船舶）的视点2的横摇效果. 图 9 分布式减摇鳍减摇效果图 Fig.9 Roll effect of distributed fin stabilizer 3 结论 1） 利用VC++将数学仿真软件Matlab与视觉仿真软件Vega结合起来，充分发挥 软件之间的优势互补,实现了船舶减摇鳍减摇效果的分布式视觉仿真,仿真结果令人 满意; 2） 本文旨在开发船舶减摇鳍减摇效果的分布式仿真平台,随着对海浪、减摇鳍控制 系统、分布式视觉仿真研究不

13、断深入,计算机性能的提高,资金的投入,该平台必会逐 步完善，在“船鳍匹配”及船舶安全领域发挥其重要作用. 参考文献（References） [1] 李晖•船舶减摇鳍系统智能控制及其可视化仿真的研究[D].大连海事大 学,2003:12-50. [2] 陈宁涂纯，余建国基于Matlab,VC++,Vega的减遥鳍控制系统的视觉仿真J]. 江苏科技大学学报:自然科学版，2007:21(6):30-34. Chen Ning, Yu Chun, She Jianguo.Based on Matlab, VC++, Vega away by the fin control system for

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