船舶耐波性實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)分析

徐茂勝,楊旺林,楊松林

（江蘇海藝船舶科技有限公司,江蘇 鎮(zhèn)江 212009）

0 引言

一些船舶航行水域多變，對(duì)耐波性提出較高要求。目前建立船舶運(yùn)動(dòng)數(shù)學(xué)模型主要有機(jī)理建模法和辨識(shí)建模法。隨著系統(tǒng)辨識(shí)的不斷發(fā)展以及船舶模型試驗(yàn)數(shù)據(jù)采集方法的日益優(yōu)化，系統(tǒng)辨識(shí)研究船舶性能已廣泛應(yīng)用[1-5]。船舶搖蕩是耐波性的主要內(nèi)容，耐波性所涉及的其他內(nèi)容主要是由船舶搖蕩引起的[6-7]，因此預(yù)測(cè)船舶搖蕩是耐波性評(píng)定的最基本條件[8-10]。

該文研究的核心內(nèi)容是船舶耐波性實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。建立船舶耐波性系統(tǒng)辨識(shí)模型，實(shí)時(shí)地對(duì)一艘滑行艇模型進(jìn)行操縱性辨識(shí)。包括建立船載各傳感器或艇載電腦與岸機(jī)之間數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)傳輸及相關(guān)顯示或分析系統(tǒng)。通過(guò)對(duì)船模耐波性實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，驗(yàn)證所設(shè)計(jì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的可靠性。主要內(nèi)容包括：船舶耐波性實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)硬件系統(tǒng)、軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)以及試驗(yàn)驗(yàn)證。

1 船舶耐波性實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)搭建

1.1 實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ?/h3>

該次實(shí)驗(yàn)選用了江蘇科技大學(xué)船模室的一艘無(wú)人滑行艇模型，其主要參數(shù)如下（見(jiàn)表1）。

表1 船模主要參數(shù)

1.2 硬件系統(tǒng)

要實(shí)現(xiàn)對(duì)船模耐波性實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，船模需包含核心控制系統(tǒng)、姿態(tài)測(cè)量系統(tǒng)、導(dǎo)航定位系統(tǒng)、數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)、數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)、能源系統(tǒng)，各系統(tǒng)有機(jī)結(jié)合，組成船舶耐波性實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的硬件系統(tǒng)（見(jiàn)圖1）。

圖1 硬件系統(tǒng)框架圖

1.3 軟件系統(tǒng)

實(shí)現(xiàn)船舶耐波性的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，要結(jié)合相關(guān)軟件系統(tǒng)與前文所述的硬件系統(tǒng)相輔相成。耐波性實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)軟件系統(tǒng)要建立耐波性數(shù)學(xué)模型，進(jìn)而確定相關(guān)性能的監(jiān)測(cè)方法。首先建立耐波性數(shù)學(xué)模型，然后運(yùn)用系統(tǒng)辨識(shí)的方法對(duì)耐波性進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。對(duì)所需數(shù)據(jù)進(jìn)行測(cè)量、傳輸，再由岸機(jī)電腦進(jìn)行計(jì)算。軟件監(jiān)測(cè)系統(tǒng)框架圖見(jiàn)圖2。

圖2 軟件監(jiān)測(cè)系統(tǒng)框架圖

波浪引起船舶在水中搖蕩，受力可表現(xiàn)為阻尼力矩的形式。該文主要構(gòu)建船舶在規(guī)則波浪中的橫搖運(yùn)動(dòng)數(shù)學(xué)模型。

根據(jù)動(dòng)平衡原理，作用于橫搖運(yùn)動(dòng)船上的總力矩等于零，則得到：

在某一特定周期下，波浪擾動(dòng)力矩可視為波高的函數(shù)，這里假設(shè)波浪擾動(dòng)力矩是波高的二次函數(shù)，當(dāng)波高為零時(shí)波浪擾動(dòng)力矩也為零，再將 離散化，即有對(duì)k+1下的角速度預(yù)報(bào)為：

2 船舶耐波性實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)船模試驗(yàn)及分析

將前述各系統(tǒng)有機(jī)結(jié)合，通過(guò)模型試驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證。該試驗(yàn)著重驗(yàn)證所構(gòu)建船舶耐波性實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的可行性、穩(wěn)定性。

2.1 耐波性實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)試驗(yàn)方案

結(jié)合上述船舶橫搖運(yùn)動(dòng)數(shù)學(xué)模型及系統(tǒng)辨識(shí)數(shù)學(xué)模型，在試驗(yàn)中主要開(kāi)展船舶橫搖運(yùn)動(dòng)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。方案一是通過(guò)控制短周期內(nèi)舵角的正負(fù)變換使船模在運(yùn)動(dòng)中發(fā)生橫搖，電機(jī)電壓1.7 V，舵角30°，周期2 s；方案二為船模大角度（初始橫搖角度為20°）橫搖衰減試驗(yàn)，試驗(yàn)數(shù)據(jù)通過(guò)所建實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，傳回岸機(jī)PC電腦進(jìn)行系統(tǒng)辨識(shí)。試驗(yàn)在江蘇科技大學(xué)室外游泳池進(jìn)行。

2.2 耐波性實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)試驗(yàn)情況與分析

實(shí)驗(yàn)時(shí)天氣狀況較好，水面微小波浪。對(duì)泳池中的波浪做出假設(shè)：波浪波幅為3 cm，周期為2 s，正弦規(guī)則波見(jiàn)圖3、圖4、圖5、圖6。

圖3 耐波性實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)試驗(yàn)

圖4 橫搖辨識(shí)程序界面

圖5 20°橫搖衰減時(shí)對(duì)角速度擬合曲線

圖6 強(qiáng)迫橫搖對(duì)角速度擬合曲線

20°橫搖衰減橫搖運(yùn)動(dòng)方程為：

強(qiáng)迫橫搖運(yùn)動(dòng)方程為：

試驗(yàn)過(guò)程中，船模在設(shè)定程序下進(jìn)行了強(qiáng)迫橫搖運(yùn)動(dòng)，用以模擬船模在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中產(chǎn)生的橫搖運(yùn)動(dòng)。MTi串口正常調(diào)用并采集數(shù)據(jù)，岸機(jī)正常接收MTi所采集的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)。試驗(yàn)結(jié)束后在PAC內(nèi)部成功生成記錄MTi數(shù)據(jù)的TXT文檔。將橫搖運(yùn)動(dòng)辨識(shí)所需相關(guān)數(shù)據(jù)帶入到回轉(zhuǎn)性能系統(tǒng)辨識(shí)程序中，系統(tǒng)辨識(shí)程序處理數(shù)據(jù)正常，對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)的擬合效果良好。通過(guò)橫搖衰減系統(tǒng)辨識(shí)擬合圖表，可得知所構(gòu)建的橫搖運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)辨識(shí)數(shù)學(xué)模型能夠用于研究該船模的橫搖運(yùn)動(dòng)情況。

試驗(yàn)中，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)工作正常，數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)工作正常，數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)工作正常，且所構(gòu)建的船舶橫搖運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)辨識(shí)數(shù)學(xué)模型可靠。

綜上，判定船舶耐波性實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，對(duì)船模耐波性實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)正常，船舶耐波性實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)試驗(yàn)驗(yàn)證成功。

3 結(jié)論

該文構(gòu)建了船舶耐波性實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)硬件系統(tǒng)。以可編程自動(dòng)控制器PAC作為核心控制器，導(dǎo)航系統(tǒng)由DGPS、三維電子羅盤組成，姿態(tài)測(cè)量系統(tǒng)由激光測(cè)距儀、MTi組成，數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)采用數(shù)傳電臺(tái)，數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)采用PC電腦。通過(guò)測(cè)試，該硬件監(jiān)測(cè)系統(tǒng)符合該文所構(gòu)建的船舶操縱性實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的要求。

同時(shí)，構(gòu)建了船舶耐波性實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)軟件系統(tǒng)。建立了船舶耐波性數(shù)學(xué)模型，基于遺傳算法確立了耐波性性能研究的系統(tǒng)辨識(shí)模型，并基于VB6.0改編了相應(yīng)的系統(tǒng)辨識(shí)程序；編寫了船模運(yùn)動(dòng)控制、數(shù)據(jù)傳輸程序以及各數(shù)據(jù)采集串口程序，設(shè)計(jì)了PAC執(zhí)行程序界面。

對(duì)船舶耐波性實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)成功進(jìn)行了船模試驗(yàn)驗(yàn)證，該系統(tǒng)設(shè)計(jì)成功。