本文關(guān)鍵詞：現(xiàn)代船舶動(dòng)力定位系統(tǒng)的建模研究，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。

　　第 23 卷 　第 11 期
文章編號(hào) : 1006 - 9348 ( 2006 ) 11 - 0237 - 03

計(jì) 　算 　機(jī) 　仿 　真

2006 年 11 月 　　

船舶動(dòng)力定位海洋環(huán)境的建模與仿真
施小成 ,王元慧
(哈爾濱工程大學(xué)動(dòng)力與核能工程學(xué)院 ,黑龍江 哈爾濱 1

50001)

摘要 : 在船舶動(dòng)力定位系統(tǒng)設(shè)計(jì)中 ,必須考慮船舶所受到的外界環(huán)境干擾的影響 。 為了有效地量化海洋環(huán)境對(duì)動(dòng)力定位船舶 的作用 ,該文提出了海洋環(huán)境負(fù)載 (包括風(fēng) 、 海浪和海流 ) 的建模方法 ,并運(yùn)用 MA TLAB 的 M 文件和 S I UL I K分別編制了 M N 風(fēng)干擾力和力矩計(jì)算和隨機(jī)海浪的仿真程序 ,在三級(jí)海況下 ,實(shí)現(xiàn)了對(duì)海洋環(huán)境的仿真 ,得到了合理的仿真結(jié)果 。 此外 , 通過(guò) 改變仿真參數(shù) ,也可以對(duì)其它任何海況進(jìn)行仿真 ,使仿真程序具有較好的通用性和靈活性 。 該海洋環(huán)境的建模和仿真方法 , 對(duì)動(dòng)力定位系統(tǒng)控制策略的選取和軟硬件配置的調(diào)試有著重要意義 ,為船舶動(dòng)力定位的實(shí)時(shí)模擬奠定了基礎(chǔ) 。 關(guān)鍵詞 : 動(dòng)力定位 ; 海洋環(huán)境 ; 建模 ; 仿真 中圖分類(lèi)號(hào) : TP391. 9 　　文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 : A

M a r ine Env ironm en t M ode ling an d S i ula t ion for D ynam ic Po sit ion in g m
SH I X iao - cheng, WAN G Yuan - hu i
( Co llege of Powe r and N uclear Ene rgy Eng , H arbin Enginee ring U niversity, H a rbin He ilongjiang 150001, Ch ina) . A BSTRAC T: In the de sign of a ve ssel D P system , the environm ental disturbance s exe rted on the vesse l m u st be con sidered. In o rde r to effec tive ly calcu la te the fo rces and fo rce mom en ts acted on the D P ve ssel by m a rine environm en t, the modeling m e thods fo r m a rine environm ental load s, which include w ind, wave and sea cu rrent effects are p resen ted. In add ition, M - files a re used in MA TLAB and S I UL I K to deve lop the w ind fo rce and M N mom en t calcula tion and stocha stic wave sim ulation p rogram s to realize the sim ulation fo r m a rine environm ent at the third sea sta te code. The sim u lation re sults are reasonable. Mo reover, the sim u la tion p rogram s show good ve rsa tility and flexibility by m ean s of changing the sim u la tion pa ram eters to sim u la te any o the r sea state code s . The p re sented m arine environm ent mode ling and sim u la tion m ethod s are very impo rtant fo r choo sing the contro l strategy and debugging the software and ha rdwa re configuration fo r D P system , which estab lishe s the founda tion s fo r the rea l - tim e sim u la tion of dynam ic po sitioning of ve ssels . KEYW O RD S:D ynam ic po sitioning (D P) ; M a rine environm ent; Modeling; Sim ulation

1 　引言
為了在海上惡劣環(huán)境下順利完成海上作業(yè) , 現(xiàn)代工作船 舶以及其它浮式生產(chǎn)系統(tǒng) (包括半潛平臺(tái) , 鉆井平臺(tái) ) 大都 加 裝 了 動(dòng) 力 定 位 系 統(tǒng) 。 船 舶 的 動(dòng) 力 定 位 (D ynam ic
Po sitioning,簡(jiǎn)稱(chēng) D P) ,是指在有風(fēng) 、 、 浪 流的干擾情況下 , 不

借助錨泊系統(tǒng) ,利用自身的推進(jìn)裝置使船舶保持一定的位置 和角度或按照預(yù)定的運(yùn)動(dòng)軌跡運(yùn)動(dòng) 。 在本文中 , 我們引入兩種坐標(biāo)系 , 大地坐標(biāo)系 XE YE ZE 和隨船坐標(biāo)系 XV YV ZV ,如圖 1 所示 。 對(duì)于水面船舶來(lái)說(shuō) , 動(dòng)力定位系統(tǒng)的主要目的是實(shí)現(xiàn) 對(duì)水平面的位置和艏向 (即縱蕩 ,橫蕩和艏搖 )三個(gè)自由度的 控制 ,如圖 2 所示 。影響這三個(gè)物理量定位精度的主要因素
圖 1　 大地坐標(biāo)系和隨船坐標(biāo)系 收稿日期 : 2005 - 10 - 10

— 237 —

來(lái)自 傳 感 器 誤 差 、 陣風(fēng) 、 浪 與 流 的 波 干擾和推力器的響 應(yīng) 速 度 等 。因 此 , 對(duì)外界環(huán)境的研究 是船舶動(dòng)力定位控 制系統(tǒng)設(shè)計(jì)中一個(gè) 不容 忽 視 的 問(wèn) 題 。 本文分別對(duì)動(dòng)力定 位船舶在海上受到 的風(fēng) 、 和 流 的 作 浪 用進(jìn)行了研究和實(shí) 時(shí)仿真 。仿真程序 可以用于實(shí)際的動(dòng) 力定位船舶系統(tǒng) 。
圖 2　 船舶的三自由度運(yùn)動(dòng)示意圖

uw =Vw cos (β - ψ) w vw =Vw sin (β - ψ) w (1)

其中 , Vw 和 β 分別表示風(fēng)速和風(fēng)向 ,見(jiàn)圖 1。假設(shè)風(fēng)速 w 遠(yuǎn)大于船速 ,這樣 ,風(fēng)在縱蕩 、 橫蕩和艏搖方向的負(fù)荷向量可 表述為 ρ 0. 5 a Awx Cwx (γ ) | uw | uw w τ ind = 0. 5 a Awy Cwy (γ ) | vw | vw ρ w w ρ 0. 5 a AwyLoa Cwψ (γ ) | vw | vw w 風(fēng)的相對(duì)角為 γ =β - ψ w w
( 3) (2)

本文中 ,我們?nèi)?20 ℃下的是空氣密度 ρ = 1. 22Kg/m3 , a 船全長(zhǎng) Loa = 100m ,船未浸水部分在 xz - 平面和 yz - 平面的 橫向和縱向投影面積分別為 Awx = 400m2 和 Awy = 1000m2 。
Cwx (γ ) , Cwy (γ )和 Cw (γ ) 分別為縱蕩 、 橫蕩和艏搖方向 ψ w w w

的無(wú)因次風(fēng)系數(shù) ,是通過(guò) Isher ood 半經(jīng)驗(yàn)公式得到的 。我們 w 在 MA TLAB 6. 5 環(huán)境下 ,編制了求解風(fēng)力和力矩的程序 ,分別 以相對(duì)風(fēng)速為 10m / s 和 20m / s 為例進(jìn)行仿真 , 計(jì)算得到縱 蕩、 橫蕩和艏搖方向的風(fēng)力和力矩曲線如圖 3 所示 。

2　 風(fēng)的建模與仿真
風(fēng)的作用可以劃分為平均的緩慢變化的風(fēng)和快速變化 的風(fēng) 。將風(fēng)速分量定義為

圖 3　 風(fēng)在縱蕩橫蕩和艏搖三個(gè)方向上的力和力矩曲線

　　 由以上力和力矩曲線可知 ,仿真結(jié)果在合理范圍內(nèi) 。因 此 ,只要給定風(fēng)速和風(fēng)向 ,通過(guò)運(yùn)行我們編制的仿真程序 ,就 能計(jì)算得到風(fēng)對(duì)船在水平面三個(gè)自由度上的擾動(dòng)負(fù)載 , 這樣 可以仿真出風(fēng)對(duì)動(dòng)力定位船的影響 ,可以有的放矢的設(shè)計(jì)相 應(yīng)的控制器進(jìn)行有效的補(bǔ)償 。

3　 隨機(jī)海浪的仿真
在研究船舶在隨機(jī)海浪作用下的運(yùn)動(dòng)特性和船舶動(dòng)力 定位系統(tǒng)在海浪作用下的動(dòng)態(tài)響應(yīng)時(shí) ,經(jīng)常把海浪作為一個(gè) 平穩(wěn)隨機(jī)過(guò)程來(lái)處理 。我們采用長(zhǎng)峰波海浪進(jìn)行研究 ,假定

— 238 —

海浪是二因次的且只有一個(gè)固定前進(jìn)方向 ,每個(gè)垂直于波前 進(jìn)方向的波峰線是無(wú)限長(zhǎng)的 。我們編寫(xiě) MA TLAB 文件 , 運(yùn)用 動(dòng)態(tài)系統(tǒng)仿真工具 S I UL IN K進(jìn)行建模 , 如圖 4 所示 。 M

率和初相位 �？紤]海面上固定的波浪 ,不失一般性 ,設(shè)在 ξ =
0 和 η = 0 處 ,在仿真條件下 , 考慮到實(shí)際應(yīng)用 , 可以忽略高

次諧波 ,則定點(diǎn)長(zhǎng)峰波海浪方程可以寫(xiě)成 ζ( t) = ∑ ai cos (ωi t +εi ) ζ
i=1 n

(5)

海浪的諧波幅值 ζ 均是均勻微小量 ,由海浪知識(shí) , 隨機(jī) ai π 初相位 εi 是在 0 ～2 之間均勻分布的隨機(jī)變量 。 海浪的實(shí)時(shí)仿真是一個(gè)比較復(fù)雜的問(wèn)題 。如果用規(guī)則 波研究這些問(wèn)題 ,由于不反映實(shí)際的海浪 , 所以結(jié)果常常不 令人滿意 。其它的一些仿真方法 , 或能用于某種特定場(chǎng)合 , 或仿真速度太慢 ,不能為實(shí)時(shí)分析所利用 。本文采用的方法 不僅能仿真多種長(zhǎng)峰波海浪 ,而且可以靈活地改變它地參數(shù) 來(lái)滿足各種使用要求 。 仿真過(guò)程主要分為以下幾步 。首先 ,確定預(yù)仿真海浪的 頻譜形式 ,選用 P - M 譜和 ITTC 譜等 ,確定所選海浪的有關(guān) 參數(shù) (如有義波高 、 特性周期 、 風(fēng)速等 ) 。我國(guó)近海的海浪譜 譜密度可以表示為
A B S (ω) = 5 exp ( - 4 ) ζ ω ω (6)

我們采用一種常被使用的 B retschneider譜作為仿真譜 ,
圖 4　 海浪仿真的動(dòng)態(tài)模型

則 A = 2760h2 /3 / T4 , B = 690 / T4 。取三級(jí)海況 下 , 有 義波高 1 1 1
h1 /3 = 0. 9m ,峰值頻率 w0 = 0. 8 rad / s進(jìn)行譜密度計(jì)算 ,所得譜

我們對(duì)平均浪向 α ean = 0 ° , 有義波高 h1 /3 = 0. 9m , 峰值 m 頻率 w0 = 0. 8 rad / s的三級(jí)海況下的長(zhǎng)峰波的實(shí)際海況進(jìn)行 仿真 ,結(jié)果如圖 5 所示 。

密度曲線如圖 6 所示 。

圖 5　 三級(jí)海況的長(zhǎng)峰波實(shí)時(shí)仿真

圖 6 　h1 /3 = 0. 9m 的 B retschneider譜

由仿真出的海況可以看出 , 仿真結(jié)果符合長(zhǎng)峰波有無(wú) 窮長(zhǎng)的 、 單向的 、 不同間距的波峰彼此保持平行的二因次不 規(guī)則波浪的特征 。 假定隨機(jī)長(zhǎng)峰波海浪可以看成由無(wú)數(shù)個(gè)不同波幅和波 長(zhǎng)的諧波疊加而成 ,每個(gè)諧波都有同一個(gè)前進(jìn)方向 。根據(jù)海 浪理論 ,海面上某一點(diǎn)隨機(jī)海浪的波高可以用 ( 4 )式表示 ζ( t) = ∑ ai cos ( kξ μ + kηsin - ωi t +εi ) ζ μ i cos i
i=1

然后 ,根據(jù)等間隔法在采樣頻率 ω1 ,ω2 , …,ωn 下對(duì)所得 波譜進(jìn)行離散化采樣 ,求得 S (ω1 ) , S (ω2 ) , …, S (ωn ) , 又由 海浪理論 ,得波幅 ζ 和頻譜之間存在如下關(guān)系 ai
Δ ω

1 2 ω ∑ ζ = S (ωi )Δ i 2 ai

( 7)

Δ 趨于無(wú)限小時(shí) ,Δ 區(qū)內(nèi)得單元波趨于確定頻率得諧 ω ω
(4)

∞

波 ,故 ( 7 )式可變成 :
(下轉(zhuǎn)第 246 頁(yè) )

式中 ,ζ , ki ,ωi ,εi 分別為第 i次諧波的波幅 、 波數(shù) 、 角頻 ai

— 239 —

統(tǒng)是當(dāng)前加工制造業(yè)普遍需要推廣應(yīng)用的 ,數(shù)控仿真教學(xué)方 式也必將在數(shù)控機(jī)床操作人員培訓(xùn)中成為一種重要的教學(xué) 手段 。 參考文獻(xiàn) :
[ 1 ] 　戴露思 ,等 . 基于網(wǎng)絡(luò)服務(wù)的數(shù)控仿真服務(wù)系統(tǒng)的研究 [ J ].

[ 5 ] 　 Y S Tarng, W S Chang D ynam ic NC sim u lation of m illing . op eration s[ J ]. ( 12) : 769 - 775. Compu ter - A ided D esign, D ec. 1993, 25

[作者簡(jiǎn)介 ] 蔣楊永 ( 1981 - ) , 男 (漢族 ) , 浙江諸暨人 , 浙江工
業(yè)大學(xué)之江學(xué)院教師 ,主要研究方向?yàn)闄C(jī)電工程 , 數(shù) 控技術(shù)及 CAD /CAM;

電氣技術(shù)與自動(dòng)化 , 2003, ( 2) : 57 - 59.
[ 2 ] 　馬莉敏 ,等 . 建設(shè)現(xiàn)代數(shù)控技術(shù)實(shí)踐教學(xué)基地 培養(yǎng)學(xué)生綜合

能力 [ J ]. 實(shí)驗(yàn)室研究與探索 , 2001, 20 ( 2) : 85 - 87.
[ 3 ] 　蒲志新 . 數(shù)控實(shí)驗(yàn)教學(xué)仿真軟件的開(kāi)發(fā) [ J ]. 制造業(yè)自動(dòng)化 , 2003, 25 ( 3) : 22 - 23. [ 4 ] 　喬詠梅 ,等 . 數(shù)控仿真技術(shù)的回顧與評(píng)述 [ J ]. 計(jì)算機(jī)輔助設(shè)

王海根 ( 1967 - ) ,男 (漢族 ) , 江西樂(lè)平人 , 實(shí)驗(yàn)師 ,
工程碩士 ,主要從事 CAD /CAM 和數(shù)控方面的教學(xué) 與研究 ;

秦春節(jié) ( 1969 - ) ,女 (漢族 ) ,安徽蕪湖人 ,實(shí)驗(yàn)師 ,工程碩士 ,主要從
事 CAD /CAM 技術(shù)等方面的實(shí)驗(yàn)教學(xué)及研究 。

計(jì)與圖形學(xué)學(xué)報(bào) , 1995, 7 ( 4) : 311 - 315.

(上接第 239 頁(yè) ) vc =V c sin (βc - ψ) ( 9)

其中 , V c 和 βc 分別代表流速和流向 , 如圖 1 所示 。這 里 ,我們沒(méi)有考慮艏搖方向的流速 。海流對(duì)水面船舶的作用 可以通過(guò)將各海流速度分量引入到船的運(yùn)動(dòng)方程中由相對(duì) 速度向量 υ = [ u - uc , v - vc , r] T 體現(xiàn) 。 r

5 　結(jié)束語(yǔ)
研究動(dòng)力定位船舶在海上受到的外界環(huán)境的作用有著 重要的意義 , 根據(jù)船舶的運(yùn)動(dòng)性能及環(huán)境因素的影響 , 可以 為船舶控制系統(tǒng)提供控制策略 , 同時(shí)還可以用來(lái)調(diào)試動(dòng)力定 位控制儀的軟硬件配置 , 實(shí)現(xiàn)動(dòng)力定位的實(shí)時(shí)模擬 。 本文中 所設(shè)計(jì)的海洋環(huán)境的仿真程序具有很大的通用性和靈活性 , 可用于實(shí)際的動(dòng)力定位船舶系統(tǒng)的分析和設(shè)計(jì) 。 參考文獻(xiàn) :
[ 1 ] 　 T Fossen, S h ips[ C ]. et a l . P roc . Iden tif ica tion of D ynam ica lly Positioned O f the 3 rd IFAC W orkshop on Con trol

圖 7　 長(zhǎng)峰波隨機(jī)海浪仿真曲線

ζ = ai

ω 2S (ωi )Δ

( 8)

A pplica tions in M a rine S ystem s: N or ay, 1995. w

確定在每種特定的頻率下的各個(gè)諧波的幅值 ζ ,初相位 ai εi 后 ,根據(jù) ( 5 ) 式把每個(gè)諧波疊加起來(lái)就得到了如圖 7 所示 的仿真的長(zhǎng)峰波隨機(jī)海浪 。

362

-

369, T rondheim ,

[ 2 ] 　 T Fossen. Gu idance and Con trol of O cean V eh icles[M ]. N ew York: W iley, 1994. [ 3 ] 　 M A Isher ood. W ind R esistance of M erchan t S h ips[ J ]. T rans w .

4　 海流干擾的作用
作用在海上動(dòng)力定位船舶上的海流具有方向和速度的 特征 。研究中 ,一般不考慮在大地坐標(biāo)系下鉛垂方向運(yùn)動(dòng) 。 海流分為恒定流和潮汐流 。恒定流一般為固定方向和速度 的海流 ,如洋流 。而潮汐流指海洋因?yàn)槌毕\(yùn)動(dòng)而引起的海 水流動(dòng) ,其典型的表現(xiàn)為海流方向的緩慢變化 。但對(duì)于每次 動(dòng)力定位來(lái)說(shuō) ,海流的大小與方向可以認(rèn)為是確定的 。所以 海流的模型可以統(tǒng)一按照大小和方向恒定來(lái)確立 。 流的速度分量表示為
uc =V c cos (βc - ψ)

Inst N ava l A rch. R INA, 1972, 115: 327 - 338. . [ 4 ] 　 T ristan Perez . A n In troduction to M a rine Cybernetics[ R ].

CeSOS S em ina r N or eg ian U n iversity of S cience and Technology . w N TNU. N or ay, 2005. w

[作者簡(jiǎn)介 ]

施小成 ( 1957. 8 - ) ,男 (漢族 ) , 福建人 , 教授 , 博士
生導(dǎo)師 ,主要研究方向 : 船舶動(dòng)力定位系統(tǒng)及水下機(jī) 器人的綜合運(yùn)動(dòng)控制 ;

王元慧 ( 1981. 9 - ) , 女 (漢族 ) , 吉林臨江人 , 博士
研究生 ,主要研究方向?yàn)榇皠?dòng)力定位系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 與仿真 。

— 246 —



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