潜艇运动仿真及航行试验评估方法_黄利华
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2 系统辨识
图 2 安全包络线示例 Fig.2 Samplesafetyenvelopes
6个运动方程包含有大约 120个参数 [ 4] , 例如质 量 、惯性矩 、推力系数以及水动力系数 [ 5] (取决 于速 度 、角速率 、控制 面角度以 及前几个 参数的综 合 )。
系统辨识 是一种寻找精确系统模型 (包括一些 参数值 )的艺术和科学 [ 8] , 在某些情况下用试验数据 和先验知识可能是最理想的方法 , 这一理论已经非常 完美 , 可以从各种各样的模型种类中选择 。 其重点在 于模型的相关信息必须包含在数据中 , 引出黑箱模型 (非先验知识 )或灰箱模型 (部分先验知识 )。 从这个 意义上讲 , 系统辨识问题和仿真问题是互逆关系 。一 方面可观察到的物理行为 (取决于模型参数的给定 值数值 )在仿真的过程中被确定了 , 另一方面系统辨 识的过程决定模型的参数 , 而这个参数又取决于给定 的可观察到的物理行为 。
第203131卷年第7 月7期
舰 船 科 学 技 术 SHIPSCIENCEANDTECHNOLOGY
Vol.33 , Jul.,
No.7 2011
潜艇运动仿真及航行试验评估方法
黄利华 , 孟晓宇 , 杨路春 , 刘志宏
(武汉第二船舶设计研究所 , 湖北 武汉 430064)
摘 要 : 潜艇运动仿真和航行试验评估在潜艇的整个设计周期中 起重要作用 。 在设计论证阶段 , 基于理 论计
收稿日期 :2011 -01 -18;修回日期 :2011-03 -14 作者简介 :黄利华 (1978 -), 男 , 工程师 , 主要研究方向为船舶及海洋结构物设计 。
第 7期
黄利华 , 等 :潜艇运动仿真及航行试验评估方法
· 33·
带有官方性质 , 具有很高的权威性 , 并被世界各国广 泛采用 。 1979年 Feldman对潜艇 在高速 、大舵角 回 转过程中潜艇上的水动力特性分析后给出了改进方 程 [ 2] 。该方程主要考虑 了横向流阻力 、运动过程 中 水动力产生的记忆效应 , 以及指挥台围壳下泄涡在尾 附体上诱导产生的横滚和有艇体的掩蔽作用在尾升 降舵和方向舵上产生的局部升力 。
潜艇运动仿真所用数学模型是 Feldman(1979) 描述 的 空间 运 动 方程 的 扩展 。 仿真 过 程 是 在 FORTARN环境下进行的 , 通过命令文件或通过操纵 杆的交互方式输入到程序 。
以地面右手直角坐标系为惯性参考系 , Eζ轴指向 地心 , Eξ轴和 Eη轴在水平面内相互垂直[ 3] (见图 1)。
和模型确认 , 选择最优模型 ; 6)模型的使用 , 如预测 、仿真 、控制器设计输入 。 步骤 3)～ 5)经常重复进行 。 参照上面提到的各步骤 , 下面对每个步骤的具体
执行情况进行详细举例说明 : 1)试验由一系列在不同航速 , 包括水平面和垂
直面下的标准机动操纵 (例 如超越 , “Z”形机动 , 回 转 , 停车和加速等 )以及一些非平面内的运动 。 试验 步骤及试验内容的设定必须满足 2个目标 :其一要精 简 ;其二要针对系统辨识的用途 , 而最有价值的信息 (系统辨 识方面 )是通 过艇的极 限运动产 生的 。 当 然 , 第 2个目标也将受到安全性和操纵条件的限制 。
2)现有的 Fortran程序将集成到操纵控制仿真 显控台 , 作为潜艇运动虚拟现实的一个显示界面 。
3)运动仿真可结合 MATLAB下的 SIMULINK软 件包运行 , 以便利用 MATLAB软件的长处 。例如模 块化结构 , 矩阵计算 , 仿真图形界面 , 方便数据输入和 输出 。
4)充分利用 MATLAB中的各类工具箱 , 将航向 和深度控制器通过控制系统工具箱集成到运动仿真 系统中 , 而系统辨识工具箱将用于海试评估 。
6)在无法进一步改进时 , 可将得到的参数代入 到原运动方程的系数中 。 遗憾的是有些关联量并不 是一对一的 。运动方程中的某些系数描述的是与同
一个实体相关的东西 。 例如 , 质量和附加质量都体现 加速度的系数 , 而只有它们二者之和才能从辨识中估 算出来 。 这对于运动仿真来说没有太大影响 , 但是当 结果要应用在其他用途 , 例如数值计算时 , 这种不定 性就必须要解决 。 系统辨识过程中的结果也可改进 仿真模型 。
除了对安全包络线的计算外 , 运动仿真还用于性 能参数评估 、海上试验准备 , 以及作为正在进行的各 种不同研究的核心手段 , 例如潜艇自动操纵系统的设 计。
在潜艇运动仿真的研究与开发中 , 需要注意如下 几点 :
1)为了能在未来需要的时候支持分布式联合仿 真 , 需要对 HDW集群 内的 HLA(高层体系结 构 )[ 7] 应用进行跟踪 。
在方案的不同阶段 , 这些参数的值通过不同的方法获 得 。在设计和方案确立阶段 , 这些参数都是通过模型 计算或外推得来的 。其后得到艇的几何外形 , 通过模 型试验求测到水动力系数 。 交付前 , 这些数值必须经 过海上试验评估进行验证 。 由于模型试验的局限性 和海上测量的限制 , 有些系数仅仅只 能得到部分确 认 。如使用平面运动机构 (PMM)[ 6] 模型试验无法进 行任何转向和纵摇叠加运动的测量 。 即使在海试中 , 目前也没有真正令人满意的测量横向速率的方法 。
图 1 运动方程式的坐标系 Fig.1 Coordinatesystemofmotionequationarray
空间运动方程也用于计算并确定潜艇操纵安全 包络线 。安全包络线是一系列由深度 、航速 、纵倾角 和舵角表示的限制条件 。 这个界限的定义为潜艇在 严重事故 (例如进水或者卡舵 )情况下能安全恢复的 操作点 。潜艇操纵控制技术目前的发展水平体现在 安全包络线上 。 安全包络线示意图见图 2。
2)数据将从操纵 控制单元复制 到便携计算 机 中 。海上试验结束后这些数据将被导入 MATLAB程 序中 。 经过非线性转换后 , 这些数据将作为交互式系 统辨识工具箱的输入 。
3)最开始的模型集是由一些被称为线性状态空 间模型组成 。数据将进行相应的转换 , MATLAB允许 对空间模型进行广泛的定制 (例如固定某些参 数的 值以及指定需要进行评估的参数 )。
关键词 : 水动力 ;运动仿真 ;航行试验 ;安全包络 ;系统辨识 中图分类号 : U661.31 文献标识码 : A 文章编号 : 1672 -7649(2011)07 -0032 -04 DOI:10.3404/j.issn.1672 -7649.2011.07.007
Themethodofsubmarinemotionsimulationandevaluationoffullscaletrials
算的潜艇运动仿真可以 对潜艇总体性能进行预评估 , 而航行试验 评估则对仿 真计算与 模型试验进 行验证 。 本文 介绍 了潜艇运动仿真的设计 状况 、设计要点及系 统辨识方 法 。 并对 标准海 上试验 程序提 出修改意 见 , 在确定 的定常 航行 条件下 , 这个新的程序可以在较少的时间内获得更有用的结果 。
Key words: hydrodynamic; motion simulation; fullscale trials; safty envelopes; system identification
0 引 言
1 潜艇运动仿真
在潜艇设计论证阶段 , 基于理论计算的潜艇运动 仿真可以指导潜艇的总体设计与性能优化 , 并对潜艇 的运动性能进行预报和评估 , 同时还可以计算潜艇操 纵安全包络线 , 为潜艇自动操纵 系统的设计提供 支 持 。在交艇阶段 , 航行试验评估则做为验证仿真计算 与模型试验的重要手段 , 并可通过系统辨识的方法利 用航行试验数据对仿真模型进行修正与完善 , 进一步 提高仿真精度 。
HUANGLi-hua, MENGXiao-yu, YANGLu-chun, LIUZhi-hong (WuhanSecondShipDesignandResearchInstitute, Wuhan430064, China)
Abstract: Modelingofsubmarinemotionandevaluationofseatrialsplayanimportantrolewithinthe designcycle.Duringearly stagesofthecyclesimulationsofsubmarinemotion based on theoretical calculationsallowtheevaluationofseatrialsplaysacrucialroleinacceptanceandasatBaidu Nhomakorabeaoltovalidate calculationsandmodeltests.Thispaperwillstartwiththetoolsforsubmarinemotionsimulation, their presentpartinthedesignprocessandfuturegoalsforimprovement.Thisisfollowedbyashortintroduction tosystemidentificationtools, illustratedbytheplannedevaluationoftheseatrialsofoneforeignsubmarine. Finallyamodificationofoneofthestandardseatrialsispresented.Thenewprocedureforthedetermination oftheso-calledneutrallevelflightconditionwillgivemorerobustresultswhileneedingsignificantlyless time.
3 定常航行的评估
通常标准的海上试验是在定常航行条件下进行 的运动参数测定 。 定常航行是潜 艇 (给定了固定舵 角和纵倾角 )在恒定的深 度下保持稳定 航行 。 定常 航行的评估具有很高的理论价值和实际用途 。
对于在恒定纵倾角和恒定深度稳定航行的潜艇 , 其法向作用力之和 (对于船来说是向上或向下作用 ) 以及纵向力矩之和 (首倾或尾倾 )必须等于 0。 为了 满足以上这 2个条件 , 必须确定 3个值 , 即纵倾角 、首 水平舵舵角和尾水平舵舵角 。对于具有可伸缩首舵 的潜艇 , 首水平舵角将设置为 0, 但纵倾角和尾水平 舵必须确定 ;对于不具有可伸缩首舵的潜艇 , 则使艇 纵倾角为 0, 并探求尾水平舵舵角 。
海上试验之后 , 系统辨识的方法用于验证模型试 验和水动力计算 。
一个典型的系统辨识过程可以分为以下 6 个步
· 34·
舰 船 科 学 技 术
第 33卷
骤: 1)试验设计和试验 ; 2)数据 获取和 数据准 备 (包 括比 例换 算和 转
化 ); 3)模型集的选择 (通常包括模型的阶数 ); 4)模型参数的计算 (所选模型集中最优的 ); 5)通过特征函数的计算以及同过去模型的比较
潜艇运动 仿真是在不同的输入条件下 (初始条 件 、给定的航速 、给定的舵角 、重力和浮力的变化 )对 6个自由度空间运动 (纵向 、横向 、垂向 、横摇 、纵摇 、 偏航 )上进行仿真的 。
1967 年 美 国 海 军 舰 船 研 究 和 发 展 中 心 (DTNSRDC)Gertler和 Hagen发表了潜艇空间标准运 动方程 [ 1] 。这个方程是建立在大量船模试验 (约束 船模和自由航模 )和试验结果的处理上 , 该标准方程
4)模 型组 内的 最佳参 数 计算 是自 动完 成的 。 MATLAB数值函数的优点 (精确性 、能自动选择合适 的算法以及文件管理 )有很好的帮助 。 最佳值是由 1 个所谓的最大似然估计量而获得 。
5)预估模型可以通过使用最大似然函数数值和 以往的模型进行 比较 。 误差 (在 预估和实际度量 间 的差异 )需要进行检验 , 预估模型通过对部分没有用 在估算上的数据进行比较来验证 。一种简易的表达 应该注意使用参数的数量尽量少 , 但通常任何模型都 是通过逐渐增加目标函数的参数数量来获得更优值 , 为了使得到的模型集更优 , 需要有足够多的经验和试 验 。具有交互性和广泛特性的 MATLAB工具箱在这 方面提供了较好的帮助 。
图 2 安全包络线示例 Fig.2 Samplesafetyenvelopes
6个运动方程包含有大约 120个参数 [ 4] , 例如质 量 、惯性矩 、推力系数以及水动力系数 [ 5] (取决 于速 度 、角速率 、控制 面角度以 及前几个 参数的综 合 )。
系统辨识 是一种寻找精确系统模型 (包括一些 参数值 )的艺术和科学 [ 8] , 在某些情况下用试验数据 和先验知识可能是最理想的方法 , 这一理论已经非常 完美 , 可以从各种各样的模型种类中选择 。 其重点在 于模型的相关信息必须包含在数据中 , 引出黑箱模型 (非先验知识 )或灰箱模型 (部分先验知识 )。 从这个 意义上讲 , 系统辨识问题和仿真问题是互逆关系 。一 方面可观察到的物理行为 (取决于模型参数的给定 值数值 )在仿真的过程中被确定了 , 另一方面系统辨 识的过程决定模型的参数 , 而这个参数又取决于给定 的可观察到的物理行为 。
第203131卷年第7 月7期
舰 船 科 学 技 术 SHIPSCIENCEANDTECHNOLOGY
Vol.33 , Jul.,
No.7 2011
潜艇运动仿真及航行试验评估方法
黄利华 , 孟晓宇 , 杨路春 , 刘志宏
(武汉第二船舶设计研究所 , 湖北 武汉 430064)
摘 要 : 潜艇运动仿真和航行试验评估在潜艇的整个设计周期中 起重要作用 。 在设计论证阶段 , 基于理 论计
收稿日期 :2011 -01 -18;修回日期 :2011-03 -14 作者简介 :黄利华 (1978 -), 男 , 工程师 , 主要研究方向为船舶及海洋结构物设计 。
第 7期
黄利华 , 等 :潜艇运动仿真及航行试验评估方法
· 33·
带有官方性质 , 具有很高的权威性 , 并被世界各国广 泛采用 。 1979年 Feldman对潜艇 在高速 、大舵角 回 转过程中潜艇上的水动力特性分析后给出了改进方 程 [ 2] 。该方程主要考虑 了横向流阻力 、运动过程 中 水动力产生的记忆效应 , 以及指挥台围壳下泄涡在尾 附体上诱导产生的横滚和有艇体的掩蔽作用在尾升 降舵和方向舵上产生的局部升力 。
潜艇运动仿真所用数学模型是 Feldman(1979) 描述 的 空间 运 动 方程 的 扩展 。 仿真 过 程 是 在 FORTARN环境下进行的 , 通过命令文件或通过操纵 杆的交互方式输入到程序 。
以地面右手直角坐标系为惯性参考系 , Eζ轴指向 地心 , Eξ轴和 Eη轴在水平面内相互垂直[ 3] (见图 1)。
和模型确认 , 选择最优模型 ; 6)模型的使用 , 如预测 、仿真 、控制器设计输入 。 步骤 3)～ 5)经常重复进行 。 参照上面提到的各步骤 , 下面对每个步骤的具体
执行情况进行详细举例说明 : 1)试验由一系列在不同航速 , 包括水平面和垂
直面下的标准机动操纵 (例 如超越 , “Z”形机动 , 回 转 , 停车和加速等 )以及一些非平面内的运动 。 试验 步骤及试验内容的设定必须满足 2个目标 :其一要精 简 ;其二要针对系统辨识的用途 , 而最有价值的信息 (系统辨 识方面 )是通 过艇的极 限运动产 生的 。 当 然 , 第 2个目标也将受到安全性和操纵条件的限制 。
2)现有的 Fortran程序将集成到操纵控制仿真 显控台 , 作为潜艇运动虚拟现实的一个显示界面 。
3)运动仿真可结合 MATLAB下的 SIMULINK软 件包运行 , 以便利用 MATLAB软件的长处 。例如模 块化结构 , 矩阵计算 , 仿真图形界面 , 方便数据输入和 输出 。
4)充分利用 MATLAB中的各类工具箱 , 将航向 和深度控制器通过控制系统工具箱集成到运动仿真 系统中 , 而系统辨识工具箱将用于海试评估 。
6)在无法进一步改进时 , 可将得到的参数代入 到原运动方程的系数中 。 遗憾的是有些关联量并不 是一对一的 。运动方程中的某些系数描述的是与同
一个实体相关的东西 。 例如 , 质量和附加质量都体现 加速度的系数 , 而只有它们二者之和才能从辨识中估 算出来 。 这对于运动仿真来说没有太大影响 , 但是当 结果要应用在其他用途 , 例如数值计算时 , 这种不定 性就必须要解决 。 系统辨识过程中的结果也可改进 仿真模型 。
除了对安全包络线的计算外 , 运动仿真还用于性 能参数评估 、海上试验准备 , 以及作为正在进行的各 种不同研究的核心手段 , 例如潜艇自动操纵系统的设 计。
在潜艇运动仿真的研究与开发中 , 需要注意如下 几点 :
1)为了能在未来需要的时候支持分布式联合仿 真 , 需要对 HDW集群 内的 HLA(高层体系结 构 )[ 7] 应用进行跟踪 。
在方案的不同阶段 , 这些参数的值通过不同的方法获 得 。在设计和方案确立阶段 , 这些参数都是通过模型 计算或外推得来的 。其后得到艇的几何外形 , 通过模 型试验求测到水动力系数 。 交付前 , 这些数值必须经 过海上试验评估进行验证 。 由于模型试验的局限性 和海上测量的限制 , 有些系数仅仅只 能得到部分确 认 。如使用平面运动机构 (PMM)[ 6] 模型试验无法进 行任何转向和纵摇叠加运动的测量 。 即使在海试中 , 目前也没有真正令人满意的测量横向速率的方法 。
图 1 运动方程式的坐标系 Fig.1 Coordinatesystemofmotionequationarray
空间运动方程也用于计算并确定潜艇操纵安全 包络线 。安全包络线是一系列由深度 、航速 、纵倾角 和舵角表示的限制条件 。 这个界限的定义为潜艇在 严重事故 (例如进水或者卡舵 )情况下能安全恢复的 操作点 。潜艇操纵控制技术目前的发展水平体现在 安全包络线上 。 安全包络线示意图见图 2。
2)数据将从操纵 控制单元复制 到便携计算 机 中 。海上试验结束后这些数据将被导入 MATLAB程 序中 。 经过非线性转换后 , 这些数据将作为交互式系 统辨识工具箱的输入 。
3)最开始的模型集是由一些被称为线性状态空 间模型组成 。数据将进行相应的转换 , MATLAB允许 对空间模型进行广泛的定制 (例如固定某些参 数的 值以及指定需要进行评估的参数 )。
关键词 : 水动力 ;运动仿真 ;航行试验 ;安全包络 ;系统辨识 中图分类号 : U661.31 文献标识码 : A 文章编号 : 1672 -7649(2011)07 -0032 -04 DOI:10.3404/j.issn.1672 -7649.2011.07.007
Themethodofsubmarinemotionsimulationandevaluationoffullscaletrials
算的潜艇运动仿真可以 对潜艇总体性能进行预评估 , 而航行试验 评估则对仿 真计算与 模型试验进 行验证 。 本文 介绍 了潜艇运动仿真的设计 状况 、设计要点及系 统辨识方 法 。 并对 标准海 上试验 程序提 出修改意 见 , 在确定 的定常 航行 条件下 , 这个新的程序可以在较少的时间内获得更有用的结果 。
Key words: hydrodynamic; motion simulation; fullscale trials; safty envelopes; system identification
0 引 言
1 潜艇运动仿真
在潜艇设计论证阶段 , 基于理论计算的潜艇运动 仿真可以指导潜艇的总体设计与性能优化 , 并对潜艇 的运动性能进行预报和评估 , 同时还可以计算潜艇操 纵安全包络线 , 为潜艇自动操纵 系统的设计提供 支 持 。在交艇阶段 , 航行试验评估则做为验证仿真计算 与模型试验的重要手段 , 并可通过系统辨识的方法利 用航行试验数据对仿真模型进行修正与完善 , 进一步 提高仿真精度 。
HUANGLi-hua, MENGXiao-yu, YANGLu-chun, LIUZhi-hong (WuhanSecondShipDesignandResearchInstitute, Wuhan430064, China)
Abstract: Modelingofsubmarinemotionandevaluationofseatrialsplayanimportantrolewithinthe designcycle.Duringearly stagesofthecyclesimulationsofsubmarinemotion based on theoretical calculationsallowtheevaluationofseatrialsplaysacrucialroleinacceptanceandasatBaidu Nhomakorabeaoltovalidate calculationsandmodeltests.Thispaperwillstartwiththetoolsforsubmarinemotionsimulation, their presentpartinthedesignprocessandfuturegoalsforimprovement.Thisisfollowedbyashortintroduction tosystemidentificationtools, illustratedbytheplannedevaluationoftheseatrialsofoneforeignsubmarine. Finallyamodificationofoneofthestandardseatrialsispresented.Thenewprocedureforthedetermination oftheso-calledneutrallevelflightconditionwillgivemorerobustresultswhileneedingsignificantlyless time.
3 定常航行的评估
通常标准的海上试验是在定常航行条件下进行 的运动参数测定 。 定常航行是潜 艇 (给定了固定舵 角和纵倾角 )在恒定的深 度下保持稳定 航行 。 定常 航行的评估具有很高的理论价值和实际用途 。
对于在恒定纵倾角和恒定深度稳定航行的潜艇 , 其法向作用力之和 (对于船来说是向上或向下作用 ) 以及纵向力矩之和 (首倾或尾倾 )必须等于 0。 为了 满足以上这 2个条件 , 必须确定 3个值 , 即纵倾角 、首 水平舵舵角和尾水平舵舵角 。对于具有可伸缩首舵 的潜艇 , 首水平舵角将设置为 0, 但纵倾角和尾水平 舵必须确定 ;对于不具有可伸缩首舵的潜艇 , 则使艇 纵倾角为 0, 并探求尾水平舵舵角 。
海上试验之后 , 系统辨识的方法用于验证模型试 验和水动力计算 。
一个典型的系统辨识过程可以分为以下 6 个步
· 34·
舰 船 科 学 技 术
第 33卷
骤: 1)试验设计和试验 ; 2)数据 获取和 数据准 备 (包 括比 例换 算和 转
化 ); 3)模型集的选择 (通常包括模型的阶数 ); 4)模型参数的计算 (所选模型集中最优的 ); 5)通过特征函数的计算以及同过去模型的比较
潜艇运动 仿真是在不同的输入条件下 (初始条 件 、给定的航速 、给定的舵角 、重力和浮力的变化 )对 6个自由度空间运动 (纵向 、横向 、垂向 、横摇 、纵摇 、 偏航 )上进行仿真的 。
1967 年 美 国 海 军 舰 船 研 究 和 发 展 中 心 (DTNSRDC)Gertler和 Hagen发表了潜艇空间标准运 动方程 [ 1] 。这个方程是建立在大量船模试验 (约束 船模和自由航模 )和试验结果的处理上 , 该标准方程
4)模 型组 内的 最佳参 数 计算 是自 动完 成的 。 MATLAB数值函数的优点 (精确性 、能自动选择合适 的算法以及文件管理 )有很好的帮助 。 最佳值是由 1 个所谓的最大似然估计量而获得 。
5)预估模型可以通过使用最大似然函数数值和 以往的模型进行 比较 。 误差 (在 预估和实际度量 间 的差异 )需要进行检验 , 预估模型通过对部分没有用 在估算上的数据进行比较来验证 。一种简易的表达 应该注意使用参数的数量尽量少 , 但通常任何模型都 是通过逐渐增加目标函数的参数数量来获得更优值 , 为了使得到的模型集更优 , 需要有足够多的经验和试 验 。具有交互性和广泛特性的 MATLAB工具箱在这 方面提供了较好的帮助 。