基于Simulink的船舶运动模型的建立与仿真

摘要

船舶运动数学模型是船舶运动仿真与控制问题的核心。目前，船舶运动数学模型建模中主要有两大流派：以Abkowite为代表的整体型结构模型和日本拖曳水池委员会（JTTC）提出的分离型结构模型，简称MMG模型。本文主要是对于船舶的回转运动进行研究，采用的是MMG模型。根据13000T散货船的主要参数，通过计算求出所需的相关量，建立了船舶的线性响应型模型。在此模型的基础上，利用MATLAB中的Simulink模块将此数学模型在该软件中建立一个仿真模型。在Simulink中对建立的仿真模型进行运行得到船舶运动参数。通过Simulink的外部模式将仿真结果变成实时输出数据，利用RS232发送并接受数据，用Visual C++连接数据库和RS232的数据提取，再利用Visual C++与SQL的接口读取数据，并通过OSG进行实现船舶回转运动的可视化虚拟仿真。

关键词：船舶回转运动；数学模型；Simulink；视觉仿真；OSG

Abstract

The ship motion mathematical model is the problem’s core about the ship motion simulation and control. Currently, there are two major schools in the ship motion mathematical model’s modeling: the overall structure model represented by Abkowite and the separation of structure model referred to as the MMG model proposed by the Japan Towing Tank Committe e (JTTC). This article mainly research on the rotary movement of the ship, using the MMG model. Based on the 13000T bulk carrier’s main parameters, we obtain the required relevant amount by calculating. Then we establish the linear response model of the ship. On the basis of this model, we transfer this mathematical model into a simulation model with the Simulink module of MATLAB. In Simulink, we get the ship motion parameters through running the simulation model. Through Simulink’s external mode, we converse the simulation results into real-time output data, using a standard serial port RS232 to send and receive data. Then we use Visual C++ to connect the database with RS232 data extraction. Using Visual C++ interface with SQL to read database, and conducted by OSG to enable visualization of the ship turning motion of the virtual simulation.

Keywords: ship turning motion；mathematical model；Simulink；visual simulation；OSG

目录

第一章绪论 (1)

1.1 课题研究现状 (1)

1.2 本课题的意义 (2)

第二章响应型船舶运动数学模型的建立 (4)

2.1 线性响应模型 (4)

2.1.1 线性船舶运动数学模型的建立 (4)

2.1.2 线性响应模型 (11)

2.2 船舶运动的风、流干扰力数学模型 (12)

2.2.1 风的干扰力数学模型 (13)

2.2.2 水流的干扰力数学模型 (14)

2.2.3 风和流共同作用下船舶的操纵模型 (15)

2.3 模型参数的计算 (15)

2.3.1 船舶质量与转动惯量的计算 (16)

2.3.2 流体动力及流体动力导数的计算 (16)

2.3.3 K、T、C的计算 (19)

2.3.4 风、流模型中的参数计算 (19)

第三章基于Simulink的船舶运动模型的建立与仿真 (21)

3.1 Simulink的简介 (21)

3.2 线性响应型船舶运动模型的建立 (22)

3.2.1 流体动力模型的建立 (23)

3.2.2 操纵性指数K、T模型的建立 (29)

3.2.3 线性响应型船舶运动模型的建立 (30)

3.3 风、流模型的建立 (31)

3.3.1 风力模型的建立 (31)

3.3.2 流力模型的建立 (34)

3.3.3 附加舵角δ∆模型的建立 (34)

3.4 模型的整合 (35)

3.4.1 压缩子系统 (35)

3.4.2 模型的组合 (36)

3.5 仿真试验 (38)

3.5.1 回转试验 (38)

3.5.2 风对船舶运动影响 (40)

3.5.3流对船舶运动的影响 (41)

3.5.4 结论 (42)

第四章Simulink与数据库的连接及视觉仿真的实现 (43)

4.1 Simulink模型仿真结果的实时输出 (43)

4.2 利用VC++连接数据库与RS232的数据提取 (44)

4.3 利用0SG实现视觉仿真 (47)

第五章结论 (51)

5.1 存在的问题及解决方案 (51)

5.2 发展前景 (51)

致谢 (52)

参考文献 (53)

附录I (54)