船舶动力定位海洋环境的建模与仿真

表述为
0. 5!aAwx Cw x ( ∀w ) | uw | uw
w ind = 0. 5!aAwy Cw y ( ∀w ) | vw | vw
( 2)
0. 5!aAwy Loa Cw ( ∀w ) | vw | vw 风的相对 角为
∀w = w -
( 3)
本文中, 我们取 20 下 的是 空气 密度 !a = 1. 22K g /m3, 船全长 Loa = 100m, 船未浸水部分在 xz- 平面 和 y z- 平面的
1 引言
为了在海上恶劣 环境下顺利完成海上作 业, 现 代工作船 舶以及 其它浮 式生产 系统 (包括 半潜平台 , 钻井平 台 ) 大都 加 装 了 动 力 定 位 系 统。 船 舶 的 动 力 定 位 ( Dynam ic Po sition ing, 简称 DP ), 是 指在 有风、浪、流的干 扰情 况下, 不 借助锚泊系统, 利用自身的推进装置使 船舶保持一 定的位置 和角度或按照预定的 运动轨迹运动。
图 5 三级海况的长峰波实时仿真
图 6 h1 /3 = 0. 9m 的 B retschneider谱
由仿真出的 海况 可以 看出, 仿 真结 果符 合长 峰波 有无
穷长的、单向的、不 同间 距的波 峰彼 此保持 平行 的二因 次不
规则波浪的特征。
假 定随机 长峰波 海浪可 以看成由 无数个 不同波 幅和波
ABSTRACT: In the des ign o f a vesse l DP sy stem, the env ironm enta l d istu rbances exe rted on the ve sse lmu st be conside red. In order to e ffe ctive ly ca lcu late the forces and force m om ents acted on the DP vesse l by m ar ine env ironm en t, the m ode ling m e thods fo r m ar ine env ironm enta l loads, wh ich inc lude w ind, wav e and sea current e ffec ts are presented. In addit ion, M - files a re used inM AT LA B and SIM UL INK to dev elop the w ind force and m om ent ca lcula tion and stocha st ic w ave sim u lation prog ram s to rea lize the s imu lat ion for m a rine env ironm en t a t the th ird sea state code. T he sim u la tion re sults a re rea sonab le. M o reov er, the s im ula tion prog ram s show good versatility and flex ib ility by m eans o f chang ing the simu lation param ete rs to sim u la te any o ther sea sta te codes. T he p re sented m a rine env ironm ent m ode ling and s im ula tion m e thods are very impo rtant fo r choosing the contro l stra tegy and debugg ing the so ftw a re and ha rdw are configuration for DP sy stem, wh ich estab lishes the foundations fo r the rea l- t im e simu lation of dynam ic po sition ing of v esse ls. KEYW ORD S: D ynam ic po sition ing ( D P) ; M a rine env ironm ent; M ode ling; S im ula tion
波谱进行离散 化采样, 求 得 S( (1 ), S( (2 ), ∃, S( (n ), 又由
海浪理论, 得波幅 ∃ai和频谱之间存在如下关系
∀
+(
1 2
∃2a i=
S( ( i ) +( i
( 7)
Baidu Nhomakorabea
+( 趋于无限小 时, +( 区内得单元波趋于确定 频率得谐
波, 故 ( 7)式可变成:
(下转第 246页 )
S∃( ( )
=
A (5
exp
(
-
B (4
)
( 6)
我们采用 一种常被 使用 的 B retschneider 谱 作为 仿真 谱,
则 A = 2760h21/3 /T41, B = 690 /T41。 取 三 级海 况 下, 有 义波 高 h1/3 = 0. 9m, 峰值频率 w0 = 0. 8rad /s 进行谱密度计算, 所得谱 密度曲线如图 6所示。
在本 文 中, 我们 引 入两 种坐 标 系, 大 地坐 标系 XE YE ZE 和随船坐标系 XV YV ZV, 如图 1所示。
对于水面船 舶来 说, 动力 定位 系统 的主 要目 的是 实现 对水平面的位置和艏向 (即纵荡, 横荡和艏摇 )三个自由度的 控制, 如图 2所示。影响 这三个物理量定位 精度的主要因素
图 2 船舶的三自由度运动示意图
2 风的建模与仿真
风 的作用 可以划 分为平 均的缓慢 变化的 风和快 速变化 的风。将风速分量定义为
uw = Vw cos( w - )
vw = Vw sin ( w - )
( 1)
其中, Vw 和 w 分别表示风速和风向, 见图 1。假设风速
远大于船速, 这样, 风在纵荡、横荡和艏 摇方向的负 荷向量可
长的谐波叠加而成, 每个谐波都有同 一个前进方 向。根据海
浪理论, 海面上某一点随机海浪的波高可以用 ( 4)式表示
#
∃(
t)
=
∀
i=
1∃a
i
cos
(
ki%cos& +
ki∋sin& -
( i t+
)i )
( 4)
式中, ∃ai, ki, ( i, )i 分别为第 i次谐 波的波幅、波数、角频
然后, 根据等间隔法在采样频率 ( 1, ( 2, ∃, (n 下对所得
M arine Env ironm entM odeling and Sim ulation for D ynam ic P os ition ing
SH I X iao - cheng, W ANG Yuan - hu i
( Co lleg e o f Pow er and N uc lear Energy Eng. , H arb in Eng inee ring U n ivers ity, H arb in H eilong jiang 150001, Ch ina)
第 23卷 第 11期 文章编号: 1006 - 9348( 2006) 11 - 0237 - 03
计算机仿真
2006年 11月
船舶动力定位海洋环境的建模与仿真
施小成, 王元慧
( 哈尔滨工程大学动力与核能工程学院, 黑龙江 哈尔滨 150001 )
摘要: 在船舶动力定位系统设计中, 必须考虑船舶所受到的外界环境干扰的影响。为了有效地量化海洋环境对动力 定位船舶 的作用, 该文提出了海洋环境负载 ( 包括风、海浪和海流 ) 的建模方法, 并运用 M ATLA B的 M 文件和 S IM U LINK 分 别编制了 风干扰力和力矩计算和随机海浪的仿真程序, 在三级海况下, 实现了对海洋环境的仿真, 得到了合理的仿真结果。此外, 通过 改变仿真参数, 也可以对其它任何海况进行仿真, 使仿真程序具有较好的通 用性和灵活性。该海洋环境的 建模和仿 真方法, 对动力定位系统控制策略的选取和软硬件配置的调试有着重要意义, 为船舶动力定位的实时模拟奠定了基础。 关键词: 动力定位; 海洋环境; 建模; 仿真 中图分类号: TP391. 9 文献标识码: A
不仅能仿真多 种长峰波海浪, 而且可以 灵活地改变 它地参数 来满足各种使 用要求。
仿真过程 主要分为以下几步。首先, 确定预仿 真海浪的
频谱形式, 选用 P - M 谱和 ITT C 谱等, 确定所 选海浪 的有关 参数 (如有义波高、特性周 期、风 速等 ) 。我国近 海的 海浪谱 谱密度可以表 示为
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统是当前加工制造业普遍需要 推广应用的, 数控仿 真教学方 式也必将在数控机 床操 作人员 培训 中成为 一种 重要的 教学 手段。
[ 5] Y S T arng, W S Chang. D yn am ic N C s im u lat ion of m il lin g operation s[ J] . C om pu ter - A id ed D es ign, D ec. 1993, 25 ( 12) : 769 - 775.
图 4 海浪仿真的动态模型 我们对平 均浪向 #m ean = 0!, 有义波 高 h1 /3 = 0. 9m, 峰值 频率 w0 = 0. 8rad/ s的三级海况 下的 长峰波 的实 际海况 进行 仿真, 结果如图 5所示。
率和初相位。考虑海面上固定的 波浪, 不失一般性, 设在 %= 0和 ∋ = 0处, 在仿 真条 件下, 考 虑到 实际 应用, 可 以忽 略高
收稿日期: 2005 - 10 - 10
图 1 大地坐标系和随船坐标系
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来 自 传 感 器 误 差、 阵 风、波 浪 与 流 的 干扰 和 推力 器 的响 应 速 度 等。 因 此, 对外 界 环境 的 研究 是船 舶 动力 定 位控 制系 统 设计 中 一个 不 容 忽 视 的 问 题。 本文 分 别对 动 力定 位船 舶 在海 上 受到 的 风、浪 和 流 的 作 用进 行 了研 究 和实 时 仿 真。仿 真 程序 可以 用 于实 际 的动 力定位船舶系统。
次谐波, 则定点长峰波海浪方程可以写成
n
∃(
t)
=
∀
i=
1 ∃a i co
s(
(
i
t+
)i )
( 5)
海浪的谐 波幅值 ∃ai均是 均匀微 小量, 由海浪 知识, 随机
初相位 )i 是在 0~ 2∗之间均匀分布的随机变 量。
海浪的实 时仿真是 一个 比较 复杂的 问题。如 果用 规则
波研究这些问 题, 由 于不反 映实 际的海 浪, 所以 结果 常常不 令人满意。其它 的一些 仿真 方法, 或能 用于 某种特 定场 合, 或仿真速度太慢, 不能为实时分析所 利用。本文采 用的方法
以相对风速 为 10m /s 和 20m /s 为例 进 行 仿真, 计算 得 到纵
荡、横荡和艏摇方向的风力和力矩曲线如图 3所示。
图 3 风在纵荡横荡和艏摇三个方向上的力和力矩曲线
由以上力和力矩 曲线可知, 仿真 结果在合理 范围内。因 此, 只要给定风速和风向, 通过 运行我们编制 的仿真程 序, 就 能计算得到风对船在水平面三 个自由度上的 扰动负载, 这样 可以仿真出风对动力定位船的 影响, 可 以有的放矢 的设计相 应的控制器进行有效 的补偿。
横向和纵向 投 影面 积分 别 为 Awx = 400m2 和 Aw y = 1000m2。 Cwx ( ∀w ), Cw y ( ∀w )和 Cw ( ∀w )分 别为纵 荡、横荡 和艏 摇方向
的无因次风系 数, 是通过 I sherw ood 半经验公式得到的。我们
在 M ATLAB 6. 5环境下, 编制了求解风力 和力矩 的程序, 分别
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3 随机海浪的仿真
在 研究船 舶在随 机海浪 作用下 的运动特 性和船 舶动力 定位系统在海浪作用下 的动态响应时, 经常把海浪 作为一个 平稳随机过程 来处理。我们采用长峰波海浪 进行研究, 假定
海浪是二因次的且只有一个固 定前进方向, 每个垂 直于波前 进方向的波峰线是无 限长的。我们编 写 MATLAB 文件, 运用 动态系统仿真工具 SIM ULINK 进行建模, 如图 4所示。