[发明专利]船舶运动控制算法测试仿真系统

说明书

技术领域

本发明涉及一种高可信度的船舶运动控制算法测试仿真系统。

背景技术

由于船舶航行实船实验的费用很高，所以大多数船舶运动控制理论工作者只能进行仿真研究。仿真工作者对控制算法的研究偏多，对被控对象的研究偏少，而被控对象逼真度不高直接导致整个系统的仿真逼真度不高，这样就导致了算法测试仿真结论可信度不高，降低了工程人员对控制理论工作者工作的认可程度，从而延缓了一些先进控制理论在实际工程中的应用。控制系统仿真属于控制理论与仿真技术交叉的领域，但当前很少有控制理论工作者把控制系统仿真当作一个系统仿真的问题来处理，而普通的仿真理论工作者又很难从事控制理论相关的工作，这在一定程度上影响了先进仿真理论在控制系统仿真这一交叉领域中的应用，也导致了控制系统仿真存在着“仿真可信度不高”的问题。

发明内容

本发明针对船舶运动控制仿真这一具体的问题，基于系统建模与仿真的校核、验证和验收技术，研制一套高可信度的船舶运动控制算法测试仿真系统，加速先进控制理论在船舶运动控制领域中的应用。

本发明一种高可信度的船舶运动控制算法测试仿真系统主要具有以下功能：

(1)船型的选择以及实船数据的输入。本仿真系统提供5446TEU大型集装箱船和3万吨油轮两种船型，使用者还可根据需要自行输入不同船型及实船数据。

(2)船舶运动数学模型的选择与参数计算。根据算法测试的不同目的和要求，使用者可以选择不同类型的模型，本系统提供两种船舶运动模型：响应模型和分离模型。使用者选择完船型和数学模型种类后，本系统就可计算并显示出相应船模的所有参数值。

(3)船舶模型的测试。本系统可进行船舶回转运动仿真、Z型实验仿真，与实船实验数据比较，便可测试模型的有效性。

(4)控制算法的加载与测试。本系统提供PID控制、自适应控制、模糊控制等常用控制模块；

使用者只需将自己设计的控制算法按规定的格式编译成动态连接库，就可加入到本平台中。根据控制算法的不同，使用者可进行船舶航向和船舶航迹控制仿真测试；平台还提供一个“事件编辑器”，可方便用户进行更复杂的事件仿真测试。在测试过程中，用户可以观察航向、舵角、船速等参数的动态数据和显示曲线，同时可观察船舶运动虚拟现实仿真场景，据此可对控制算法进行测试、优化和改进。

(5)历史数据的保存。在测试过程中，可将船舶运动状态的重要动态数据保存下来，便于以后的进一步研究应用。

本发明的技术方案是：船舶运动控制算法测试仿真系统，主要由船舶模型的设置与测试模块1、控制算法的加载与测试模块2、船舶运动数学模型模块3、船舶航向与航迹曲线显示界面4和船舶运动虚拟现实仿真场景5五部分组成。船舶模型的设置与测试模块1、控制算法的加载与测试模块2分别与船舶运动数学模型模块3进行双向数据连接；船舶运动数学模型模块3单向传输数据至船舶航向与航迹曲线显示界面4和船舶运动虚拟现实仿真场景5中；同时船舶航向与航迹曲线显示界面4和船舶运动虚拟现实仿真场景5都可单向传输数据至船舶模型的设置与测试模块1和控制算法的加载与测试模块2。所述的船舶模型的设置与测试模块1、控制算法的加载与测试模块2、船舶运动数学模型模块3、和船舶航向与航迹曲线显示界面4用VC++开发，所述的船舶运动虚拟现实仿真场景5由VC++和Vega混合编程实现。

本发明一种高可信度的船舶运动控制算法测试仿真系统的工作原理是：

船舶模型的测试：首先根据测试目的和要求不同由船舶模型的设置与测试模块1选择合适的船型、计算出船舶参数并传输到船舶运动数学模型模块3中，接着船舶运动数学模型模块3进行船舶回转实验仿真，同时仿真结果输出到船舶航向与航迹曲线显示界面4和船舶运动虚拟现实仿真场景5中，将仿真实验结果与实船实验数据进行比较，当回转圈航迹误差小于在一个船长时，则认为所建立的船舶运动数学模型是有效的，否则无效。

控制算法的测试：当建立了有效的船舶运动数学模型后，就可进行控制算法的测试。首先由控制算法的加载与测试模块2加载需要测试的控制算法，然后与船舶运动数学模型模块3构成闭环控制系统，通过“事件编辑器”对船舶航行环境、船舶转向点等条件进行设置，接着进行船舶运动控制仿真，同时将仿真结果输出到船舶航向与航迹曲线显示界面4和船舶运动虚拟现实仿真场景5中，最后分析船舶航线、航迹和动态数据等仿真结果，并判断所加载控制算法的控制特性。