船舶动力定位海洋环境风力扰动仿真

在海洋环境对船舶动力定位系统影响的研究中,动力定位系统控制器的优化设计,可保证船舶控制系统的稳定性和跟踪精度。为了有效地量化风力扰动对动力定位船舶的影响,建立风力扰动的数学模型,根据Harris风速变动功率谱和一种新型风压系数计算方法,基于Matlab软件平台建立关于风力扰动的仿真平台,可应用于模拟任意风速和风向条件下的海洋环境对动力定位船舶的风扰动力和力矩。以一艘供给船为例,设定不同的风速、风向角值,在所建立仿真平台上进行仿真计算,仿真结果证明风力扰动建模策略的有效性,仿真平台可用于船舶动力定位系统控制器设计的仿真验证,具有很好的通用性、实时性和逼真性。     

海浪噪声的仿真与滤波

运用海浪谱分析方法,基于MATLAB/SIMULINK对航行中船舶遭遇到的海浪进行实时仿真,描绘出了不规则海浪的特征.海浪对船舶的控制和性能的研究带来很多不便,应该设法消除或削弱其影响.基于切比雪夫函数逼近方法, 设计了一种无限冲激响应(IIR)数字滤波器来实时地对海浪噪声进行滤波.对三级海况下船舶遭遇的海浪进行仿真实验,结果表明,该滤波器不仅设计简单、经济,而且实时性强,滤波效果显著.     

基于谱估计方法的船舶纵向运动建模预报研究

根据船舶在随机海浪作用下运动姿态的潜周期性,基于谱估计方法对海浪扰动下的船舶纵摇运动进行建模预报研究。首先分析了船舶纵向运动的随机性和潜周期性。介绍了基于谱估计的建模原理,提出了平滑周期图算法。最后对船舶纵向运动预报进行仿真研究。根据仿真结果及误差分析可知摹于谱估计方法的船舶纵摇运动建模预报是可行的。     

一种海浪干扰IIR数字滤波器的设计与仿真

在船舶控制和性能研究中,海浪干扰是不可忽视的环境扰动.海浪影响着舰船的稳定控制和近海面作业的直升机的安全,所以应尽可能想办法消除海浪干扰.文中首先建立了海浪的模型,并进行了三级海况下海浪的实时仿真;接着采用巴特沃兹方法设计了一种海浪IIR数字滤波器,将海浪中的高频一阶波浪部分加以滤除;最后,运用MATLAB编程进行仿真实验,结果表明,所设计的海浪干扰数字滤波器的滤波效果显著,可以用于实际船舶控制应用中.     

紧凑型船舶动力定位控制半物理仿真系统研究

根据紧凑型船舶动力定位控制研究及设计的需求,设计了对应的半物理仿真系统。该系统建立船舶运动及海洋环境计算机模型模拟器、全尺寸控制器和全尺寸操作终端,并通过基于DirectX的三维动画模拟器进行船舶三维运动效果展示。全尺寸控制器与船舶上实际使用的控制器在网络接口、信号输入/输出接口上完全一致,以便提前进行船舶动力定位控制系统半物理仿真及验证,降低了调试成本和风险,提高在水池及海洋进行实物调试的效率。该仿真验证平台考虑了船舶动力定位控制系统实际运行环境,引入了外载荷模型,提高了仿真验证的可信度。文中给出了仿真实例,验证了系统的有效性。     

基于非线性海面微波段多普勒回波的建模算法

基于线性波浪理论和尖波模型,分别仿真得到时变线性和非线性海面,并比较了不同海况下两种海面模型的统计特征。采用小斜率近似法求解微波段的电磁散射,并分析了不同条件下的回波多普勒谱。通过采用海浪反演算法验证仿真数据,证明了该建模算法的正确性。结果表明,非线性海浪表现出斯托克斯波浪的典型特性,海面的非线性效应在掠入射时对多普勒谱的影响更显著,并且进行了非线性修正的海面模型的电磁散射特性与实际海况的结果更加吻合。     

基于Unity的船浪实时交互运动可视化系统

为解决现有航海模拟器中船浪运动分离导致的视景感受体验差的问题, 开发了一套船浪实时交互的船舶运动可视化仿真系统. 通过海浪谱建模技术构建海面波浪运动场景; 在建立船舶受力模型的基础上, 通过检测船舶与水面的碰撞实现船舶对波浪力的响应以计算船舶对波浪运动的实时响应姿态变化; 同时为增强仿真系统的真实感, 使用波动公式计算船舶与水体碰撞产生的水波及其扩散增强模拟真实感. 船浪运动耦合的航海模拟器与传统航海模拟器相比, 在大海况条件下能够为使用者提供更加真实的视景与运动体验. 研究成果视景真实感强, 船浪交互实时性好, 对于恶劣航海条件下的航海过程有良好的仿真效果.     

基于扩展卡尔曼滤波的船舶横向运动扰动估计

建立了船舶横向运动状态方程和测量方程,利用扩展卡尔曼滤波方法对海浪扰动下的船舶横向运动的扰动力和力矩作出估计。仿真结果表明,扩展卡尔曼滤波法比有色卡尔曼滤波法估计效果更优。     

随控布局AUV动力定位系统综合模型研究

采用随控布局的新型水下航行器配备了多个不同方向的推进器,实现了直接升力控制、直接侧向力控制.能够完成水下动力定位、三维轨迹跟踪以及地形跟随等精确的水下作业.建立了新型水下航行器在动力定位模式下的低频和高频运动模型,以及推进器系统和波浪、海流等海洋环境的模型,最后给出了航行器动力定位系统的综合状态空间模型,进行了计算机仿真.仿真结果证明了建模方法的有效性,为动力定位综合控制系统的设计奠定了基础.     

基于ADRC的水面船舶动力定位控制技术及仿真研究

针对受扰环境下水面船舶的动力定位问题,提出了基于自抗扰控制方法的水面船舶动力定位控制方法;针对水面船舶存在的不确定性和扰动复杂等情况,建立了强风、浪等扰动条件下,实现船舶动力定位的自抗扰控制算法;同时针对船舶的艏向角进行了仿真、比较与分析。仿真结果表明,这种方法对对船舶的动力定位实施的可行性及有效性。     

Separate filtering correction of observer-based marine positioning control laws

Modern marine dynamic positioning (DP) systems are commonly constructed on the basis of nonlinear asymptotic observers. The primary reason for the observer's employment is to restore deficient information concerning the unmeasured velocities of the vessel. Nevertheless, using a number of separate items in addition to the observers, it is also possible to achieve desirable dynamical features of the closed-loop connection. The paper is devoted to the problem of synthesis of these items for marine vessels, which are controlled by DP systems under the action of sea wave disturbances. The essence of the problem is to identify a transfer matrix of the adjustable corrective item (filter), minimising the intensity of the control action determined by high-frequency sea wave components. The correspondent dynamic of a closed-loop system realises an economical regime of vessel motion with the aim to reduce general fuel consumption and to prevent the wearing down of actuators. A specialised approach for designing the filters is proposed that provides asymptotic stability and the integral action of a control. Applicability and effectiveness of this approach are illustrated by the practical example of DP system synthesis.     

基于现场观测数据的卫星雷达高度计海面风速和有效波高真实性检验方法研究

卫星遥感产品定量化应用前需通过真实性检验。卫星雷达高度计可观测海面风速大小和有效波高等海洋动力环境参数,而对其进行真实性检验存在不同的时空匹配方法。使用3种不同的时空匹配方法,利用美国国家浮标数据中心(NDBC)现场观测数据对2011年的Jason2海面风速和有效波高产品进行了检验。Jason2海面风速大小和有效波高的均方根误差分别为1.28 m/s和0.28 m,同时结果表明:采用卫星高度计海面风速大小(有效波高)和同步的现场观测数据在一定时间(1 h)和空间(50 km)限制条件下进行对比检验,可以得到合理的高度计海面风速大小和有效波高精度评价结果。 Jason2卫星高度计海面风速大小和有效波高的精度与探测海域有关,其精度在墨西哥湾与西大西洋海域相对较高。     

Pre-processing of images from shipborne X-band wave measuring radar

It is inevitable that the movement of vessels on the sea will be affected by the marine environmental extreme value parameters, such as wind, current, and wave. Driven by these factors, the vessels will produce the following movements: horizontal displacement, heave, and sway. With the shipborne X-band wave measuring radar installed on the vessel, the movements of the vessel will lead to the deviation between the actual position of the radar beam and the places we expect. It will result in an error that the intensity showed on the echo image is not the expected one. A pre-processing algorithm is developed to weaken the influence of the movements of vessel on information inversion of the ocean wave fields imaged by X-band radar. The algorithm utilizes the results of vessel motion model to correct the images from shipborne X-band wave measuring radar. Compared with simulated image sequences influenced by vessel motion, the non-direction wave height spectrum extracted from corrected image sequences matches well with that obtained from the original image sequences uninfluenced by vessel motion.     

An application of dynamic positioning control using wave feed forward

The paper presents the results of model tests for a large tanker in which wave drift force feed forward was applied in the dynamic positioning control system. The estimation method of the nonlinear (second order) wave drift forces from the measurement of relative water motions at the side of a ship hull is presented. The estimated wave drift forces are used in the DP control system, to enhance the filter process of the extended Kalman filter, and in the required thruster set‐points. The EKF uses the nonlinear equations of low‐frequency ship motions on the horizontal plane, which are also presented. The results of the model tests show that the use of wave drift force feed forward significantly improves the positioning accuracy in sea states with 3.5 m significant wave height or higher. Copyright © 2001 John Wiley & Sons, Ltd.     

深海起重机系统的实时轨迹规划方法

近年来, 随着海洋资源的不断开发与海洋工程的全球化推进, 深海起重机得到了广泛应用, 其控制问题也引起研究人员的极大关注. 在深海作业环境中, 由于吊运过程受到水流作用力的影响, 负载摆动幅度增大, 系统状态量间非线性耦合关系增强, 使系统控制难度加大. 为此, 本文针对深海起重机系统提出了一种实时轨迹规划方法. 具体而言, 通过分析系统动力学特性和状态变量之间复杂的耦合关系, 提出了一种实时规划轨迹的方法, 并从理论上证明了该方法可在使台车准确快速到达指定位置的同时, 有效抑制负载摆动. 最后, 一系列仿真结果证明了所提方法的良好性能.     

High-resolution satellite measurements of coastal wind field and sea state

Methods to derive wind speed and sea state by simple empirical models from synthetic aperture radar (SAR) data are presented and applied for use in high-resolution numerical modelling for coastal applications. The new radar satellite, TerraSAR-X (TS-X), images the surface of the sea with a high resolution up to 1 m. Therefore, not only wind information and integrated sea state parameters but also individual ocean waves with wavelengths down to 30 m are detectable. Two-dimensional information on the ocean surface retrieved using TS-X data is validated for different oceanographic applications: derivation of finely resolved wind fields (XMOD algorithm) and integrated sea state parameters (XWAVE algorithm). Both algorithms are capable of taking into account fine-scale effects in coastal areas. Wind and sea state information retrieved from SAR data are applied as the input for a wave numerical spectral model (wind forcing and boundary condition) running at a fine spatial horizontal resolution of 100 m. Results are compared to collocated buoy measurements. Studies are carried out for varying wind speeds and comparisons against wave height, simulated using original TS-X-derived wind data, showing the sensitivity of waves to local wind variation and thus the importance of local wind effects on wave behaviour in coastal areas. Examples for the German Bight (North Sea) are shown. The TS-X satellite scenes render well-developed ocean wave patterns of developed swell at the sea surface. Refraction of individual long swell waves at a water depth shallower than about 70 m, caused by the influence of underwater topography in coastal areas, is imaged on the radar scenes. A technique is developed for tracking wave rays depending on changes in swell wavelength and direction. We estimate the wave energy flux along wave tracks from deep water to the coastline based on SAR information: wave height and wavelength are derived from TS-X data.     

雷达高度计海况偏差估计不同纬度区间参数模型研究

针对用传统的参数模型进行海况偏差估计存在较大误差的问题,提出一种分段建模的方法来改进对海况偏差的估计。根据全球范围内有效波高和风速的纬度方向分布,确定以20°为分段间隔,将全球划分为6个纬度区间。基于Jason-2高度计数据,根据泰勒展开,以有效波高和风速为变量,在各纬度区间分别构建海况偏差估计参数模型。用解释方差、拟合度和残差评价检验模型,并与传统参数模型的估计结果以及Jason-2高度计GDR中非参数估计结果进行了比对,结果表明:纬度分段参数模型的估计结果较之传统方法在各纬度区间均有提升,在低纬度区域尤为明显。在保证参数模型优势的同时达到了与非参数方法相当的估计精度。说明本文所建纬度分段参数模型能够有效提高全球范围内海况偏差的估计精度以及海表面高度的校正水平。     

阵风环境模拟用控制器设计与实验研究

针对环境模拟实验室风环境模拟的阵风特性,设计开发了一种迭代学习自校正PID控制器。该控制器将设定值序列进行迭代学习优化,系统内部采用PID自校正控制策略。仿真和实验结果表明,两种控制方式的结合,可改善系统设定点改变时的动态特性,实现了对期望风环境参数的有效控制。迭代学习控制的作用下,特别是对正弦风的模拟,随着时间推移实际值可跟踪定值,保证了环境模拟的控制精度。     

蓄储液系统两种建模方法的仿真比较与分析

生产中大部分液位控制系统的被控对象都可以看作是某种具有类似特征的蓄储液系统,它的建模研究具有重要的实际意义。以水箱系统的建模为例,研究常见的机理分析建模方法和基于模糊推理的新建模方法在蓄储液系统建模中的应用。通过设计系列的对比实验,借助计算机仿真与实物实验相结合的方法,对两种建模方法进行了系统的比较与分析,指出了两种建模方法各自的特点及其适用的对象。