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船舶三自由度仿真平台设计与预报方法研究

作　者: 孙宏放
导　师: 彭秀艳
学　校: 哈尔滨工程大学
专　业: 控制理论与控制工程
关键词: 三自由度半物理仿真系统 LABVIEW 船舶运动预报
分类号: TP391.9
类　型: 硕士论文
年　份: 2006年
下　载: 297次
引　用: 7次
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内容摘要

船舶运动研究中，若采用海上实船试验方式需花费大量人力、物力和时间。为减少海上试验次数、降低实验成本，缩短开发周期，有必要设计仿真平台，模拟船舶海上运动。本论文以“十五”国防预研项目“船舶减摇控制研究”为应用背景，开发研制了船舶横摇、纵摇、升沉三自由度半物理仿真平台，并在此基础上进行了船舶姿态预报算法的研究。具体内容如下：本文首先完成了船舶三自由度半物理仿真平台的硬件设计。根据某型号实船运动过程的特点设计了平台的机械结构，并以此为依据完成了平台的控制驱动及数据采集的硬件设计。仿真平台采用工作在位置控制模式下的伺服电机驱动。PC机控制卡将指令信号与当前平台姿态作差，产生的电机进动指令以脉冲信号的形式发送给电机驱动单元，完成电机的位置控制。为获得平台姿态的指令信号，论文进行了船舶横摇、纵摇、升沉三自由度运动仿真。首先根据某海情下实船水动力试验数据，建立基于切片理论的船舶姿态运动数学模型模型。对于船舶受到的扰动，采用海浪谱分析的方法对姿态模型扩展。利用Matlab对扩展后的模型进行数值仿真。论文结合仿真试验台的具体功能和硬件结构，基于LabVIEW设计了平台的控制软件。系统软件设计包括：平台校正程序设计、平台初始化程序设计、运动控制程序设计、数据生成程序设计。在船舶运动半物理仿真平台的基础上，论文进一步对船舶运动船舶姿态预报算法进行研究。在分析舰船运动特性的基础上对舰船运动进行了自适应AR建模，介绍了自适应AR模型预报的基本原理，并在分析RLS递推算法的基础上给出了一种改进的RLS递推算法，它既保留了RLS收敛速度快的特点，又降低了一般RLS算法的计算复杂度，得出该预报方法是一种较理想的舰船预报方法，并给出了使用该方法进行的预报仿真结果，具有满意的预报精度。

全文目录

摘要  4-5
ABSTRACT  5-10
第1章绪论  10-16
  1.1 课题研究的背景和意义  10-13
  1.2 课题研究和发展的现状  13-14
  1.3 本课题的内容与本文的主要任务  14-16
第2章半物理仿真平台硬件设计  16-37
  2.1 船舶半物理仿真平台机械部分基本组成  17
  2.2 船舶半物理仿真平台控制部分基本组成  17-19
  2.3 PCI-7344控制卡  19-22
    2.3.1 控制卡选型  19-20
    2.3.2 PCI-7344控制卡设计应用  20-22
    2.3.3 拓展和问题  22
  2.4 NI PCI-6251型数据采集卡  22-23
  2.5 电机及驱动器  23-29
    2.5.1 电机选型  23-25
    2.5.2 电机与电机驱动器的连接  25
    2.5.3 伺服单元的内部框图  25-26
    2.5.4 SGDM 01 ADA型交流伺服驱动器的主要配线图  26-29
    2.5.5 输入输出信号连接器(CN1)的端子排列  29
  2.6 位置控制模式下的电机连接及调试  29-35
    2.6.1 位置控制模式下的运行步骤  29-30
    2.6.2 用户参数的设定  30-32
    2.6.3 位置指令  32-33
    2.6.4 连接调试  33-35
  2.7 本章小结  35-37
第3章船舶运动仿真  37-51
  3.1 基于切片理论的船舶运动建模  37-41
    3.1.1 船舶运动建模简介  37-38
    3.1.2 切片理论与船舶运动建模概念  38-41
  3.2 海浪与海浪谱分解  41-45
    3.2.1 海浪概念及海浪谱分解  41-44
    3.2.2 海浪的实时仿真方法  44-45
  3.3 基于海浪谱加权平均的船舶运动建模  45-48
  3.4 船舶运动仿真  48-50
  3.5 本章小结  50-51
第4章半物理仿真平台上位机软件开发  51-70
  4.1 LABVIEW语言简介  51-54
    4.1.1 虚拟仪器概述  51-52
    4.1.2 Lab VIEW概述  52-53
    4.1.3 Lab VIEW程序设计的一般过程  53-54
  4.2 LabVIEW采用NI的板卡实现的数据采集  54-56
  4.3 LabVIEW与Matlab混合编程  56-59
  4.4 软件设计  59-66
    4.4.1 软件设计功能  59
    4.4.2 软件设计方案  59-66
    4.4.3 接口设计  66
    4.4.4 系统出错处理  66
  4.5 软件编程  66-69
  4.6 本章小结  69-70
第5章船舶运动预报仿真  70-95
  5.1 自适应 AR方法建模及预报  70-75
    5.1.1 自适应 AR模型的建模方法  70-71
    5.1.2 递推最小二乘自适应滤波器  71-75
  5.2 递推最小二乘格型自适应滤波器  75-88
    5.2.1 自适应前向线性预报  75-78
    5.2.2 反向预报  78-80
    5.2.3 变换因子  80-83
    5.2.4 最小二乘格型算法  83-88
  5.3 舰船纵向运动预报  88-94
    5.3.1 基于 LSL的预报算法  88-91
    5.3.2 仿真结果分析  91-94
  5.4 本章小结  94-95
结论  95-97
参考文献  97-101
攻读硕士学位期间发表的论文和取得的科研成果  101-102
致谢  102-103
附录1电机部分主要参数  103-104
附录2电机驱动器参数设定  104-107
附录3电机起动时间·停止时间  107-108
附录4负载的转动惯量  108

船舶三自由度仿真平台设计与预报方法研究

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