可視化水下航行體控制系統(tǒng)數(shù)學(xué)仿真軟件設(shè)計(jì)

黃 凡

（海軍駐昆明地區(qū)第三軍代室，云南 昆明 650200）

0 引言

在海洋科研與軍事任務(wù)需求牽引下，水下航行體成為各國的熱門研究課題。系統(tǒng)仿真在水下航行體控制系統(tǒng)的分析與設(shè)計(jì)中發(fā)揮著重要作用。系統(tǒng)仿真分為數(shù)學(xué)仿真、半實(shí)物仿真和實(shí)物仿真。數(shù)學(xué)仿真是整個(gè)系統(tǒng)仿真的基礎(chǔ)，具有經(jīng)濟(jì)性、靈活性及通用性的特點(diǎn)[1]。

不同的應(yīng)用目的，需要選取不同的水下航行體仿真模型作為仿真研究對(duì)象。因此，為了得到盡可能準(zhǔn)確的仿真結(jié)果，研究人員需要設(shè)計(jì)專門的仿真軟件來解決具體問題。對(duì)于涉及多型水下航行體設(shè)計(jì)的研究人員，需要重復(fù)性編寫仿真軟件，造成人力、物力巨大浪費(fèi)。為此，編寫一套水下航行體通用數(shù)學(xué)仿真軟件很有必要。

針對(duì)這一需要，本文設(shè)計(jì)一套仿真數(shù)學(xué)模型可配置、控制算法可選擇、實(shí)航內(nèi)測數(shù)據(jù)及仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果可三維顯示的水下航行體控制系統(tǒng)數(shù)學(xué)仿真軟件（以下簡稱仿真軟件）。其涉及的關(guān)鍵技術(shù)包含：水下航行體數(shù)學(xué)模型及仿真數(shù)學(xué)模型建立技術(shù)、水下航行體控制工程技術(shù)、參數(shù)辨識(shí)技術(shù)和可視化仿真技術(shù)。開發(fā)工具包含：Visual C++，MATLAB/Simulink，OpenGL。下面將詳細(xì)介紹仿真軟件設(shè)計(jì)過程。

1 仿真軟件構(gòu)成

從開發(fā)者角度，仿真軟件可分為4大模塊：水下航行體數(shù)學(xué)模型及仿真模型模塊、控制算法模塊、流體動(dòng)力參數(shù)辨識(shí)模塊和圖形界面人機(jī)交互模塊。

水下航行體數(shù)學(xué)模型及仿真模型模塊主要完成的功能：對(duì)水下航行體的數(shù)學(xué)模型（也稱為一次模型）封裝；對(duì)航行體數(shù)學(xué)模型進(jìn)行分解、簡化得到仿真數(shù)學(xué)模型（也稱為二次模型），并對(duì)常規(guī)的仿真數(shù)學(xué)模型進(jìn)行封裝。對(duì)模型封裝的目的是為了簡化設(shè)計(jì)人員的工作，使其更專注于工程問題的研究。該模塊主要采用MATLAB/Simulink軟件進(jìn)行設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)。

控制算法模塊集成了針對(duì)水下航行體常用的控制律，包含PID控制律、自抗擾控制技術(shù)、模糊策略和滑模變結(jié)構(gòu)控制等封裝好的子模塊。該模塊也采用MATLAB/Simulink軟件進(jìn)行設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)。

水動(dòng)力參數(shù)辨識(shí)模塊主要完成水下航行體水動(dòng)力參數(shù)的辨識(shí)。該模塊包含以下子模塊：數(shù)據(jù)預(yù)處理子模塊、數(shù)據(jù)擬合子模塊和參數(shù)辨識(shí)算法子模塊。數(shù)據(jù)預(yù)處理子模塊完成對(duì)仿真數(shù)據(jù)或?qū)崪y數(shù)據(jù)的修正和誤差補(bǔ)償，以提高數(shù)據(jù)的可信度。該子模塊集成了幾種常用數(shù)據(jù)預(yù)處理方法：野值識(shí)別與剔除、數(shù)據(jù)平滑、低通濾波、樣條插值和FFT變化。數(shù)據(jù)擬合子模塊主要功能是研究測試數(shù)據(jù)，并找出變量之間的相互關(guān)系，以解決非確定性關(guān)系的相關(guān)問題。該子模塊集成了以下幾種常用數(shù)據(jù)擬合方法：最小二乘多項(xiàng)式、高斯消元法、豪斯變換和樣條函數(shù)。參數(shù)辨識(shí)子模塊集成了常用參數(shù)辨識(shí)算法：最小二乘法、梯度校正法和極大似然法。該模塊采用MATLAB/Simulink軟件進(jìn)行設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)。

圖形界面人機(jī)交互模塊主要完成對(duì)實(shí)航內(nèi)測數(shù)據(jù)和仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果的可視化顯示，該模塊還具有整個(gè)軟件的數(shù)據(jù)管理調(diào)度功能。圖形界面人機(jī)交互模塊包含以下子模塊：圖形界面顯示子模塊和數(shù)據(jù)管理調(diào)度子模塊。圖形界面顯示子模塊包含三維動(dòng)畫顯示和二維曲線顯示。數(shù)據(jù)管理調(diào)度子模塊完成整個(gè)仿真軟件的數(shù)據(jù)管理和調(diào)度。該模塊采用Visual C++和OpenGL進(jìn)行設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)。

仿真軟件結(jié)構(gòu)樹圖如圖1所示。

圖1 仿真軟件結(jié)構(gòu)樹圖Fig. 1 Structure-tree of simulation software

2 仿真軟件設(shè)計(jì)

仿真軟件從用戶角度來看，分為3個(gè)層次：實(shí)航內(nèi)測數(shù)據(jù)和仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果演示層（以后簡稱演示層）、仿真實(shí)驗(yàn)分析層（以后簡稱分析層）和仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)搭建層（以后簡稱搭建層）。每個(gè)層次有不同的側(cè)重點(diǎn)，所針對(duì)的用戶也不同。

演示層開發(fā)工具：Visual C++和 OpenGL。演示層完成實(shí)航內(nèi)測數(shù)據(jù)和仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果的三維可視化顯視。

分析層開發(fā)工具：MATLAB/Simulink。分析層完成水下航行體控制系統(tǒng)仿真實(shí)驗(yàn)及其結(jié)果分析。仿真軟件使用者通過MATLAB GUI進(jìn)行仿真模型配置、控制方法選擇和仿真結(jié)果編輯。部分仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果以二維功能曲線的方式顯示。該層主要針對(duì)水下航行體常用仿真模型進(jìn)行工程上常規(guī)控制算法分析與設(shè)計(jì)。

搭建層是一個(gè)深層開發(fā)平臺(tái)，同時(shí)也是一個(gè)開放式平臺(tái)。該層主要針對(duì)水下航行體進(jìn)行控制算法的理論應(yīng)用研究。在該平臺(tái)上，使用者可以加入自己開發(fā)的模塊，以便進(jìn)行更深入的針對(duì)水下航行體的仿真實(shí)驗(yàn)研究。搭建層采用MATLAB/Simulink進(jìn)行開發(fā)與設(shè)計(jì)。

演示層、分析層和搭建層相互獨(dú)立。由第1節(jié)中的4大模塊完成3個(gè)層次的仿真軟件開發(fā)。“三層結(jié)構(gòu)”與“四大模塊”的關(guān)系圖如圖2所示。

圖2 “三層結(jié)構(gòu)”與“四大模塊”的關(guān)系圖Fig. 2 Relationship between the three layers structure and four important parts

2.1 水下航行體數(shù)學(xué)模型及仿真模型模塊設(shè)計(jì)

水下航行體數(shù)學(xué)模型屬于灰箱系統(tǒng)，其運(yùn)動(dòng)遵循牛頓力學(xué)定律、質(zhì)量和能量守恒定律。根據(jù)這些物理定律，可以完成水下航行體的結(jié)構(gòu)建模，即建立水下航行體的動(dòng)力學(xué)和運(yùn)動(dòng)學(xué)方程組。數(shù)學(xué)模型中的流體動(dòng)力參數(shù)可通過水洞試驗(yàn)、風(fēng)洞試驗(yàn)或航行體流體動(dòng)力參數(shù)辨識(shí)得到。

2.1.1 水下航行體數(shù)學(xué)模型

Fossen對(duì)水下航行體的數(shù)學(xué)模型有過深入研究[2-3]。國內(nèi)主要采用文獻(xiàn)[4]提供的水下航行體數(shù)學(xué)模型進(jìn)行水下航行體的制導(dǎo)與控制研究。Fossen與文獻(xiàn)[4]給出的水下航行體數(shù)學(xué)模型都是基于Newton-Euler方程建立的六自由度動(dòng)力學(xué)模型，只是表征水下航行體運(yùn)動(dòng)位置和姿態(tài)的符號(hào)不同。為了研究方便，仿真軟件選用文獻(xiàn)[4]提供的水下航行體數(shù)學(xué)模型。

水下航行體動(dòng)力學(xué)方程[4]：

水下航行體運(yùn)動(dòng)學(xué)方程[4]：

式中：Amλ、Avω、AFM為動(dòng)力學(xué)方程系數(shù)矩陣；x0、y0、z0為浮心在地面坐標(biāo)系中的分量；v0x、v0y、v0z為浮心速度在體坐標(biāo)系中的分量；ωx、ωy、ωz為旋轉(zhuǎn)角速度在體坐標(biāo)系中的分量；θ、ψ、φ為體坐標(biāo)系與地面坐標(biāo)系的相對(duì)夾角，θ為俯仰角，ψ為偏航角，φ為橫滾角；Θ、Ψ、φc為彈道曲線在地面坐標(biāo)系中的分量，Θ為彈道傾角，Ψ為彈道偏角，φc為彈道傾斜角；α、β為航行體體坐標(biāo)系與航行體速度坐標(biāo)系之間的角，α為攻角，β為傾斜角。

用式（1）和式（2）表示水下航行體數(shù)學(xué)模型包含至少37個(gè)流體動(dòng)力參數(shù)和20個(gè)總體參數(shù)，該數(shù)學(xué)模型是一個(gè)廣義非線性系統(tǒng)[5]。因?yàn)槟Ｐ偷膹?fù)雜性和非線性，目前很少直接用式（1）和式（2）表示六自由度水下航行體數(shù)學(xué)模型進(jìn)行控制器的設(shè)計(jì)與分析。但是隨著航行體機(jī)動(dòng)性增強(qiáng)，對(duì)其廣義非線性六自由度數(shù)學(xué)模型進(jìn)行研究很有必要。文獻(xiàn)[6]對(duì)水下航行體進(jìn)行了不同于文獻(xiàn)[4]的建模方法，但是直接用于控制器的分析與設(shè)計(jì)還是很有難度的。

圖3 水下航行體數(shù)學(xué)模型Fig. 3 Mathemetical model of underwater vehicle

本文采用 Simulink中的 S函數(shù)對(duì)水下航行體數(shù)學(xué)模型進(jìn)行封裝，Simulink中自定義模塊的創(chuàng)建與封裝參見文獻(xiàn)[7]。模塊的輸出為水下航行體空間運(yùn)動(dòng)的全部17個(gè)運(yùn)動(dòng)參數(shù)。封裝模塊如圖3所示，該模塊封裝了水下航行體動(dòng)力學(xué)方程式（1）和運(yùn)動(dòng)學(xué)方程式（2）。

2.1.2 水下航行體仿真模型

針對(duì)特定應(yīng)用目的，在工程允許范圍內(nèi)，需要對(duì)水下航行體數(shù)學(xué)模型進(jìn)行簡化和分解，稱簡化和分解后的數(shù)學(xué)模型為仿真模型。

工程上，一般將水下航行體空間運(yùn)動(dòng)分解為垂直平面的縱向運(yùn)動(dòng)、在水平面內(nèi)的側(cè)向運(yùn)動(dòng)。空間運(yùn)動(dòng)按平面運(yùn)動(dòng)進(jìn)行分解時(shí)忽略了平面間的耦合作用，在這種情況下，需要水下航行體有理想的橫滾控制系統(tǒng)，以保證側(cè)向運(yùn)動(dòng)與縱向運(yùn)動(dòng)之間弱交連。

分解和簡化后的水下航行體原始縱向運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)和側(cè)向運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)也是復(fù)雜非線性系統(tǒng)，對(duì)于水下航行體控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與綜合，需要對(duì)非線性系統(tǒng)進(jìn)行線性化。控制理論與控制工程中常采用小擾動(dòng)線性化方法，也有學(xué)者利用微分幾何對(duì)水下航行體做大范圍的精確線性化[8-9]。

仿真軟件采用 Simulink對(duì)仿真模型進(jìn)行模塊封裝。封裝的水下航行體縱向運(yùn)動(dòng)和側(cè)向運(yùn)動(dòng)仿真模型有：原始運(yùn)動(dòng)方程、簡化運(yùn)動(dòng)方程、小擾動(dòng)線性化運(yùn)動(dòng)方程和近似傳遞函數(shù)。水下航行體的仿真模型模塊設(shè)計(jì)方法與其數(shù)學(xué)模型模塊的設(shè)計(jì)方法一致，即采用Simulink的S函數(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)。

2.2 控制算法模塊設(shè)計(jì)

水下航行體具有高度非線性、時(shí)變性和強(qiáng)耦合性，而且難于獲得其精確的水動(dòng)力參數(shù)，同時(shí)還受到浪涌、海流干擾。所以，水下航行體采用的控制方法需要具體良好的魯棒性。

對(duì)于類似魚雷外形的水下航行體，在滿足小擾動(dòng)條件下（例如小攻角、小側(cè)滑角、定常定深直航運(yùn)動(dòng)等工況），傳統(tǒng)的控制方法可以得到良好的控制效果。事實(shí)上，現(xiàn)在大多數(shù)的水下航行體仍采用PID范式下的各種控制算法。

隨著對(duì)水下航行體機(jī)動(dòng)能力的提高，小擾動(dòng)條件被破壞，急需尋求更多的控制算法來改善水下航行體控制系統(tǒng)的性能品質(zhì)。國內(nèi)外許多學(xué)者將自抗擾技術(shù)、模糊策略、滑模變結(jié)構(gòu)控制和非線性魯棒控制等控制理論與技術(shù)應(yīng)用于水下航行體控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[10-13]。

仿真軟件主要針對(duì)工程應(yīng)用和應(yīng)用理論研究，所以本文選取控制算法的原則是在以往工程中得到成功應(yīng)用，有良好控制效果的部分算法。本文將常規(guī)的PID算法、自抗擾技術(shù)、模糊策略和滑模便結(jié)構(gòu)控制分別進(jìn)行模塊封裝，以便于針對(duì)水下航行體的控制算法分析與設(shè)計(jì)。應(yīng)該說明的是，上述列出的算法，都有其各自的特點(diǎn)，對(duì)被控對(duì)象動(dòng)態(tài)特性的掌握在很大程度上決定了控制算法的應(yīng)用效果。

2.2.1 PID控制律

MATLAB2011a版本中已經(jīng)有連續(xù)和離散的PID模塊，該模塊封裝了基本的PID控制律和2自由度PID（2DOF PID）。在實(shí)際應(yīng)用中還有很多其他在PID范式下的多種算法，例如非線性PID，自適應(yīng)PID等。本仿真軟件引用MATLAB封裝好的PID模塊。用戶也可以利用文獻(xiàn)[7]提供的方法，把封裝好的其它形式的PID算法加入到PID模塊中。

2.2.2 自抗擾控制技術(shù)

自抗擾控制（Active Disturbance Rejection Control，ADRC）是韓京清研究員經(jīng)過多年發(fā)展起來面向工程應(yīng)用的控制算法，已經(jīng)在實(shí)際系統(tǒng)上得到檢驗(yàn)并取得了十分出色的效果[14-15]。文獻(xiàn)[16]對(duì)一階 ADRC、二階級(jí) ADRC、三階 ADRC、構(gòu)成ADRC的各部件及常用的非線性函數(shù)進(jìn)行了封裝。本仿真軟件以文獻(xiàn)[16]給出的成果進(jìn)行模塊封裝，用戶也可以把其他形式的 ADRC封裝好添加到ADRC模塊中。

2.2.3 模糊策略

模糊策略是從行為上模擬人的模糊推理和決策過程的一種實(shí)用方法。從1965年美國自動(dòng)控制專家Zadeh提出“隸屬函數(shù)”概念，到1974年英國工程師 Mamdani首次把策略應(yīng)用到鍋爐和蒸汽機(jī)的控制并取得良好的控制效果以來，模糊策略在自動(dòng)領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用[17-18]。在MATLAB2011a的Toolboxes中含有Fuzzy Logic工具箱，模糊策略子模塊是基于該工具箱進(jìn)行一些常規(guī)模糊策略的封裝。模糊策略應(yīng)用的一個(gè)難點(diǎn)是模糊規(guī)則的確定，模糊規(guī)則需要豐富的工程經(jīng)驗(yàn)。本仿真軟件將結(jié)合一線工程師的專家經(jīng)驗(yàn)針對(duì)水下航行體設(shè)計(jì)一些常用的模糊策略，并對(duì)其進(jìn)行模塊封裝，用戶也可以把自定義模糊策略模塊封裝好添加到模糊策略模塊中[7]。

2.2.4 滑模變結(jié)構(gòu)控制

滑模變結(jié)構(gòu)控制由前蘇聯(lián)學(xué)者 Utkin和Emelyanov在20世紀(jì)50年代提出，經(jīng)過50多年的發(fā)展，在很多領(lǐng)域得到成功應(yīng)用[19-20]。這種控制方法通過控制量的切換使系統(tǒng)狀態(tài)沿著滑模面滑動(dòng)，使系統(tǒng)在受到參數(shù)攝動(dòng)和外界干擾時(shí)具有不變性。在歐美，設(shè)計(jì)人員在八九十年代就將滑模控制應(yīng)用于水下航行體的控制上，并得到了良好的控制效果[21-24]。然而，滑模控制的強(qiáng)魯棒性是以控制量的高頻振顫為代價(jià)換取的。因此，對(duì)滑模變結(jié)構(gòu)控制的改進(jìn)、抖振的削弱成為研究重點(diǎn)。本仿真軟件將對(duì)常用的連續(xù)時(shí)間系統(tǒng)滑模控制、離散時(shí)間系統(tǒng)滑模控制、Terminal滑模控制、動(dòng)態(tài)滑模控制、基于反演設(shè)計(jì)的滑模控制和模糊滑模控制進(jìn)行模塊封裝。用戶也可以把自定義的滑模控制添加到滑模變結(jié)構(gòu)控制子模塊中。滑模變結(jié)構(gòu)控制子模塊利用M語言和文獻(xiàn)[7]提供的方法進(jìn)行封裝。

2.3 流體動(dòng)力參數(shù)辨識(shí)模塊設(shè)計(jì)

水下航行體流體動(dòng)力參數(shù)辨識(shí)是分析和設(shè)計(jì)航行體控制系統(tǒng)的一種重要手段。理論研究和實(shí)踐表明，用于不同情況下的水下航行體數(shù)學(xué)模型結(jié)構(gòu)已基本定型，建立水下航行體數(shù)學(xué)模型的主要任務(wù)是通過各種手段獲取水下航行體流體動(dòng)力參數(shù)。獲取水下航行體流體動(dòng)力參數(shù)的手段一般包含：水洞實(shí)驗(yàn)、風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)、流體力學(xué)理論計(jì)算和流體動(dòng)力參數(shù)辨識(shí)。通過水洞實(shí)驗(yàn)、風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)和流體力學(xué)計(jì)算得到的流體動(dòng)力參數(shù)是在一定的假設(shè)條件下利用相似原理做出，具有一定局限性。因此，采用參數(shù)辨識(shí)技術(shù)從水下航行體實(shí)航試驗(yàn)或仿真實(shí)驗(yàn)中測得的輸入輸出數(shù)據(jù)進(jìn)行流體動(dòng)力參數(shù)辨識(shí)，具有重要意義[25]。

實(shí)航試驗(yàn)或仿真實(shí)驗(yàn)的測試數(shù)據(jù)預(yù)處理是流體動(dòng)力參數(shù)辨識(shí)的第一步，可靠的數(shù)據(jù)是辨識(shí)成功的關(guān)鍵。

為了研究一些確定和非確定性關(guān)系，需要從給定的數(shù)據(jù)中，找出變量之間的關(guān)系，也稱解決這類問題的計(jì)算方法為數(shù)據(jù)擬合方法。

針對(duì)不同的對(duì)象和不同的應(yīng)用目的，需要選用特定的參數(shù)辨識(shí)方法，本文選用最小二乘法、梯度校正法和極大似然法作為水下航行體流體動(dòng)力參數(shù)辨識(shí)方法。

本仿真軟件將按照文獻(xiàn)[25]提供的方法對(duì)數(shù)據(jù)預(yù)處理子模塊、數(shù)據(jù)擬合模塊和參數(shù)辨識(shí)算法子模塊進(jìn)行設(shè)計(jì)與封裝。需要說明的是，水動(dòng)力參數(shù)辨識(shí)是一個(gè)比較難的課題，目前水動(dòng)力參數(shù)辨識(shí)還停留在線性辨識(shí)方面，非線性水動(dòng)力參數(shù)辨識(shí)還處于探索階段，本仿真軟件提供的手段極為有限。

2.4 圖形界面人機(jī)交互模塊設(shè)計(jì)

在本仿真軟件中，圖形界面人機(jī)交互模塊需要完成2個(gè)任務(wù)：1）實(shí)航內(nèi)測數(shù)據(jù)或仿真實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可視化顯示；2）仿真軟件的數(shù)據(jù)管理調(diào)度功能。相應(yīng)的，該模塊包含以下子模塊：圖形界面顯示子模塊和數(shù)據(jù)管理調(diào)度子模塊，以完成該模塊的功能。

2.4.1 圖形界面顯示子模塊設(shè)計(jì)

圖形界面顯示子模塊分為：控制系統(tǒng)仿真分析二維曲線及文本數(shù)值顯示部件、實(shí)航內(nèi)測數(shù)據(jù)或仿真實(shí)驗(yàn)數(shù)三維顯示部件。

1）控制系統(tǒng)仿真分析二維曲線及文本數(shù)值顯示部件。

該部件采用MATLAB GUI進(jìn)行設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)。該部件包含：流體動(dòng)力參數(shù)及總體參數(shù)單元、水下航行體穩(wěn)定性和運(yùn)動(dòng)特性分析單元、控制律設(shè)計(jì)單元、流體動(dòng)力參數(shù)辨識(shí)單元和文檔管理及用戶幫助單元。

流體動(dòng)力參數(shù)及總體參數(shù)單元完成水下航行體的流體動(dòng)力參數(shù)和總體參數(shù)的輸入。該單元采用mat文件進(jìn)行數(shù)據(jù)管理，mat文件為仿真軟件提供初始數(shù)據(jù)，仿真軟件的其他模塊以可讀方式訪問該文件。

水下航行體穩(wěn)定性和運(yùn)動(dòng)特性分析單元完成水下航行體在不加控制律時(shí)的穩(wěn)定和運(yùn)動(dòng)特性分析。該單元采用2種研究方法（時(shí)域和頻域），對(duì)水下航行體進(jìn)行側(cè)向通道、縱向通道和橫向通道的穩(wěn)定性和運(yùn)動(dòng)特性進(jìn)行分析。

控制律設(shè)計(jì)單元完成水下航行體控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)，從穩(wěn)定性和動(dòng)態(tài)特性考察水下航行體控制系統(tǒng)的控制品質(zhì)。

流體動(dòng)力參數(shù)辨識(shí)單元完成水下航行體流體動(dòng)力參數(shù)的辨識(shí)。該單元包含了2.3節(jié)中提到的3個(gè)模塊。

文檔管理及用戶幫助單元向用戶提供系統(tǒng)管理和處理功能，包括仿真和辨識(shí)結(jié)果的數(shù)據(jù)處理、二維曲線編輯、系統(tǒng)退出和用戶常見問題解答等功能。

2）實(shí)航內(nèi)測數(shù)據(jù)或仿真實(shí)驗(yàn)數(shù)三維可視化顯示部件。

該部件采用Visual C++ 和OpenGL進(jìn)行設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)。該部件包含實(shí)航內(nèi)測數(shù)據(jù)或仿真實(shí)驗(yàn)數(shù)三維顯示單元、文檔管理及用戶幫助單元。

實(shí)航內(nèi)測數(shù)據(jù)或仿真實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)三維顯示單元完成水下航行體運(yùn)動(dòng)特性可視化顯示，將抽象數(shù)據(jù)信息轉(zhuǎn)化為直觀的圖形信息，逼真地模擬出航行過程的實(shí)際情況。本仿真軟件提到的三維可視化屬于科學(xué)計(jì)算可視化3個(gè)層次中的事后處理可視化層次[26]。該單元對(duì)實(shí)航內(nèi)測數(shù)據(jù)和仿真實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)統(tǒng)一進(jìn)行處理，在顯示操作過程中，用戶可以隨時(shí)介入，例如暫停、回放等。

文檔管理及用戶幫助單元完成系統(tǒng)退出和用戶常見問題解答等功能。

2.4.2 數(shù)據(jù)管理調(diào)度子模塊

該模塊完成仿真軟件的數(shù)據(jù)管理調(diào)度，包含2個(gè)單元：MATLAB GUI環(huán)境下的數(shù)據(jù)調(diào)度管理單元和 Visual C++環(huán)境下的數(shù)據(jù)調(diào)度管理單元。MATLAB與 Visual C++通過動(dòng)態(tài)鏈接庫和靜態(tài)連接庫進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。

MATLAB GUI環(huán)境下的數(shù)據(jù)調(diào)度管理單元主要完成水下航行體流體動(dòng)力參數(shù)總體參數(shù)的分解與管理、仿真數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)和處理等。

Visual C++環(huán)境下的數(shù)據(jù)調(diào)度管理單元完成數(shù)據(jù)的處理和操縱、可視化映射、圖形繪制。

Visual C++環(huán)境下數(shù)據(jù)調(diào)度管理示意圖如圖4所示[26]。

圖4 Visual C++環(huán)境下數(shù)據(jù)調(diào)度管理示意圖Fig. 4 Data-manager diagram in Visual C++ environment

2.5 仿真數(shù)學(xué)模型配置說明

不同水下航行體結(jié)構(gòu)模型已基本定型，在得到水下航行體總體參數(shù)和流體動(dòng)力參數(shù)后，從控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與分析角度而言，最主要的工作是針對(duì)特定應(yīng)用目的來配置仿真模型，進(jìn)行控制系統(tǒng)仿真研究。

工程上，水下航行體常采用橫滾通道、航向通道和俯仰深度通道分別進(jìn)行控制。本節(jié)以俯仰深度通道為例介紹有關(guān)的仿真數(shù)學(xué)模型的配置。

俯仰深度通道控制以水下航行體縱向運(yùn)動(dòng)為研究對(duì)象，以水下航行體縱向運(yùn)動(dòng)的相關(guān)運(yùn)動(dòng)參數(shù)為被控量。此時(shí)，把運(yùn)動(dòng)參數(shù)配置為0，代入式（1）和式（2）中，得到原始水下航行體縱向運(yùn)動(dòng)方程組，該方程組可作為水下航行體控制系統(tǒng)的仿真研究對(duì)象。該方程組是一個(gè)非線性系統(tǒng)，不利用工程上常用的經(jīng)典控制算法對(duì)其進(jìn)行控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與分析。為便于工程應(yīng)用，在特定工況下，對(duì)原始水下航行體縱向方程組進(jìn)行工程精度范圍內(nèi)允許的簡化和線性化，得到水下航行體小擾動(dòng)線性化方程組和近似傳遞函數(shù)，具體實(shí)現(xiàn)與文獻(xiàn)[4]提供的方法一致。上述的小擾動(dòng)線性化方程組和近似傳遞函數(shù)為一般工程應(yīng)用的數(shù)學(xué)仿真模型。

對(duì)于“分析層”仿真軟件用戶，在輸入水下航行體總體參數(shù)和流體動(dòng)力參數(shù)后，只需勾選相應(yīng)選項(xiàng)，便可進(jìn)行水下航行體控制系統(tǒng)仿真研究。對(duì)于“搭建層”仿真軟件用戶，在 MATLAB/Simulink平臺(tái)上，可選用不同形式的水下航行體縱向運(yùn)動(dòng)仿真數(shù)學(xué)模型進(jìn)行控制算法研究和控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與分析。

3 結(jié)束語

本文給出了仿真軟件的結(jié)構(gòu)組成，即用戶角度的3個(gè)層次和設(shè)計(jì)人員角度的4大模塊。給出了各模塊的設(shè)計(jì)思路，并對(duì)文中提到的理論給出了簡要介紹，列出了相關(guān)理論及應(yīng)用的經(jīng)典文獻(xiàn)。

本仿真軟件涉及的部分關(guān)鍵技術(shù)在其它軟件已得到成功應(yīng)用，該仿真軟件的設(shè)計(jì)方案在技術(shù)上具有可行性。