基于MATLAB GUI的船舶操縱性指數(shù)計(jì)算

解國強(qiáng)

摘 要：為了滿足在控制器設(shè)計(jì)時(shí)需要獲取船舶操縱性指數(shù)這一問題，本文在梳理理論計(jì)算公式之后，在MATLAB的GUI中編程實(shí)現(xiàn)了兩個(gè)船舶操縱性指數(shù)與三個(gè)時(shí)間常數(shù)的計(jì)算平臺(tái)，并通過實(shí)例驗(yàn)證了平臺(tái)計(jì)算結(jié)果的正確性。本文所做的研究對(duì)控制器設(shè)計(jì)者和船舶駕駛員了解船舶操縱性能均具有很大的參考價(jià)值。

關(guān)鍵詞：船舶操縱性指數(shù);MATLAB;GUI;運(yùn)動(dòng)控制

中圖分類號(hào)：U445? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)：1006—7973（2022）01-0098-03

1引言

船舶Nomoto模型是在設(shè)計(jì)船舶航向保持等控制器時(shí)廣泛使用的一種線性數(shù)學(xué)模型[1]。目前，可用于獲取船舶Nomoto模型K、T指數(shù)的方法主要有三種[2]。這三種方法雖然最終都可以獲得K、T指數(shù)的可靠數(shù)值，但在某些情況下，用二階Nomoto模型來進(jìn)行船舶航向保持等控制器設(shè)計(jì)仍稍顯不足，如考慮執(zhí)行器動(dòng)態(tài)時(shí)則仍需采用三階Nomoto模型，從而需要獲得與T指數(shù)相對(duì)應(yīng)的T1、T2和T3這三個(gè)時(shí)間常數(shù)的具體數(shù)值。本文采用公式計(jì)算的方法，借助MATLAB強(qiáng)大的數(shù)據(jù)計(jì)算與處理能力對(duì)涉及T1、T2和T3這三個(gè)參數(shù)的算式進(jìn)行解算，并借助GUI的良好圖形界面功能將最終結(jié)果展示出來，構(gòu)建了一個(gè)圖形用戶界面的K、T指數(shù)計(jì)算平臺(tái)，便于滿足不同控制器設(shè)計(jì)情況對(duì)參數(shù)的需求，也方便以后進(jìn)行其他功能的拓展。

諸多研究者借助MATLAB和GUI的強(qiáng)大功能對(duì)船舶方面的諸多問題進(jìn)行了計(jì)算或可視化展示。文獻(xiàn)[3]通過深入地研究了不規(guī)則的海浪干擾建模，以及海浪干擾對(duì)于船舶運(yùn)動(dòng)的作用和影響，構(gòu)建了長峰和短峰不規(guī)則波的三維波面模型，并借助MATLAB自身的繪制函數(shù)給出了長峰與短峰不規(guī)則波的三維海面圖。文獻(xiàn)[4]主要是采用VB與MATLAB進(jìn)行混合編程，設(shè)計(jì)出一款集數(shù)據(jù)提取、數(shù)據(jù)處理、建模、仿真及比較等多種功能于一體的現(xiàn)代化實(shí)船工業(yè)數(shù)據(jù)處理、建模和仿真系統(tǒng)。文獻(xiàn)[5]采用VB.NET與MATLAB進(jìn)行混合編程，設(shè)計(jì)出了可以用于計(jì)算與分析冰區(qū)航行船舶推進(jìn)軸系時(shí)域瞬態(tài)振動(dòng)的工程應(yīng)用軟件。文獻(xiàn)[6]采用灰色預(yù)測理論對(duì)船載的相繼增壓柴油機(jī)性能進(jìn)行預(yù)測，并采用MATLAB的GUI設(shè)計(jì)了一款灰色預(yù)測仿真平臺(tái)。文獻(xiàn)[7]采用MATLAB的GUI開發(fā)出了一套可實(shí)現(xiàn)計(jì)算表征船舶固有CO2排放水平評(píng)價(jià)指標(biāo)功能的船舶能效設(shè)計(jì)指數(shù)EEDI的輔助計(jì)算系統(tǒng)。文獻(xiàn)[8]借助MATLAB的GUI設(shè)計(jì)了一款用于深海鋪管船托管架系統(tǒng)調(diào)整的軟件。文獻(xiàn)[9]在VB環(huán)境下，借助MATLAB強(qiáng)大的圖形繪制功能，建立了一套船舶搖蕩的可視化仿真平臺(tái)。

2 Nomoto模型K、T指數(shù)計(jì)算方法

若想計(jì)算Nomoto模型的K、T指數(shù)，則需要獲得船舶的8個(gè)基本參數(shù)的具體數(shù)值，即兩柱間長L、船寬B、吃水D、方形系數(shù)Cb、重心距船中距離xc、船速V、舵葉面積Aδ、排水體積▽。

首先，根據(jù)Clarke給出的回歸公式[10]計(jì)算出10個(gè)線性流體動(dòng)力導(dǎo)數(shù)，如式（1）所示。

而式（1）中的是船舶本身的流體動(dòng)力導(dǎo)數(shù)，在實(shí)際應(yīng)用時(shí)還應(yīng)考慮舵對(duì)船體流體動(dòng)力導(dǎo)數(shù)的干擾，對(duì)這些流體動(dòng)力導(dǎo)數(shù)做出一定的修正，其修正增量按式（2）確定[10]。

在對(duì)各流體動(dòng)力導(dǎo)數(shù)進(jìn)行修正后，可按式（3）計(jì)算得到6個(gè)相關(guān)的中間參量。

其中除先前所述的流體動(dòng)力導(dǎo)數(shù)外，帶撇的量為的無量綱數(shù)值，具體的無量綱方法按式（4）計(jì)算，其中ρ為海水密度。

最終按式（5）和式（6）計(jì)算可得二階Nomoto模型的K、T指數(shù)。

其中，通常，的數(shù)值一般與相近[1]。對(duì)于操縱性良好的船舶，通常具有大的正值K和小的正值T。此外，，，，滿足式（7）所對(duì)應(yīng)的關(guān)系。

根據(jù)式（7），并在計(jì)算時(shí)考慮三個(gè)時(shí)間常數(shù)間的大小關(guān)系，最終可以獲得時(shí)間常數(shù)，，的具體數(shù)值。

3基于MATLAB GUI的軟件實(shí)現(xiàn)方法

圖形用戶界面（Graphical User Interfaces， GUI）給人的視覺感官與VB的設(shè)計(jì)環(huán)境很相似，且控件的外形及屬性設(shè)置也與VB的相似，但在控件功能的程序?qū)崿F(xiàn)上，MATLAB卻顯得更為簡潔。程序由一個(gè)主函數(shù)、各子函數(shù)和功能函數(shù)構(gòu)成。其中，主函數(shù)為固定格式的函數(shù)，無需修改。各子函數(shù)和功能函數(shù)需按照預(yù)先設(shè)計(jì)的作用進(jìn)行代碼的編輯。運(yùn)行程序后可得到如圖1所示的初始界面。

4實(shí)例驗(yàn)證

文獻(xiàn)[12]中給出了大連海事大學(xué)教學(xué)實(shí)習(xí)船的基本參數(shù)與二階Nomoto模型的K、T指數(shù)，見表1。將育鯤輪的基本參數(shù)輸入到相應(yīng)的文本框中后，按下確定按鈕，最終可得到育鯤輪的各模型指數(shù)為K=0.31496，T=64.5289，T1=69.9575，T2=4.5081，T3=9.9367，計(jì)算界面如圖2所示。若將程序結(jié)果四舍五入保留到小數(shù)點(diǎn)后兩位，所得的最終結(jié)果與文獻(xiàn)[12]中所給出的數(shù)據(jù)一致，且三個(gè)時(shí)間常數(shù)也滿足文獻(xiàn)[1]中所指出的數(shù)量關(guān)系，說明本文所設(shè)計(jì)的船舶操縱性指數(shù)的計(jì)算平臺(tái)能夠準(zhǔn)確計(jì)算相應(yīng)參數(shù)。

5結(jié)論

本文在MATLAB的GUI中編程實(shí)現(xiàn)了兩個(gè)船舶操縱性指數(shù)與三個(gè)時(shí)間常數(shù)的計(jì)算平臺(tái)，并通過實(shí)例驗(yàn)證了平臺(tái)計(jì)算結(jié)果的正確性。通過平臺(tái)所計(jì)算得到的數(shù)據(jù)，對(duì)于船舶運(yùn)動(dòng)控制器的設(shè)計(jì)具有很大的理論價(jià)值，與此同時(shí)，該系統(tǒng)還可在封裝形成可執(zhí)行文件后，供控制器設(shè)計(jì)者使用。也為船舶駕駛員了解船舶操縱性能提供了一種有效的數(shù)據(jù)獲取途徑。此外，本文所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)還為未來拓展其他功能打下了基礎(chǔ)。

參考文獻(xiàn)：

[1] 張顯庫， 金一丞. 控制系統(tǒng)建模與數(shù)字仿真（第二版）[M]. 大連： 大連海事大學(xué)出版社， 2013.

[2] 李宗波，張顯庫，張楊.基于SPSS技術(shù)的船舶操縱性指數(shù)K、T預(yù)報(bào)[J].航海技術(shù)，2007（05）：2-5.

[3] 錢小斌，尹勇，張秀鳳，李業(yè).海上不規(guī)則波浪擾動(dòng)對(duì)船舶運(yùn)動(dòng)的影響[J].交通運(yùn)輸工程學(xué)報(bào)，2016，16（03）：116-124.

[4] 張國慶，張顯庫.實(shí)船數(shù)據(jù)處理建模及仿真系統(tǒng)[J].中國造船，2011，52（03）：52-58.

[5] 肖能齊，徐翔，周瑞平.冰區(qū)航行船舶軸系時(shí)域瞬態(tài)扭振計(jì)算及軟件開發(fā)[J].中國造船，2019，60（02）：138-149.

[6] 祖象歡，楊傳雷，王銀燕.基于GM（1，1）模型和MATLAB GUI的相繼增壓柴油機(jī)性能預(yù)測[J].哈爾濱工程大學(xué)學(xué)報(bào)，2015，36（11）：1454-1458.

[7] 朱剛，黃杰雄，溫小飛.基于MATLAB的船舶能效設(shè)計(jì)指數(shù)輔助計(jì)算系統(tǒng)開發(fā)[J].中國水運(yùn)（下半月），2019，19（08）：77-78.

[8] 徐興平，王西錄，馮帆，汪海，張辛，王龍庭，劉廣斗.基于深海鋪管船托管架系統(tǒng)調(diào)整的軟件開發(fā)[J].石油機(jī)械，2019，47（06）：67-72.

[9] 晁大海，宋楊.基于VB與Matlab的船舶搖蕩運(yùn)動(dòng)仿真[J].艦船科學(xué)技術(shù)，2018，40（19）：63-66.

[10] Clarke D. The application of maneuvering criteria in hull design using linear theory[J]. RINA， 1982：45-68.

[11] 張志涌， 楊祖櫻. MATLAB教程（R2018a）[M]. 北京：北京航空航天大學(xué)出版社， 2019.

[12] 關(guān)巍，周慶宏，任志浩，滕斌.規(guī)劃控制策略下的無人船航向簡捷魯棒控制[J].哈爾濱工程大學(xué)學(xué)報(bào)，2019，40（11）：1801-1808.