船舶耐波性實時監(jiān)測系統(tǒng)設計實驗分析

徐茂勝,楊旺林,楊松林

（江蘇海藝船舶科技有限公司,江蘇 鎮(zhèn)江 212009）

0 引言

一些船舶航行水域多變，對耐波性提出較高要求。目前建立船舶運動數(shù)學模型主要有機理建模法和辨識建模法。隨著系統(tǒng)辨識的不斷發(fā)展以及船舶模型試驗數(shù)據(jù)采集方法的日益優(yōu)化，系統(tǒng)辨識研究船舶性能已廣泛應用[1-5]。船舶搖蕩是耐波性的主要內容，耐波性所涉及的其他內容主要是由船舶搖蕩引起的[6-7]，因此預測船舶搖蕩是耐波性評定的最基本條件[8-10]。

該文研究的核心內容是船舶耐波性實時監(jiān)測系統(tǒng)的設計。建立船舶耐波性系統(tǒng)辨識模型，實時地對一艘滑行艇模型進行操縱性辨識。包括建立船載各傳感器或艇載電腦與岸機之間數(shù)據(jù)的實時傳輸及相關顯示或分析系統(tǒng)。通過對船模耐波性實時監(jiān)測，驗證所設計監(jiān)測系統(tǒng)的可靠性。主要內容包括：船舶耐波性實時監(jiān)測硬件系統(tǒng)、軟件系統(tǒng)設計以及試驗驗證。

1 船舶耐波性實時監(jiān)測系統(tǒng)搭建

1.1 實驗模型

該次實驗選用了江蘇科技大學船模室的一艘無人滑行艇模型，其主要參數(shù)如下（見表1）。

表1 船模主要參數(shù)

1.2 硬件系統(tǒng)

要實現(xiàn)對船模耐波性實時監(jiān)測，船模需包含核心控制系統(tǒng)、姿態(tài)測量系統(tǒng)、導航定位系統(tǒng)、數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)、數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)、能源系統(tǒng)，各系統(tǒng)有機結合，組成船舶耐波性實時監(jiān)測的硬件系統(tǒng)（見圖1）。

圖1 硬件系統(tǒng)框架圖

1.3 軟件系統(tǒng)

實現(xiàn)船舶耐波性的實時監(jiān)測，要結合相關軟件系統(tǒng)與前文所述的硬件系統(tǒng)相輔相成。耐波性實時監(jiān)測軟件系統(tǒng)要建立耐波性數(shù)學模型，進而確定相關性能的監(jiān)測方法。首先建立耐波性數(shù)學模型，然后運用系統(tǒng)辨識的方法對耐波性進行實時監(jiān)測。對所需數(shù)據(jù)進行測量、傳輸，再由岸機電腦進行計算。軟件監(jiān)測系統(tǒng)框架圖見圖2。

圖2 軟件監(jiān)測系統(tǒng)框架圖

波浪引起船舶在水中搖蕩，受力可表現(xiàn)為阻尼力矩的形式。該文主要構建船舶在規(guī)則波浪中的橫搖運動數(shù)學模型。

根據(jù)動平衡原理，作用于橫搖運動船上的總力矩等于零，則得到：

在某一特定周期下，波浪擾動力矩可視為波高的函數(shù)，這里假設波浪擾動力矩是波高的二次函數(shù)，當波高為零時波浪擾動力矩也為零，再將 離散化，即有對k+1下的角速度預報為：

2 船舶耐波性實時監(jiān)測系統(tǒng)船模試驗及分析

將前述各系統(tǒng)有機結合，通過模型試驗進行驗證。該試驗著重驗證所構建船舶耐波性實時監(jiān)測系統(tǒng)的可行性、穩(wěn)定性。

2.1 耐波性實時監(jiān)測試驗方案

結合上述船舶橫搖運動數(shù)學模型及系統(tǒng)辨識數(shù)學模型，在試驗中主要開展船舶橫搖運動實時監(jiān)測。方案一是通過控制短周期內舵角的正負變換使船模在運動中發(fā)生橫搖，電機電壓1.7 V，舵角30°，周期2 s；方案二為船模大角度（初始橫搖角度為20°）橫搖衰減試驗，試驗數(shù)據(jù)通過所建實時監(jiān)測系統(tǒng)，傳回岸機PC電腦進行系統(tǒng)辨識。試驗在江蘇科技大學室外游泳池進行。

2.2 耐波性實時監(jiān)測試驗情況與分析

實驗時天氣狀況較好，水面微小波浪。對泳池中的波浪做出假設：波浪波幅為3 cm，周期為2 s，正弦規(guī)則波見圖3、圖4、圖5、圖6。

圖3 耐波性實時監(jiān)測試驗

圖4 橫搖辨識程序界面

圖5 20°橫搖衰減時對角速度擬合曲線

圖6 強迫橫搖對角速度擬合曲線

20°橫搖衰減橫搖運動方程為：

強迫橫搖運動方程為：

試驗過程中，船模在設定程序下進行了強迫橫搖運動，用以模擬船模在運動過程中產生的橫搖運動。MTi串口正常調用并采集數(shù)據(jù)，岸機正常接收MTi所采集的實時數(shù)據(jù)。試驗結束后在PAC內部成功生成記錄MTi數(shù)據(jù)的TXT文檔。將橫搖運動辨識所需相關數(shù)據(jù)帶入到回轉性能系統(tǒng)辨識程序中，系統(tǒng)辨識程序處理數(shù)據(jù)正常，對試驗數(shù)據(jù)的擬合效果良好。通過橫搖衰減系統(tǒng)辨識擬合圖表，可得知所構建的橫搖運動系統(tǒng)辨識數(shù)學模型能夠用于研究該船模的橫搖運動情況。

試驗中，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)工作正常，數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)工作正常，數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)工作正常，且所構建的船舶橫搖運動系統(tǒng)辨識數(shù)學模型可靠。

綜上，判定船舶耐波性實時監(jiān)測系統(tǒng)，對船模耐波性實時監(jiān)測正常，船舶耐波性實時監(jiān)測系統(tǒng)試驗驗證成功。

3 結論

該文構建了船舶耐波性實時監(jiān)測硬件系統(tǒng)。以可編程自動控制器PAC作為核心控制器，導航系統(tǒng)由DGPS、三維電子羅盤組成，姿態(tài)測量系統(tǒng)由激光測距儀、MTi組成，數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)采用數(shù)傳電臺，數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)采用PC電腦。通過測試，該硬件監(jiān)測系統(tǒng)符合該文所構建的船舶操縱性實時監(jiān)測系統(tǒng)的要求。

同時，構建了船舶耐波性實時監(jiān)測軟件系統(tǒng)。建立了船舶耐波性數(shù)學模型，基于遺傳算法確立了耐波性性能研究的系統(tǒng)辨識模型，并基于VB6.0改編了相應的系統(tǒng)辨識程序；編寫了船模運動控制、數(shù)據(jù)傳輸程序以及各數(shù)據(jù)采集串口程序，設計了PAC執(zhí)行程序界面。

對船舶耐波性實時監(jiān)測系統(tǒng)成功進行了船模試驗驗證，該系統(tǒng)設計成功。