海洋系统模拟器概述： Simulink工具箱海洋控制系统外文翻译资料

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海洋系统模拟器概述：

Simulink工具箱海洋控制系统

T. PEREZ*dagger;, Oslash;. N. SMOGELIdagger;Dagger;, T. I. FOSSENdagger;sect;

A. J. SOslash;RENSENdagger;Dagger;

摘要：海洋系统模拟器（Marine Systems Simulator，MSS）是一种环境，它为以控制系统设计为重点的海洋系统数学模型的快速执行提供了必要的资源。该模拟器的目标模式提供了准备模拟的不同浮动结构和其系统上执行各种操作的实例。发展MSS所采用的平台是MATLAB / Simulink环境，这使得模拟器结构的模块化及分布式开发成为可能。软件组件的开放式和模块化已经成为优先的设计原则，使得知识得以系统化地反复利用并为研究和教育提供了有效工具。本文提供了对MSS的结构、特征、当前的可接触性以及未来发展计划的概述。

关键词：海洋系统动力学，模型，仿真

1.简介

海洋系统模拟器（Marine Systems Simulator，MSS）是一种基于仿真的环境，它为以控制系统设计为重点的海洋系统数学模型的快速执行提供了必要的资源。它的发展始于挪威科技大学（Norwegian university of Science and Technology ，NTNU），并且在其他团队的帮助下进行。

90年代初，重要的资源被分配给挪威科技大学的海事控制系统领域，多种模型和仿真工具被学生和研究人员开发并使用。 MSS让这些分散的努力得以整合，并让挪威科技大学以外的研究人员和学生使用它，并且，对它的进一步发展做贡献。2004年，MSS作为描述面向海洋系统仿真的三个工具箱（海洋GNC工具箱，海洋控制模拟器，数字卡多谐振荡器.）的融合被提出。

海洋GNC工具箱最初是由T.I. Fossen和他的学生开发，作为他的海洋车辆控制课程的指导以及书籍的支持工具（Fossen，2002）。这个工具箱提供了MSS核心库。MCSim主要是一个面向动力定位（dynamic positioning，DP）海洋作业的完整模拟器。这个工具箱是由A. J. Soslash;rensen首创，由Oslash;. N. Smogeli发展，是挪威科技大学海洋技术学院新进硕士和博士共同知识的源泉（Sorensen， 2003）。海洋控制模拟器（Marine Control Simulator ，MCSim）包含各级（厂和执行器）复杂的模型，它现在已经被重构到MSS的两个库中。该工具箱由Perez amp;Blanke等开发（2003），并且是面向自主导航设计的一套减少了的仿真模块。MSS包含一小部分来自数字卡多谐振荡器（Digital Card Multi Vibrator，DCMV）以及与波谱、执行器相关的功能。

自从有了MSS，为了提供一个能满足不同复杂程度的海洋作业的用户友好环境，挪威科技大学的作者和其他人做出不断的努力，虽然其中一些目标已经实现，但这项工作仍在进行中。接下来，本文将介绍MSS的结构、特征、当前的可接触性以及未来发展计划。

2.MSS的范围

　　模拟器的范围是指它可以处理的不同的模拟场景。这些不同的场景可以根据以下元素进一步指定：

模型复杂度，

实施灵活性，

用户熟练程度。

图1用类似于我们熟悉的三维空间说明了这一概念。

模型的复杂性取决于模型的目的及其模拟过程。在数学建模中，模型复杂度之间有一个基本的权衡，它为实际系统和简化模型的许多方面提供了高度精确的描述。它捕捉系统的基本面并提供易驾驭的数学分析（Naylor amp; Sell, 1982）。控制理论的复杂模型（过程模型）被用来测试控制策略以及检测用于控制策略的设计和分析（例如，鲁棒性，稳定性，基本限制）的更简单的模型（控制模型）（Goodwin et al., 2001;Soslash;rensen, 2005b; Soslash;rensen, 2005a; Perez, 2005）。

海洋系统（船舶，海上结构，水下航行器，渔业等）模拟器需要根据船舶、海洋状态和速度的具体操作计算模型的可变性。这些系统变化导致的海洋系统响应的变化，执行器和控制目标的响应，反过来又可能导致对不同模型的需求。例如，考虑海上船只动力定位（DP）的情况。在平静的海洋中，DP系统的主要控制目标是调整位置（北、东、航向），抵抗平均波浪力、水流和风缓慢变化的干扰。由于海况的严重程度增大，由海浪引起的振荡运动通常需要作为干扰，并且减少纵荡和垂荡引起的波浪振荡运动可作为额外的控制目标。这要求观察者和控制系统所使用的模型（自由度和干扰模型）变化。

模拟器的执行灵活性描述的是现有模型和模拟方案是否可以轻易地运用所分配资源的新类型的系统的执行。船舶和海洋结构以及它们执行操作的多样性是海洋系统模拟器特别具有挑战性的方面。因此，软件组件的开放性和模块化必须作为优先的设计原则，使知识得以系统化地反复利用。在MSS的情况下，运用Simulink作为发展的平台有以下原因：

bull;Simulink提供了一个灵活的模拟器所必需的模块性和易用性。

bull;MATLAB和Simulink已经成为一种广泛应用于教育和研究的工具；这增加了系统的灵活性，因为许多学生和科学家能接触到该开发平台。

bull;bull;MATLAB许多低层次的问题已经解决，这是它很大的优势。这些问题包括：数字集成例程，绘图工具，数据交换和输出设备。

bull;MATLAB/ Simulink的实时工作空间提供了一种基于实时运行在独立的计算机系统上的测试模型或全面系统的Simulink图表，快速生成原型控制器的方法。这也创造了硬件在回路模拟执行的可能性。在挪威科技大学，这是特别重要，因为学生可以方便地在海洋研究室的模型上实现他们的控制器。见http://www.itk.ntnu.no/marinkyb/mclab/

至于用户，MSS提供了不同的选择。MSS最初是作为一种增加挪威科技大学的学生和研究人员知识的重复利用的方式得以发展。现今的MSS已用于教育和研究多年，它采用了特别完整系统的几个演示操作。然而，由于其模块化和组织性，MSS提供了一个基本模块和功能的核心库，它可以被组合成新的系统以满足行业和学术研究的需要。

3.MSS中的数学模型

为了理解MSS的软件组成，我们先简要回顾下海洋系统中主要的组成部分。同时，我们将介绍MSS采用的主要规则。

3.1参考坐标系和量纲

为了描述海洋系统的一般运动，我们需要考虑三个坐标来定义平移以及限定方向（6DOF）。这些坐标采用两种类型的参考系定义：惯性坐标系和体固定坐标系。图2表示了在MSS中采用的不同坐标系，下面将做进一步介绍（Fossen, 2002; Soslash;rensen, 2005b; Soslash;rensen, 2005a; Perez, 2005):

北东坐标系：北东坐标系（）以大地作为参考系。它的轴正方向指向正北方向，轴正方向指向正东方向，轴正方向指向地球的中心。原点位于自由海面上的平均位置。这个坐标系被认为是惯性坐标系。

船体坐标系：船体坐标系（）固定于船体上。它的轴正方向指向船首，轴的正方向指向右舷，的正方向指向船底。对于海洋航行器而言，该坐标系的轴线通常与惯性主轴保持一致，这决定了原点的位置。

水动力坐标系：水动力坐标系（）不是固定在船体上，而是跟随船舶的路径以平均航速移动。坐标平面与静水面重合。它的的正方向指向船舶的航行方向，它与低频的航向角对齐。轴的正方向指向右舷，的正方向指向船底。原点与船舶重心在静水面的同一垂线上。当船舶以恒定的平均速度（也包括速度为零的情况）航行时通常考虑使用该坐标系。波浪引起的运动响应让船舶相对于该坐标系做振荡运动。该坐标系被认为是惯性坐标系。

每一种坐标系都有特定的用途。例如，北东坐标系被用来定义船舶的位置、方向以及当前的风向。在船上对线速度和角速度的测量是参照船体坐标系，它也被用来表示船舶的运动方程。水动力坐标系被用于水动力学，计算特定情形下船体和波浪之间的相互作用。这些数据一般用于船舶的初步设计（Couser，2000）；因此，它也可用于得到模型。水动力坐标系也被用来定义当地的波浪高度以及计算与船员能力和乘客舒适度有关的指标（Perez，2005）。

船舶东北向下的位置通过船体坐标系中原点的坐标定义，在北东坐标系中可以表示为：

船舶的纬度通过船体坐标系中原点的坐标定义，由欧拉角的矢量给出：

上式实现的是北东坐标系到船体坐标系的转化。根据Fossen（1994；2002）的表示法，广义位置矢量（或位置定向矢量）被定义为：

船舶线速度和角速度的矢量在船体坐标系中更易表达出来。在船体坐标系中，船舶线速度和角速度的矢量被定义为：

其中，是相对于北东坐标系，点的线性矢量在船体坐标系中的表示，如图2所示。是相对于北东坐标系，角度矢量在船体坐标系中的表示。

表1 采用符号的汇总

（定义在不同参考系中描述船舶运动和幅度采用的术语）

3.2运动方程

使用上节中的符号，海洋系统中船舶运动的一般方程以矢量的形式表达如下：

其中，是在船体惯性坐标系中的总质量矩阵（刚体 恒定附加质量）。是相对当前的速度，如，其中是船体坐标系中的当前速度。函数给出了力的表达式，非惯性系运动方程中出现的力是由虚拟加速度（Coriollis and Centripetal）造成的。这些力有两个组成部分：一部分是刚体质量，另一部分是附加质量（详见Fossen，2002）。是阻尼项，可被分解为以下部分：

其中，前两项是由船行波能量引起的线性阻尼，最后一项是由粘性效应引起的。式（5）中的变量表示与辐射问题相关的流体的记忆效应（船行波）。该方程与式（7）中的前两项在Cummins方程中表示的是卷积积分的状态空间。（详见Kristansen 2003，Fossen 2005， Perez 2005）

式（4）中是由重力和浮力产生的恢复力，往往使船舶恢复到平衡位置上。这些力也包括任何系泊系统的影响。如式（4）中指出的，这些是关于系统位置和方向的函数。式（6）是船体坐标系中线性矢量和角速度矢量与位置及欧拉角的时间导数之间的运动变换（Fossen，2002）。

等式（4）的右侧，表示环境激励力，表示控制力。环境激励力分为波浪，风和水流载荷。波浪力分为振荡或第一阶波浪载荷（Froude-Krilov和衍射）和第二阶波浪载荷（波浪漂移和缓慢变化的非线性效应）。模型中水流的偏移速度，将会影响到式（7）和（5）中的阻尼力。

控制力是由不同的驱动器产生的：方向舵，螺旋桨，鳍，推进器，拦截器，等等。图3表示了由方程（4）—（6）描述的船用系统的主要组件的框图（Smogeli et al.,2005）。该图还显示了通常包括在船舶运动控制系统中的其他组成（详见Fossen 2002， Soslash;rensen 2005， Perez 2005）。

图3 海事系统组成

4.软件特性和组织

MSS由一组仿真库、图形用户界面和MATLAB支持功能组成：

bull;海洋GNC工具箱，

bull;在库中添加：

——海洋水文

——船舶推进器

——海洋系统

bull;海洋可视化工具箱（Marine Visualization Toolbox ，MVT），

bull;MATLAB支持函数，

海洋GNC ²工具箱是MSS的核心组成部分，并且其他大多数组件利用它。通过添加更复杂的组件，MSS的功能系统得到进一步的整合。目前

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