一種船舶運(yùn)動(dòng)數(shù)學(xué)模型的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及船舶運(yùn)動(dòng)模型領(lǐng)域，具體涉及一種船舶運(yùn)動(dòng)數(shù)學(xué)模型。
【背景技術(shù)】
[0002]簡(jiǎn)潔且精度較高的船舶運(yùn)動(dòng)模型一直是船舶運(yùn)動(dòng)控制航海仿真領(lǐng)域追求的終極目標(biāo)，在航海界，Nomoto模型是形式最簡(jiǎn)潔的船舶運(yùn)動(dòng)數(shù)學(xué)模型。但其精度較低，而各種狀態(tài)空間型船舶運(yùn)動(dòng)數(shù)學(xué)模型的精度一般能夠保證，但其眾多水動(dòng)力導(dǎo)數(shù)的獲得較麻煩，或基于水池試驗(yàn)，或基于實(shí)船試驗(yàn)，或部分基于水池試驗(yàn)部分基于實(shí)船試驗(yàn)，由于水池模擬的海洋環(huán)境與實(shí)際海洋環(huán)境，特別是波浪的非線性差別較大，加之船模水池試驗(yàn)的尺度效應(yīng)和池壁效應(yīng)影響，其試驗(yàn)結(jié)果與實(shí)船試驗(yàn)結(jié)果相差較大，而全面的實(shí)船試驗(yàn)花費(fèi)巨大。大部分學(xué)者使用回歸公式或經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算眾多水動(dòng)力導(dǎo)數(shù)，所獲得的船舶運(yùn)動(dòng)數(shù)學(xué)模型會(huì)有50%-200%誤差。航海界從沒(méi)放棄尋找介于Nomoto模型和船舶運(yùn)動(dòng)狀態(tài)空間型數(shù)學(xué)模型之間的數(shù)學(xué)模型的努力。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]為了彌補(bǔ)以上技術(shù)的不足，本發(fā)明提供了一種船舶運(yùn)動(dòng)數(shù)學(xué)模型。本發(fā)明的特征是
為獲得形式簡(jiǎn)潔而精度較高的船舶運(yùn)動(dòng)數(shù)學(xué)模型，將航空航天領(lǐng)域的特征模型移植到航海領(lǐng)域，利用部分實(shí)船試驗(yàn)數(shù)據(jù)辨識(shí)出特征模型的參數(shù)。通過(guò)船舶形試驗(yàn)驗(yàn)證了在航海領(lǐng)域使用特征模型的可行性該精度，稍高于目前使用的Nomoto模型且保留了其簡(jiǎn)潔的形式。
[0004]特征模型最初用于空間飛行器建?？刂破鞯脑O(shè)計(jì)。空間飛行器的動(dòng)力模型一般都是高階模型特征模型，抓住高階模型的本質(zhì)特征，把模型的高階信息壓縮到特征模型的特征參量中，既能保證模型精度，又能使其形式變得簡(jiǎn)潔。通過(guò)對(duì)一直應(yīng)用于航空航天領(lǐng)域的特征模型的研究并試圖將其移植到航海界，利用其簡(jiǎn)潔的形式和船舶出廠時(shí)做的回轉(zhuǎn)和形實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，證明了特征模型就是航海界苦苦尋找的形式簡(jiǎn)潔而精度滿足要求的數(shù)學(xué)模型。
[0005]一、基于上述思想基于特征模型的船舶運(yùn)動(dòng)數(shù)學(xué)模型的建立步驟:
1、數(shù)據(jù)提取
建立基于特征模型的船舶運(yùn)動(dòng)數(shù)學(xué)模型的第一步為數(shù)據(jù)提取，數(shù)據(jù)來(lái)源為實(shí)船的實(shí)操數(shù)據(jù)。2、數(shù)據(jù)濾波處理
通過(guò)數(shù)據(jù)提取中的數(shù)據(jù)存在干擾，需要濾波處理。根據(jù)需要一般采用限幅濾波和中值濾波處理數(shù)據(jù)。
[0006]3、特征參數(shù)辨識(shí)
用含有遺傳因子的遞推最小二乘法對(duì)經(jīng)濾波處理后的艏向角數(shù)據(jù)進(jìn)行參數(shù)辨識(shí)。
[0007]二、船舶運(yùn)動(dòng)數(shù)學(xué)模型的精度驗(yàn)證
按照基于特征模型的船舶運(yùn)動(dòng)數(shù)學(xué)模型的步驟求取基于特征模型的船舶運(yùn)動(dòng)數(shù)學(xué)模型，通過(guò)數(shù)據(jù)處理和濾波處理特征參數(shù)，辨識(shí)得到特征模型的個(gè)特征參量表達(dá)式。即其基于特征模型的船舶運(yùn)動(dòng)數(shù)學(xué)模型的表達(dá)式。引入相關(guān)數(shù)據(jù)及繪制圖形，二者進(jìn)行比較，得出精度驗(yàn)證結(jié)論。
[0008]建立了通用的基于特征模型的船舶運(yùn)動(dòng)數(shù)學(xué)模型并將該模型模型進(jìn)行仿真試驗(yàn)，與實(shí)船形試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比研究，驗(yàn)證了該模型精度高于Nomoto模型，且形式簡(jiǎn)潔，經(jīng)分析特征模型能保證較高精度的主要原因?yàn)?
1、基于特征模型的船舶運(yùn)動(dòng)數(shù)學(xué)模型中的參數(shù)，是利用實(shí)船試驗(yàn)數(shù)據(jù)，進(jìn)行辨識(shí)得到的實(shí)船試驗(yàn)數(shù)據(jù)中包含了船舶的綜合信息。
[0009]2、特征模型不同于整體型船舶運(yùn)動(dòng)數(shù)學(xué)模型。后者是從整體的角度把作用在船體上的流體動(dòng)力對(duì)每個(gè)運(yùn)動(dòng)變量按泰勒級(jí)數(shù)展開(kāi)，取至3階這樣高階所包含的信息就會(huì)丟失；而特征模型與降階模型存在本質(zhì)區(qū)別，它把船舶運(yùn)動(dòng)高階模型的有關(guān)信息都?jí)嚎s到幾個(gè)特征參量中，并不丟失信息。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種船舶運(yùn)動(dòng)數(shù)學(xué)模型，其特征是為獲得形式簡(jiǎn)潔而精度較高的船舶運(yùn)動(dòng)數(shù)學(xué)模型，將航空航天領(lǐng)域的特征模型移植到航海領(lǐng)域，利用部分實(shí)船試驗(yàn)數(shù)據(jù)辨識(shí)出特征模型的參數(shù)，通過(guò)船舶形試驗(yàn)驗(yàn)證了在航海領(lǐng)域使用特征模型的可行性該精度，稍高于目前使用的Nomoto模型且保留了其簡(jiǎn)潔的形式。2.基于上述思想基于特征模型的船舶運(yùn)動(dòng)數(shù)學(xué)模型的建立步驟: ⑴數(shù)據(jù)提取:建立基于特征模型的船舶運(yùn)動(dòng)數(shù)學(xué)模型的第一步為數(shù)據(jù)提取，數(shù)據(jù)來(lái)源為實(shí)船的實(shí)操數(shù)據(jù)； ⑵數(shù)據(jù)濾波處理 通過(guò)數(shù)據(jù)提取中的數(shù)據(jù)存在干擾，需要濾波處理，根據(jù)需要一般采用限幅濾波和中值濾波處理數(shù)據(jù)； ⑶特征參數(shù)辨識(shí) 用含有遺傳因子的遞推最小二乘法對(duì)經(jīng)濾波處理后的艏向角數(shù)據(jù)進(jìn)行參數(shù)辨識(shí)； ⑷船舶運(yùn)動(dòng)數(shù)學(xué)模型的精度驗(yàn)證。
【專(zhuān)利摘要】本發(fā)明提供了一種船舶運(yùn)動(dòng)數(shù)學(xué)模型。本發(fā)明的特征是為獲得形式簡(jiǎn)潔而精度較高的船舶運(yùn)動(dòng)數(shù)學(xué)模型，將航空航天領(lǐng)域的特征模型移植到航海領(lǐng)域，利用部分實(shí)船試驗(yàn)數(shù)據(jù)辨識(shí)出特征模型的參數(shù)。通過(guò)船舶形試驗(yàn)驗(yàn)證了在航海領(lǐng)域使用特征模型的可行性該精度，稍高于目前使用的Nomoto模型且保留了其簡(jiǎn)潔的形式。
【IPC分類(lèi)】G09B9/06
【公開(kāi)號(hào)】CN105513456
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201410540778
【發(fā)明人】劉鑫
【申請(qǐng)人】威海拓達(dá)高科船舶科技有限公司
【公開(kāi)日】2016年4月20日
【申請(qǐng)日】2014年10月14日