论文部分内容阅读
船舶运动模拟器可以模拟再现实体船舶在复杂海况下产生的横荡、纵荡、垂荡、横摇、纵摇、艏摇六个自由度的复合运动,目前已经被广泛应用于舰船设备仿真实验以及海员教学培训,其发展程度直接影响我国的海防建设和国民经济发展。我国关于运动模拟器的研究起步较晚,底子差,目前已经成型的产品其核心技术也不够成熟,为了进一步提升模拟器的性能质量以及节约制造成本,必须对其相关的理论和控制技术进行研究。通过对模拟器的运动学、动力学、工作空间和控制算法进行理论分析并通过仿真加以验证,为模拟器的初期设计提供理论基础。首先,对船舶运动模拟器的运动学和动力学进行理论分析,建立其运动学数学模型和动力学微分方程。通过MATLAB中的SimMechanics工具箱搭建模拟器的物理模型,并在给定运动规律下进行运动学和动力学仿真,将仿真结果与理论分析中的运动学和动力学数学模型互相验证。对于相对复杂的运动学正解问题,分别采用数值迭代算法中的牛顿法、逆Broyden秩1法、Broyden-Fletcher-Shanno(BFS)秩2法以及Broyden-Fletcher-Goldfarb-Shanno(BFGS)法进行求解,结果表明各算法在工作空间内都是收敛的,另外提出一种可以求解运动学正解全部数值解的新算法——牛顿场线法。其次,以运动学模型的正、反解理论为基础,在给定机构参数下,采用一维搜索法搜索模拟器工作空间的边界曲线并计算其工作空间总体积。通过控制变量法分析各机构参数变化时对工作空间大小的影响,从而对模拟器的机构参数进行优化配置,这是模拟器初期设计的关键问题。再次,在模拟器的三维物理模型中分别加入PID控制器和ADRC(自抗扰)控制器,在同样的给定运动规律下进行仿真对比,结果表明ADRC控制器的精度、动态性能和跟踪性能均优于PID控制器。最后,以前面的理论分析为出发点,设计船舶运动模拟器轨迹规划实时仿真平台。平台的上位机采用OPC通信技术,实现MATLAB与组态软件Fameview的实时通信,在Simulink仿真部分中加入RT计时器模块以保证仿真时间与现实时间的同步,MATLAB可以将实时计算的各伸缩杆位移量通过OPC通信传输给组态软件Fameview。如果仿真平台接入下位机投入使用,组态软件Fameview可以通过串口通信方式将实时计算的各伸缩杆位移量传输给下位机(如PLC),以PLC和伺服驱动单元来实现各驱动杆电机的实时控制。