CN103592853A - 一种动力定位半实物仿真平台及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及动力定位半实物仿真平台及方法。本发明属于动力定位技术领域。动力定位半实物仿真平台，控制计算机、仿真工作站、可视化工作站由网络交换机通过以太网连接成一个局域网；控制台装有控制计算机，通过操作面板进行指令控制；可视化工作站通过视频线连接显示仿真信息的投影机构。动力定位半实物仿真方法：（1）控制计算机设置控制指令；（2）仿真工作站设定海况信息；（3）控制软件给出推进器的控制指令；（4）船舶模块运动，把船舶状态信息送给传感器模块；（5）传感器模块送给控制软件，处理后送可视化工作站；（6）可视化工作站结算，投影仿真。本发明具有调试方便，仿真效果好，能大幅度降低模型试验和实船海试成本等优点。

Description

一种动力定位半实物仿真平台及方法

技术领域

本发明属于动力定位技术领域，特别是涉及一种动力定位半实物仿真平台及方法。

背景技术

目前，对于大型起重铺管船、布缆船、挖泥船和三用工作船等海洋工程船以及海洋平台，动力定位系统已成为实现精确定位必不可少的支持系统，该系统通过方位参考体系和传感器能不间断地检测出船舶或平台的实际位置与目标位置之间的偏差，再根据外界的风、浪、流等扰动力的影响，计算出使船舶或平台恢复到目标位置所需推力的方位和大小，并对船舶或平台上各推进器进行推力分配，使各推进器产生相应的推力，从而使船舶或平台能在海平面上保持所要求的作业点。

近年来，随着控制技术、信息技术和电力电子技术的快速发展，动力定位系统作为海洋工程船舶的高技术关键装备。如何对所设计的动力定位系统的软、硬件进行有效的验证是动力定位系统设计的主要问题，构建和实船一样的仿真系统对于降低实船调试成本和风险，提高模型试验和实船海试效率，缩短系统设计周期，具有积极的作用。

公开号为CN102323757B的专利文件中公开了一种DP-3级动力定位的半实物仿真系统，该系统主要描述的是DP-3级动力定位控制系统的体系结构和3台控制计算机的决策过程，但没有涉及半实物仿真的具体仿真原理及方法。

公开号为CN10311701A的专利文件中公开了一种动力定位仿真实验平台，能够对六自由度运动的船舶进行仿真试验，但是水平转台行程有限，无法对动力定位的轨迹跟踪进行仿真，且没有考虑对风、浪、流环境因素，存在无法对实际海况下的动力定位进行有效的仿真等技术问题。

发明内容

本发明为解决公知技术中存在的技术问题而提供一种动力定位半实物仿真平台及方法。

本发明为大型起重铺管船、布缆船、挖泥船和三用工作船等海洋工程船/平台的动力定位系统的半实物仿真试验，能够模拟船舶运动的动力定位半实物仿真试验平台。

本发明的目的之一是提供一种具有结构简单，操作灵活，调试方便，性能稳定，仿真效果好等特点的动力定位半实物仿真平台。

本发明动力定位半实物仿真平台所采取的技术方案是：

一种动力定位半实物仿真平台，其特点是：仿真平台包括控制台、控制计算机、操作面板、网络交换机、仿真工作站、三维可视化工作站和投影机构；控制计算机、仿真工作站、三维可视化工作站由网络交换机通过以太网连接成一个局域网；控制台装有控制计算机，通过操作面板进行指令控制；三维可视化工作站通过视频线连接显示仿真信息的投影机构。

本发明动力定位半实物仿真平台还可以采用如下技术方案：

所述的动力定位半实物仿真平台，其特点是：仿真工作站中装有仿真模块，仿真模块由海洋环境模块、传感器模块和船舶模块组成。

所述的动力定位半实物仿真平台，其特点是：投影机构由投影仪和投影幕布构成，投影仪将三维可视化仿真信息投影在投影幕布上。

所述的动力定位半实物仿真平台，其特点是：控制计算机输出端口连接显示器，通过动力定位系统控制软件在显示器上显示人机界面。

所述的动力定位半实物仿真平台，其特点是：仿真平台包括辅助控制台、辅助控制计算机和辅助操作面板，辅助控制台装有辅助控制计算机，通过辅助操作面板进行指令控制；辅助控制计算机连接网络交换机并入局域网。

本发明的目的之二是提供一种具有操作灵活，调试方便，性能稳定，仿真效果好，大幅度降低模型试验和实船海试成本等特点的动力定位半实物仿真方法。

本发明动力定位半实物仿真方法所采取的技术方案是：

一种动力定位半实物仿真方法，其特点是：仿真过程包括，

（1）控制台中设置的控制计算机作为控制计算机，通过操作面板设置控制指令；控制指令送给动力定位控制软件；

（2）仿真工作站设定所要求的海况信息，传感器模块根据设定值将当前海况信息送给船舶模块，并把海况信息发送给动力定位系统控制软件；

（3）动力定位控制软件读取海况信息和控制指令后进行运算，根据功率管理系统的功率设定值给出各个推进器的控制指令，作用于船舶模块；

（4）船舶模块根据当前船舶所受到的合力/力矩进行运动，并把当前船舶状态信息送给传感器模块；

（5）传感器模块当前船舶状态信息送给动力定位控制软件，动力定位控制软件处理后将船舶状态信息送三维可视化工作站；

（6）三维可视化工作站根据船舶状态信息和海况信息进行结算，通过投影机构进行投影仿真。

本发明动力定位半实物仿真方法还可以采用如下技术方案：

所述的动力定位半实物仿真方法，其特点是：传感器模块把海况信息经仿真软件模拟成NEMA0183格式发送给动力定位系统控制软件。

所述的动力定位半实物仿真方法，其特点是：操作面板设置控制指令通过人机界面送给动力定位控制软件。

所述的动力定位半实物仿真方法，其特点是：动力定位控制软件处理后的船舶状态信息送动力定位人机界面显示。

本发明具有的优点和积极效果是：

动力定位半实物仿真平台及方法由于采用了本发明全新的技术方案，与现有技术相比，本发明可以用于动力定位系统的仿真试验，半实物仿真平台对实际系统中的各个影响因素进行建模模拟，为动力定位系统的系统方案、控制策略、控制逻辑、控位能力提供了试验平台，降低了模型试验和实船调试成本，缩短了系统开发周期。

附图说明

图1是本发明动力定位半实物仿真平台的组成结构示意图；

图2为本发明的动力定位半实物仿真方法的数据信息流结构示意图。

图中，1、控制台，2、控制台，3、控制计算机，4、控制计算机，5、操作面板，6、操作面板，7、显示器，8、显示器，9、打印机，10、网络交换机，11、仿真工作站，12、三维可视化工作站，13、投影仪，14、投影幕布，15、仿真模块，16、海洋环境模块，17、传感器模块，18、船舶模块，19、动力定位系统控制软件，20、人机界面。

具体实施方式

为能进一步了解本发明的发明内容、特点及功效，兹例举以下实施例，并配合附图详细说明如下：

参阅附图1和图2。

实施例1

一种动力定位半实物仿真平台，主要包括控制台1、控制计算机3、操作面板5、显示器7、控制台2、控制计算机4、操作面板6、显示器8、打印机9、网络交换机10、仿真工作站11、三维可视化工作站12、投影仪13和投影幕布14。控制计算机3、控制计算机4、仿真工作站11、三维可视化工作站12、打印机9、网络交换机10通过以太网连接成一个局域网，控制计算机3、操作面板5、显示器7安装在控制台1上，控制计算机4、操作面板6、显示器8安装在控制台2上，投影仪13与三维可视化工作站12通过视频线连接，投影仪13投影到投影幕布14上；控制台1和控制台2完全相同，控制计算机3和控制计算机4的硬件和安装的软件完全相同。

仿真工作站11中装有仿真模块15，仿真模块15由海洋环境模块16、传感器模块17、船舶模块18组成，控制计算机3中装有动力定位系统控制软件19和人机界面20。

实施例2

一种动力定位半实物仿真方法，包括以下仿真过程：

（1）在两个控制台中指定控制台1为主控制台，控制台1中的控制计算机3为当前控制计算机；

（2）在仿真工作站中设定好所要求的海况后，传感器模块根据设定值将当前海况信息送给船舶模块18并把海况信息经仿真软件模拟成NEMA0183格式发送给动力定位系统控制软件；通过操作面板5设置控制指令，控制指令通过人机界面20送给动力定位控制软件19；

（3）动力定位控制软件19读取海况信息和控制指令后进行运算，根据功率管理系统的功率设定值给出各个推进器的控制指令，作用于船舶模块18；

（4）船舶模块18根据当前船舶所受到的合力/力矩进行运动，并把当前船舶状态信息送给传感器模块17；

（5）传感器模块17把当前船舶状态信息送给动力定位控制软件19，动力定位控制软件19处理后将船舶状态信息送动力定位人机界面显20示和三维可视化工作站12。

（6）三维可视化工作站12根据得到船舶状态信息和海况信息进行结算，通过投影仪13投影到幕布14上，完成一次闭环的动力定位仿真试验。

本实施例的具体结构及其动作过程：

海洋环境模块16由风模型、流模型和波浪模型组成。风模型模拟风速和风向，流模型模拟流速和流向，波浪模型模拟有义波高和波向。操作者根据实际需要设定好风、浪、流的大小和方向后，海洋环境模块16把海况信息送给传感器模块17和船舶模块18。

传感器模块17由环境传感器、推进器传感器、位置传感器、姿态传感器和外负载传感器模型组成。环境传感器把从海洋环境模块中得到的风、浪、流信息转换成NEMA0183格式发送给动力定位控制软件；推进器传感器从船舶模块中得到推进器当前的螺距、转速、舵角、方位角等信息然后转换成NEMA0183格式发送给动力定位控制软件19；位置传感器模型从船舶模块得到当前位置信息然后转换成NEMA0183格式发送给动力定位控制软件19；姿态传感器模型从船舶模块得到当前姿态信息然后转换成NEMA0183格式发送给动力定位控制软件19；外负载传感器模型从船舶模块得到当前船舶外加负载信息然后转换成NEMA0183格式发送给动力定位控制软件19。

船舶模块由环境力和力矩、外力和力矩、推力和力矩、功率管理与分配、船舶水动力模型组成。环境力和力矩模型从海洋环境模块得到设定的风、浪、流信号计算船舶总的环境力和力矩；外力和力矩模型从船舶状态计算出船舶外负载的力和力矩；功率管理与分配模型根据动力定位控制软件的功率设定值模拟全船的剩余功率；推力和力矩模型根据动力定位控制软件送过来的推进器指令、功率管理与分配模型给出的功率设定值计算出全船推进器发出的推力和力矩；船舶模型根据当前受到的环境力和力矩、外力和力矩、推力和力矩模拟出船舶的运动，并把船舶的位置、艏向、速度及推进器状态信息发送给传感器模块。

动力定位人机界面20由人机界面和操作命令处理组成。操作员设置的位置、艏向、速度等指令经操作命令处理单元处理后形成的控制指令发送给动力定位控制软件19，动力定位控制软件19进行结算后对船舶进行操纵；人机界面根据从动力定位控制软件得到的船舶状态信息进行处理，展示给操作员。

动力定位控制软件19和实船控制软件一样，由状态估计单元、环境负载单元、控制器单元、推力分配单元、功率管理单元、推进器控制单元组成。传感器模块送过来的测量值经状态估计单元处理后，得到系统的低频运动信息送给控制器；环境负载单元把传感器模块送过来的环境、外负载信息处理后，把船舶受到的环境力和力矩、外负载力和力矩送给控制器单元；控制器单元根据动力定位人机界面送过来的控制指令和当前船舶的状态信息，计算出船舶达到设定目标位置和艏向的力和力矩，送给推力分配单元；功率管理单元根据操作员的功率设定把当前可用功率送给推力分配单元；推力分配单元根据功率管理单元和控制器单元得到的信息计算出各个推进器的控制指令；推进器控制单元根据推力分配单元的控制指令得到当前推进器控制指令，发送给船舶模块。

本实施例具有所述的结构简单，操作灵活，调试方便，性能稳定，仿真效果好，能大幅度降低模型试验和实船海试成本等积极效果。

Claims (3)

1.一种动力定位半实物仿真平台，其特征是：仿真平台包括控制台(1)、控制计算机(3)、操作面板(5)、网络交换机(10)、仿真工作站(11)、三维可视化工作站(12)和投影机构；控制计算机（3）、仿真工作站（11）、三维可视化工作站（12）由网络交换机（10）通过以太网连接成一个局域网；控制台(1)装有控制计算机(3)，通过操作面板(5)进行指令控制；三维可视化工作站（12）通过视频线连接显示仿真信息的投影机构。

2.根据权利要求1所述的动力定位半实物仿真平台，其特征是：仿真工作站（11）中装有仿真模块（15），仿真模块（15）由海洋环境模块（16）、传感器模块（17）和船舶模块（18）组成。

3.一种动力定位半实物仿真方法，其特征是：仿真过程包括，

（1）控制台（1）中设置的控制计算机（3）作为控制计算机，通过操作面板（5）设置控制指令；控制指令送给动力定位控制软件（19）；

（2）仿真工作站（11）设定所要求的海况信息，传感器模块根据设定值将当前海况信息送给船舶模块（18），并把海况信息发送给动力定位系统控制软件（19）；

（3）动力定位控制软件（19）读取海况信息和控制指令后进行运算，根据功率管理系统的功率设定值给出各个推进器的控制指令，作用于船舶模块（18）；

（4）船舶模块（18）根据当前船舶所受到的合力/力矩进行运动，并把当前船舶状态信息送给传感器模块（17）；

（5）传感器模块（17）把当前船舶状态信息送给动力定位控制软件（19），动力定位控制软件（19）处理后将船舶状态信息送三维可视化工作站（12）；

（6）三维可视化工作站（12）根据船舶状态信息和海况信息进行结算，通过投影机构进行投影仿真。

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