船舶动力定位参数辨识
对船舶数学模型的各个推进器参数进行系统辨识，具有实际价值李文华,等:船舶动力定位系统数学模型参数辨识方法研究针对动力定位技术的发展,我国研究人员也进表1离散时间摘要扩展卡尔曼滤波行了积极有益的探索。文献[]用固定增益的卡尔f(k+1)=F((k),(k)+vw(k)曼滤波估计低频运动,而高频运动则用一个参数模系统模型量测|/(k)~N(O,Q(k》)x(k)=H((k)();型来模拟,并用递推增广最小二乘法来估计参数,从u(k)-N(0,Q(k)而估计出船舶的髙频运动。通过控制计算和模拟试初始情况1(0)+5np(0)=验取得了良好的效果。文献[12]提出了水面舰船动力定位控制系统模型参数的离线最速下降寻优的状态估计传递|(k+1)=F((k),()误差协方差传递辨识方法,提高了动力定位系统研制过程的工作效P(h+1)=(h)P()(k)+r(kQ(k )r(k)率。文献[13]在建立船舶三维几何模型基础上,对K()=P(k)HT(k)H()(kH()+R()]-满载船舶从浅水40m到深水500m的水动力系状态估计更新)=()1)((数进行数值计算。利用三维线性势流理论在频域误差协方差更新P)=kk)H(FLK)H()y里研究船舶在浅水中的辐射问题,应用三维源汇分K()R(k)K(k)布法对不同水深下船舶运动的水动力系数,包括附定义φ(k)=0()JH(-)加质量和阻尼系数进行数值计算与分析,得出了有(k)H(k)=0(k)限深水域的附加质量和阻尼系数的渐进特性。文献14]考虑具有修正PM波谱的长峰不规则浪,基于尾部隧道式侧推m,艏部隧道式侧推,艄部方海浪幅值响应算子(RAO研究了船舶在海浪中的六角式推进器。质量阵M可利用文献9]里介绍自由度运动预报模型。为了有效地量化海洋环境对的 Strip Theory计算得到:动力定位船舶的作用,文献[5提出了海洋环境负从/1127400018902-00744载(包括风、海浪和海流)的建模方法,并运用00.07440.1278MATLAB的M文件和SIMUⅠNK分别编制了风干为了得到需要辨识的量需重复进行3项(每项扰力和力矩计算及随机海浪的仿真程序。在三级海2次,共6次)海上试验,以此提高参数估计器的收况下,实现了对海洋环境的仿真,得到了合理的仿真敛性和表现。具体如下结果。文献[1]考虑到船舶的动态特性存在固有的第1项:解耦了的纵荡运动。船舶仅依靠主螺强非线性以及非线性控制改善系统性能和鲁棒性的旋桨山和实现恒速前进,艏向通过艏侧推控制。能力,将非线性控制理论应用到船舶动力定位控制第2项:结耦了的横荡与艏摇运动。通过三个隧道系统的设计中,对某供应船的计算机模型进行仿真,式推进器砌、4、实现两次结耦了的横荡与艏摇运验证了非线性控制系统是有效的。文献[17]提出并动。第3项:在结耦的横荡与艏摇运动中得到方位验证了基于线性核函数在线支持向量回归的模型预角式推进器u的推力系数K6测控制方案。在线支持向量回归算法的引入可以通第1项是为了计算主螺旋桨的推力系数K1和过在线调整,确保预测模型的精确性。Xa,需要的输入量是X本文中X的计算方法是利22船舶数学模型参数辨识用文献[19]里介绍的切片法。第2项是为了计算结文献[18]讨论了使用两个并行测量序列来估计耦了的横荡与艏摇运动的参数数值,可以辨识出的动力定位船舶模型参数的离线并行扩展卡尔曼滤波向量为[ YYNNK3K5]第3项是为了计算全方器算法(O- line parallel extended Kalman filter位推进器的推力系数K6( EKF) Algorithm),见表1。最后采用一项以供给船使用动量方程来代替标准动力学方程,不仅可为对象的全尺度的海上试验来验证提出的参数估计以显著提高状态和参数估计器的性能还具有以下器的收敛性和鲁棒性。优点:实验对象以挪威ABB公司的“ Far Scandia”号供(1)增加数据冗余度;给船为原型。该船总长762m,船宽18:8m,型深(2)降低量测噪声;825m,吃水625m,净吨位4200t,主发动机功率(3)降低环境干扰;3533kW。推进器配置左右舷两个主推进器u1、l2,(4)增加数据记录长度第23卷第3期(总第135期)船羔vd.23N.3012年6月shiP boatJune, 2012(5)以对参数分批进行辨识等手段提高参数辨风。将风速分量定义为识的精确度。L=v,cos(ψ图2显示了实验辨识得到的A和。其中A包(5)W V sin(B-0)含的待求未知量[XyYM而R包含的待求末式中和v分别为风速在X轴和Y轴的分量;v知量是[kk2k3k4k5k6]。和月分别表示风速和风向。如图1所示。假设风速远大于船速,风在纵荡、横荡和艏摇方向的负荷向量可表述为As elements.pAcM(o)V, IV0.5p.A_C-(r )V,V6)0.SpA,Lo C(rm)VV.式中,风的相对角为y=ψp为空气密度,单位e号为kgm3;Lm为船舶总长,单位为m;V为相对风速,103K elements单位为kn;A-和A为正投影面积和侧投影面积,2015单位均为m2;C(y)Cn(y)和C(4)分别为纵荡横荡和艄摇方向的无因次风系数,是通过 Isherwood半经验公式得到的。00003,波浪扰动数学模型波浪干扰力一般分为两种:一种是一阶波浪干图2实验辨识得到的参数曲线扰力,也称高频波浪干扰力。这是在假设波浪为微幅波,未引起船舶大幅摇荡的情况下,认为船舶受到经实验辨识出的动量方程中的量:与波高成线性关系并且与波浪同频率的波浪力。另0.03180种是二阶波浪力,也称波浪漂移力该波浪力与波A000602006l8高平方成比例。0.0075_0.2454这种具有高频率小振幅振荡特性的波浪所产生K=103ding([93,93,20,2.0,28,26]的一阶波浪干扰力最主要是引发船舶的纵摇和垂荡经过计算公式D-M得到运动,对横摇的影响稍次之,而对横荡及艄摇运动的002820影响相对来说就小一些。至于具有慢时变特性的二00.0130475900.081419676阶波浪干扰力,本身同时又是非线性的,它仍然和波写成动力定位模式下的状态空间表达式为:浪的频率有关。波浪的二阶漂移力不但会改变船舶元=AU+Bx(4)疔的航向和航迹,尤其对于在锚泊状态下船舶位置的移动及钻井平台的动力定位系统的工作等均有式中A=MA4M,并且B=MTK。其数值表达式为:重要影响00318000.062800030下面介绍一种估算二阶波浪漂移力方法。19740.0046-0.2428年, Newman提出一种应用频域波浪漂移力系数的0008200082000估算方法。通过把波谱(通常选用PM谱)分为N0∞505-069000108等份,每份有相对应的波浪频率m和波幅A。这样波浪漂移力对横荡、纵荡、艏摇运动的作用力计算公3环境扰动数学模型式为131风扰动数学模型A,(T(W,B=-y)1(W+)风的作用可分为平缓变化的风和快速变化的李文华,等:船舶动力定位系统数学模型参数辨识方法研究[5] Fossen T L. Handbook of Marine Craft Hydrodynamics and式中,T()x0是频域波浪偏移力公式fB是平均Motion Control[M]. Wiley Sons Ltd, 2011: 81-83.波浪方向:是随机的相角。[6] Balchen J G, Jenssen N A, Saelid S Dynamic Positioning可以通过对本估算式进行改变,以避免在数值Using Kalman Filtering and Optimal Control Theory[C]/上产生无物理意义的高频分量。还可对本式进行扩Proceedings of IFAC/IFIP Symposium on Automation in展,用来包括波浪蔓延( wave spreading)。Offshore Oil Field Operation Norway 1976: 183-18633海流扰动数学模型[7]Balchen J G, Jenssen N A Mathisen E, et al. Dynamic作用在海上动力定位船舶上的海流具有方向和Positioning System Based on Kalman Filtering and OptimalControl[J]Modeling, Identification and ControL 1980, 1(3)速度的特征,研究中一般不考虑在大地坐标系下铅135-163垂方向运动。海流分为恒定流和潮汐流。恒定流一般[8] Strand JP, Fossen t inonlinear Passive Observer Design为固定方向和速度的海流,如洋流。潮汐流指海洋for Ships with Adaptive Wave Filtering, In: New Directions因为潮汐运动而引起的海水流动,其典型的表现为in Nonlinear Observer Design(Nijmeijer H, Fossen T L)海流方向的缓慢变化。但对于动力定位来说,海流[M].London: Springer-Verlag London Ld, 1999: 113-134的大小与方向可以认为是确定的,所以海流的模型[9] Guttorm t, Jerome J, Fosset I. Nonlinear Dynamic可以统一按照大小和方向恒定来确立。流的速度分Positioning of Ships with Gain-Scheduled Wave Filtering量表示为5:[C]//The Proceedings of 43rd IEEE Conference orL=V2cos(ψ)Decision and Control, Atlantis, Paradise Island, BahamasDecemher2004:5340-5347ve=y sin(8-n)式中:和v分别为流速在X轴和y轴的分量;V10 i Do K d. Global Robust and Adaptive Output FeedbackDynamic Positioning of Surface Ships[C]/The Proceedings和月分别代表流速和流向。如图1所示。of 2007 IEEE Internati在此没有考虑第摇方向的流速,而海流对水面Automation. Roma, April 2007: 10-14船舶的作用可以通过将各海流速度分量引人到船的1]王晓声船舶动力定位系统设计及试验研究门J国造运动方程中由相对速度向量v=[u-,-a,r丁体现。船,1991(3):12-21[12]边信黔,严渐平,施小成船舶动力定位系统参数辨识4结论方法的研究[J]船舶工程,19994):36-38[13]姜哲,石珦,王磊动力定位船舶水动力参数数值试验本文讨论了船舶及推进器动力学数学模型与船研究[门]实验室研究与搡索,2005(12):14-17.舶外界环境干扰因素数学模型的建模策略。通过对14]李文魁张博田蔚风等.一种波浪中的船舶动力定位已有研究方法的分析研究与总结,有助于建立适用运动建模方法研究[]仪器仪表学报,2007(6):1051于各种海况和操作模式的船舶动力定位系统非线性数学模型。[15]施小成王元慧船舶动力定位海洋环境的建模与仿真J,计算机仿真,2006(11):237-239[16]刘芙蓉陈辉基于非线性控制理论的船舶动力定位控[参考文献制系统的数学模型[〕船海工程,209(5):92-95[1]杜佳璐,张显库汪思源,等船舶动力定位系统的自适[17]邓志良,胡寿松,张军峰船舶动力定位系统的在线模应非线性控制器设计[ C]/proceedings of the2 g chinese型预测控制[门中国造船,2009(6):879Control Conference. Beijing, 2010: 585-589.[2]周利,王磊,陈恒动力定位控制系统研究[船海[18] Fossen T I.Identification of Dynamically Positioned Shipe[].Control Engineering Practice, Volume 4, Issue 3, March程,008,37(2)86-911996:369-376[3]马超庄亚锋陈俊英船舶动力定位系统技术[J中国[19] FaltinsenO M Sea Loads on Ships and Oishore Structures造船,2009,50(增刊):52-57[4]贾欣乐,杨盐生船舶运动数学模型机理建模与数学建[M].Cambridge University Press, 1990:41-45模[M]大连大连海事大学出版社,199:294-356船舶动力定位系统数学模型参数辨识方法研究旧WANFANG DATA文献链接作者:李文华,杜佳璐,张银东,宋健,孙玉清,陈海泉, LI Wen-hua, DU Jia-luZHANG Yin-dong, SONG Jian, SUN Yu-ging, CHEN Hai-quan作者单位李文华,张银东,宋健,孙玉清,陈海泉, LI Wen-hua, ZHANG Yin-dong, SONG Jian, suN Yu-qing, chen Hai-quan(大连海事大学轮机工程学院大连116026),杜佳璐, DU Jia-lu(大连海事大学信息科学技术学院大连116026)刊名:船舶英文刊名:Ship boat年,卷(期):2012,23(3)参考文献(19条1. Balchen J G; Jenssen N A; Mathisen E Dynamic Positioning System Based on Kalmon Filtering andOptimal Control 1980(03)2. Balchen J G; Jenssen N A; Saelid S Dynamic Positioning Using Kalman Filtering and Optimal ControlTheory 19763. Fossen T I Handbook of Marine Craft Hydrodynamics and Motion Control 20114贾欣乐;杨盐生船舶运动数学模型机理建模与数学建模19995.马超;庄亚锋;陈俊英船舶动力定位系统技术2009(增刊)6.周利;王磊;陈恒动力定位控制系统研究[期刊论文]船海工程2008(02)7. Faltinsen 0 M Sea Loads on Ships and Offshore Structures 19908. Fossen t I Identification of Dynamically Positioned Ships 19969.邓志良;胡寿松;张军峰船舶动力定位系统的在线模型预测控制2009(06)10.刘芙蓉;陈辉基于非线性控制理论的船舶动力定位控制系统的数学模型[期刊论文]船海工程2009(05)11.施小成;王元慧船舶动力定位海洋环境的建模与仿真[期刊论文]计算机仿真2006(11)12.李文魁;张博;田蔚风一种波浪中的船舶动力定位运动建模方法硏究[期刊论文]仪器仪表学报2007(06)13.姜哲;石珣;王磊动力定位船舶水动力参数数值试验硏究[期刊论文]实验室硏究与探索2005(12)14.边信黔;严浙平;施小成船舶动力定位系统参数辨识方法的硏究[期刊论文]船舶工程1999(01)15.王晓声船舶动力定位系统设计及试验研究1991(03)Do K d Global robust and Adaptive Output Feedback Dynamic Positioning of Surface Ships 200717. Guttorm T; Jer(o)me J; Fossen T I Nonlinear Dynamic Positioning of Ships with Gain-Scheduled WaveFiltering 200418. Strand J P; Fossen T I Nonlinear Passive Observer Design for Ships with Adaptive Wave Filtering19.杜佳璐;张显库;汪思源船舶动力定位系统的自适应非线性控制器设计2010本文链接http://d.g.wanfangdata.comcn/periodiCalcb201203011.aspx
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遗传算法和遗传规划
关于遗传算法的详尽介绍，对于遗传算法中各个模块的参数进行解析，窥视遗传算法的核心部分，对于遗传算法模式定理的深入解析，及由模式定理产生的启迪思想，能够让你更好的理解遗传算法！遗传算法和遗传规划种搜索寻优技术云庆夏黄光球王战权编著冶金工业出版社1597内容筒介遗传算法和遗传规划是一种新兴的搜索优技术。它们仿效生物的进化与遗传,根据“优胜劣汰”原则,使所要解决的问题从初始解一步步地近最优解。本书全面介绍了传算法和遗传规划的基本知识、基本理论和基本技术。全书共分五章,即绪论,遗传算法、遗传规划、遗传算法的应用、邀传就划的应用。本书的特点是深入浅出,可适应不同层欢读者的受求符别适合于工程技术人员、科研人员阅读,也可作为大专院校的教材或参考书图书在版编目(CIP)数据遗传算法和遗传规划/云庆夏等编著.北京:冶金工业出版社,1997,4ISBN7-5024-1983-7I.遗…I.最优搜索Ⅳ.0229中国版本图书馆CP数据核字(97)第07684号日版人卿启云(北京沙摊黄祝院北巷39号,邮编L0009资任编辑田锋赍任校对杨力北京昌平长城印刷「印刷;冶金工业出版社发行;各地新华书经销1997年4月第1版,1997年4月第1收印刷850mm×1168mm1/32;5.25印张;139千字;160页;1-1250册5元前遗传算法( Genetic Algorithm)和遗传规划( Genetic Prograrmming)是一种新兴的搜索寻优技术。它们仿效生物的进化与遗传,根据“生存竞争”和“忧胜劣汰”的原则,借助复制、交换、突变等操作,使所要解决的问题从初始解一步步地逼近最优解。因此,这两种方法又被称为进化计算遗传算法是以单一字符串的形式描述所研究的问题,遗传规划则是用计算机程序的层次格式反映题。前者简单易行,后者适用于各种复杂的间题。遗传规划常常被译作“遗传程序设计它很容易被误解为关于遗传算法的计算机编程技术,因此本书称之为遗传规划无论是遗传算法或遗传规划,在国外已得到广泛应用,它们特别适合解决其它科学技术无法解决或难以解决的复杂间题,如结构优化、非线性优化、机器学习等,是继专家系统、人工神经网络之后又一受人青睐的新学科。我国在这方面的研究和应用方兴未艾,由于缺乏有关这一学科的普及读物,严重影响它们在我国的推和发展。为此,作者根据自己近年来的研究及国内外有关论著编写本书,其目的在于向各专业本科生、研究生及广大工程技术人员全面介绍遗传算法和遗传规划的基本知识、基本理论和基本技术,使这一学科在我国得到莲勃的发展书共分5章:第1章是全书的概述。本章通过两个示例揭示遗传算法和遗传规划的特征。第2章全面介绍遗传算法的基本原理。它包括方法步骤、计算机理及各种算子,其中模式理论是遗传算法的理论基础第3章全面介绍遗传规划的基本原理及各种算子,其中有些法可推广用于遗传算法中。第4章是关于遗传算法的应用情况,限于篇幅这里只介绍四个方面的应用。第5章通过四个领域中的应用,介绍遗传规划的应用情况。本书由西安建筑科技大学云庆夏、黄光球、王战权编著,毋建宏参加本书的校对工作。限于作者水平,书中缺点和错误在所难免,恳请读者批评指作者996.10目录绪论會■早■司鲁郾■曾鲁■血會白■■■申■■■白·會中■會自『會自申■■早中“■鲁曾會『■會罩1■■血『■■■■口1.1生物的进化与遗传曾曾忄·■中中中■1q自『鲁·曾『曾中■中早看产q會會■卓會2遗传算法示例1.3遗传算法秆遗传规划的特征山·■山4哂自西101.4历史回顏与展望…162遗传算法………2.1遗传算法的实施■昏■鲁■212.2模式理论………………,…………322.3遗传算法的算子503遗传规划P山口血詈■■q血■■"口■画甲■■■t■■由口b■晋■口■■白d督甘晋鲁血甲583.1概述如卓●刂昏卓昌甲甲卓●口●昏甲即4甲罍歌●ψ··ψ斷●■■司P●■歌白■島看583.2遗传规划基本原理舂ψ·咖■●自●↓··●■■■仙●■■晕司■·■讠;●■卧看■683.3辅助算子……………………………………………803,4控制参数……853.5模式理论…864遗传算法的应用■894.1概述………………894.2遗传算法在结构优化中应用……se3遗传算法在非线性优化中的应用9644遗传算法在输电系统规划中的应用………………101基于漶传算法的机器学习系统■■口■中白■■■ψ··卩自■195传规划的应用4●■■中自■●中■鲁晋■甲卓晋●画昏斷卩■■顰斷『甚日■口斷1231遗传规划在符号回归中的应用5.2最优控制……………………………………13853人工蚂蚁问题……14754布尔复合算子………………………………………153参文献■司■■司■■■■●『■·冒………4160I1绪论11生物的进化与传遗传算法和遗传规划是受生物进化学说和遗传学说的启发而发展起来的。因此,有必要首先简单回顾生物学的有关内容,以便深入了解遗传算法和遗传规划的本来面貌。不过,读者也可以跳过本节直接阅读下一节1】.1生物的进化地球上的生物,都是经过长期进化而形成的。解释生物进化的学说,主要是达尔文的自然选择学说。该学说的主要内容为:(1)不断繁殖。地球上的生物具有很强的繁殖能力,能产生许多后代。(2)生存竞争。生物的不断繁殖使后代的数目大量增加,而在自然界中生物赖以生存的资源是有限的。因此,为了生存,生物就需要竞争3)适者生存。生物在生存竞争中,根据对环境的适应能力,适者生存,不适者消亡,这是自然选择的结果。4〉遗传和变异。生暂在繁殖过程中,通过遗传,使物种保持相似。与此同时,由于变异,物种会产生差剜,甚至形成新物遗传算法和遗传规划,就是借用生物进化的规律,通过繁殖、遗传、变异、竞争,实现优胜劣汰,一步一步地逼近问题的最优解。因此,它们又被称为进化计算( Evolutionary Computation)。1.z细胞、染色体与DNA1.i.2.1细胞细胞是生物结构和功能的基本单位。细胞通常由细胞膜、细胞质与细胞核三部分组成。细胞膜是细胞最外面的一层薄膜,它把细胞内的物质与外界分隔,起到保护细胞的作用。细胞质是介于细胞膜和细胞核之间的原生质,是透明的胶状物。细胞核是细跑的最内层,是遗传物质贮存和复制的场所。细胞核由核膜、染色质、核液组成11.2.2染色体细胞核中的染色质是一些容易被碱性染料染成深色的物质。逍常,染色质为细长的丝,交织成网状。在细胞分裂期,细胞核内长丝状的染色质高度螺旋化,缩短变粗,形成光学显微镋可以看见的染色体。因此,染色体是染色质在细胞分裂时的一种待殊表现。1.1.2.3DNA染色体主要由蛋白质和DNA组成。DNA又称脱氧核糖核酸,是灬种高分子化合物。组成它的基本单位是脱氧核苷酸,后者又由磷酸、脱氧核糖和含氮碱基三者组成。DNA含四种含氮碱基,即:腺嘌呤(A)、鸟嘌呤〔G)、胞嘧啶(C〉和胸腺嘧啶T)。DNA的结构是有规则的双螺旋结构,由两条平行的脱氧核苷酸长链盘旋而成,两条链上的碱基通过氢链连结起来,形成碱基对。碱基对只有两种配对方式:A与T配对,C与G配对1.13生物的遗传与变异1.1.3.1传物质生物上下代之间传递遗传信息的物质,称作遗传物质。绝大多数生物的遗传物质是1NA。由于细胞里的DNA大部分在染色体上,因此,遗传物质的主要载体是染色体。生物所以具有遗传现象,是与遗传物质DNA分子的复制有关系的,DNA分子的复制过程始图1-1所示。首先,DNA的两股双螺旋链分离开。然后,以解开的毎股链(母链)为模板,按照碱基互补配对原则,合成出与母链互补的子链。新生成的子链不浙延伸,与相应的母链互相盘绕组成螺旋结构,形成一个新的DNA分子。这样,一个DNA分子就形成两个DNA分子,每条链的碱基序列都和祖体相同,使亲代的遗传信息传递给子代0[j[G】R◇c3OK CH干篮链图1-1DNA分子复制l一解旋:2—碱基配对;3—形成新DNA分子◇一脱氬核糖;一磷酸11.3.2基因基因是控制生物遗传的物质单元,它是有遗传效应的DNA片段。每个基因含有成百上干个脱氧核苷酸。它们在染色体上呈线性排列,这种排列顺序就代表遗传信息
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