Размещено на http://www.allbest.ru/

Оглавление

• Цель работы и исходные данные
• 1. Математическая модель движения кораблей
• 2. Программная модель движения кораблей в среде Matlab
• 3. Графический интерфейс программы (GUI)
• 4. Результаты исследования программной модели

Выводы



Цель работы и исходные данные

Цель курсовой работы: разработка математической модели движения кораблей, написание программной модели и исследование с ее помощью динамических свойств моделируемых объектов на ПК.

Исходные данные

Основные ТТД надводных кораблей

Исходные данные и ограничения, наложенные на систему, представлены в таблице 1.

движение корабль программный

Таблица 1

Основные ТТД надводного корабля
№ варианта	Тип корабля	W, т	N, л.с.	V, узлы/Vк,V1max,V2max, узлы
4	Легкий крейсер "Красный кавказ	9030	5500	29
Основные ТТД катера
4	Катер "Тритон"	2.3	150	29
Основные ТТД корабля на подводных крыльях
4	-КПК	9.4	400	11	13	32

Необходимо учесть:

1 узел = 1 миля/час = 1852 м / 3600 с = 0.51 м/с

1 л.с. = 735.5 Вт; 1 Вт = 1 Нм/с

Ограничения разрабатываемой модели:

1. Предполагается, что корабль движется на постоянном курсе.

2. Не учитывается волнение моря, гидродинамические особенности корпуса, переменное воздействие ветра и т.п.



1. Математическая модель движения кораблей

Математическая модель движения надводного водоизмещающего корабля:

где x_i+1 - значение координаты на следующем шаге; x_i - значение координаты на текущем шаге; Дx_i - приращение координаты на прошлом шаге; P_i - относительное значение силы тяги в процентах от максимальной; F_max - максимальное значение силы тяги; Дt - шаг приращения времени; A - коэффициент пропорциональности; Дx_i+1 - приращение координаты на текущем шаге; V²_max - максимальное значение скорости корабля.

Математическая модель движения надводного корабля "Красный Кавказ"

1. Шаг приращения времени (принимается) Дt = 1 с.

2. Относительное (в процентах от максимальной) допустимое изменение силы тяги за время Дt = 1 с:

F_max = N_max / V_max=(55000*735.5)/(29*0.51)=2735100 H

ДF_max =0.1F_max (т.к. корабль имеет водоизмещение более 10000т)

ДP_i Дt(ДF_max/F_max) 100 50%.

3. Коэффициент пропорциональности силы сопротивления движению:



=12504

4. Координата пройденного расстояния:

x_i+1 = x_i + (x_i-x_i-1) + (P_i 27351001²/100 - 12504(x_i - x_i-1) x_i - x_i-1) /9030000.

5. Величина текущей скорости:

V_i+1 =--Дx_i+1 / Дt = (x_i+1 -x_i) / 1

Математическая модель движения катера "Тритон"

1. Шаг приращения времени (принимается) Дt = 1 с.

2. Относительное (в процентах от максимальной) допустимое изменение силы тяги за время Дt = 1 с:

F_max = N_max / V_max=(150*735.5)/(29*0.51)=7459 Н

ДF_max =0,2F_max (т.к. корабль имеет водоизмещение менее 10000т)

ДP_i Дt(ДF_max/F_max) 100 10%.

3. Коэффициент пропорциональности силы сопротивления движению:

=34.1

4. Координата пройденного расстояния:

x_i+1 = x_i + (x_i-x_i-1)+(P_i 74591/100-34.1(x_i - x_i-1) x_i - x_i-1) /2300.



5. Величина текущей скорости:

V_i+1 =--Дx_i+1 / Дt = (x_i+1 -x_i) / 1

Математическая модель движения корабля на подводных крыльях

где x_i+1 - значение координаты на следующем шаге; x_i - значение координаты на текущем шаге; Дx_i - приращение координаты на прошлом шаге; P_i - относительное значение силы тяги в процентах от максимальной; F_max - максимальное значение силы тяги; Дt - шаг приращения времени; A - коэффициент пропорциональности; Дx_i+1 - приращение координаты на текущем шаге; V²_1max - максимальное значение скорости корабля при водоизмещающем режиме; V²_2max - максимальное значение скорости корабля при режиме глиссирования и движения на крыльях.

Математическая модель движения корабля на подводных крыльях

1. Шаг приращения времени (принимается) Дt = 0.2с.

2. Относительное (в процентах от максимальной) допустимое изменение силы тяги за время Дt = 0.2с:

F_max = N_max / V_max=(150*735,5)/(32*0,51)=18027 H

ДF_max =0,2F_max (т.к. корабль имеет водоизмещение менее 10000т)

ДP_i Дt(ДF_max/F_max)100 4%.

3. Коэффициент пропорциональности силы сопротивления движению:

-при V<V_к:

-при VV_к: .

4. Координата пройденного расстояния:

При V<V_к:

x_i+1 = x_i + (x_i - x_i-1) + (P_i18027 - 410(x_i - x_i-1) x_i - x_i-1) /9400.

При VV_к:

x_i+1 = x_i + (x_i - x_i-1) + (P_i18027 - 68(x_i - x_i-1) x_i - x_i-1) /9400.

5. Величина текущей скорости:

V_i+1 = Дx_i+1 / Д t = (x_i+1 -x_i) / 1.

2. Программная модель движения кораблей в среде Matlab

function varargout = Kurs_gui(varargin)

% KURS_GUI M-file for Kurs_gui.fig

% KURS_GUI, by itself, creates a new KURS_GUI or raises the existing

% singleton*.

%

% H = KURS_GUI returns the handle to a new KURS_GUI or the handle to

% the existing singleton*.

%

% KURS_GUI('CALLBACK',hObject,eventData,handles,...) calls the local

% function named CALLBACK in KURS_GUI.M with the given input arguments.

%

% KURS_GUI('Property','Value',...) creates a new KURS_GUI or raises the

% existing singleton*. Starting from the left, property value pairs are

% applied to the GUI before Kurs_gui_OpeningFunction gets called. An

% unrecognized property name or invalid value makes property application

% stop. All inputs are passed to Kurs_gui_OpeningFcn via varargin.

%

% *See GUI Options on GUIDE's Tools menu. Choose "GUI allows only one

% instance to run (singleton)".

%

% See also: GUIDE, GUIDATA, GUIHANDLES

% Edit the above text to modify the response to help Kurs_gui

% Last Modified by GUIDE v2.5 12-Dec-2011 16:21:28

% Begin initialization code - DO NOT EDIT

gui_Singleton = 1;

gui_State = struct('gui_Name', mfilename, ...

'gui_Singleton', gui_Singleton, ...

'gui_OpeningFcn', @Kurs_gui_OpeningFcn, ...

'gui_OutputFcn', @Kurs_gui_OutputFcn, ...

'gui_LayoutFcn', [], ...

'gui_Callback', []);

if nargin & isstr(varargin{1})

gui_State.gui_Callback = str2func(varargin{1});

end

if nargout

[varargout{1:nargout}] = gui_mainfcn(gui_State, varargin{:});

else

gui_mainfcn(gui_State, varargin{:});

end

% End initialization code - DO NOT EDIT

% --- Executes just before Kurs_gui is made visible.

function Kurs_gui_OpeningFcn(hObject, eventdata, handles, varargin)

% This function has no output args, see OutputFcn.

% hObject handle to figure

% eventdata reserved - to be defined in a future version of MATLAB

% handles structure with handles and user data (see GUIDATA)

% varargin command line arguments to Kurs_gui (see VARARGIN)

% Choose default command line output for Kurs_gui

handles.output = hObject;

% Update handles structure

guidata(hObject, handles);

% UIWAIT makes Kurs_gui wait for user response (see UIRESUME)

% uiwait(handles.figure1);

set(handles.W,'String',0);

set(handles.N,'String',0);

set(handles.V1,'String',0);

set(handles.V1max,'String',0);

set(handles.V2max,'String',0);

% --- Outputs from this function are returned to the command line.

function varargout = Kurs_gui_OutputFcn(hObject, eventdata, handles)

% varargout cell array for returning output args (see VARARGOUT);

% hObject handle to figure

% eventdata reserved - to be defined in a future version of MATLAB

% handles structure with handles and user data (see GUIDATA)

% Get default command line output from handles structure

varargout{1} = handles.output;

% --- Executes on button press in ship1.

function ship1_Callback(hObject, eventdata, handles)

% hObject handle to ship1 (see GCBO)

% eventdata reserved - to be defined in a future version of MATLAB

% handles structure with handles and user data (see GUIDATA)

if get(hObject,'Value')==1

set(handles.text1,'Visible','On');

set(handles.text2,'Visible','On');

set(handles.text3,'Visible','On');

set(handles.ship2,'Value', 0);

set(handles.ship3,'Value', 0);

set(handles.W,'Visible','On');

set(handles.N,'Visible','On');

set(handles.V1,'Visible','On');

set(handles.text6,'Visible','Off');

set(handles.text7,'Visible','Off');

set(handles.V1max,'Visible','Off');

set(handles.V2max,'Visible','Off');

set(handles.W,'String',9030);

set(handles.N,'String',55000);

set(handles.V1,'String',29);

else

set(handles.text1,'Visible','Off');

set(handles.text2,'Visible','Off');

set(handles.text3,'Visible','Off');

set(handles.W,'Visible','Off');

set(handles.N,'Visible','Off');

set(handles.V1,'Visible','Off');

end

% Hint: get(hObject,'Value') returns toggle state of ship1

% --- Executes on button press in ship2.

function ship2_Callback(hObject, eventdata, handles)

% hObject handle to ship2 (see GCBO)

% eventdata reserved - to be defined in a future version of MATLAB

% handles structure with handles and user data (see GUIDATA)

if get(hObject,'Value')==1

set(handles.text1,'Visible','On');

set(handles.text2,'Visible','On');

set(handles.text3,'Visible','On');

set(handles.ship1,'Value', 0);

set(handles.ship3,'Value', 0);

set(handles.W,'Visible','On');

set(handles.N,'Visible','On');

set(handles.V1,'Visible','On');

set(handles.text6,'Visible','Off');

set(handles.text7,'Visible','Off');

set(handles.V1max,'Visible','Off');

set(handles.V2max,'Visible','Off');

set(handles.W,'String',2.3);

set(handles.N,'String',150);

set(handles.V1,'String',29);

else

set(handles.text1,'Visible','Off');

set(handles.text2,'Visible','Off');

set(handles.text3,'Visible','Off');

set(handles.W,'Visible','Off');

set(handles.N,'Visible','Off');

set(handles.V1,'Visible','Off');

end

% Hint: get(hObject,'Value') returns toggle state of ship2

% --- Executes on button press in ship3.

function ship3_Callback(hObject, eventdata, handles)

% hObject handle to ship3 (see GCBO)

% eventdata reserved - to be defined in a future version of MATLAB

% handles structure with handles and user data (see GUIDATA)

if get(hObject,'Value')==1

set(handles.text1,'Visible','On');

set(handles.text2,'Visible','On');

set(handles.text3,'Visible','On');

set(handles.text6,'Visible','On');

set(handles.text7,'Visible','On');

set(handles.ship1,'Value', 0);

set(handles.ship2,'Value', 0);

set(handles.W,'Visible','On');

set(handles.N,'Visible','On');

set(handles.V1,'Visible','On');

set(handles.V1max,'Visible','On');

set(handles.V2max,'Visible','On');

set(handles.W,'String',9.4);

set(handles.N,'String',400);

set(handles.V1,'String',11);

set(handles.V1max,'String',13);

set(handles.V2max,'String',32);

else

set(handles.text1,'Visible','Off');

set(handles.text2,'Visible','Off');

set(handles.text3,'Visible','Off');

set(handles.text6,'Visible','Off');

set(handles.text7,'Visible','Off');

set(handles.W,'Visible','Off');

set(handles.N,'Visible','Off');

set(handles.V1,'Visible','Off');

set(handles.V1max,'Visible','Off');

set(handles.V2max,'Visible','Off');

end

% Hint: get(hObject,'Value') returns toggle state of ship3

% --- Executes on button press in close.

function close_Callback(hObject, eventdata, handles)

% hObject handle to close (see GCBO)

% eventdata reserved - to be defined in a future version of MATLAB

% handles structure with handles and user data (see GUIDATA)

close

% --- Executes on button press in change.

function change_Callback(hObject, eventdata, handles)

% hObject handle to change (see GCBO)

% eventdata reserved - to be defined in a future version of MATLAB

% handles structure with handles and user data (see GUIDATA)

if get(hObject,'Value')==1

set(handles.W,'Style','edit');

set(handles.N,'Style','edit');

set(handles.V1,'Style','edit');

set(handles.V1max,'Style','edit');

set(handles.V2max,'Style','edit');

end

% --- Executes on button press in ok.

function ok_Callback(hObject, eventdata, handles)

% hObject handle to ok (see GCBO)

% eventdata reserved - to be defined in a future version of MATLAB

% handles structure with handles and user data (see GUIDATA)

if (get(handles.ship1,'Value')==1 || get(handles.ship2,'Value')==1)

KursoviK

elseif get(handles.ship3,'Value')==1

KursoviKPK

end

set(handles.text15,'Visible','On');

set(handles.text16,'Visible','On');

set(handles.text17,'Visible','On');

function tab_Callback(hObject, eventdata, handles)

% hObject handle to tab (see GCBO)

% eventdata reserved - to be defined in a future version of MATLAB

% handles structure with handles and user data (see GUIDATA)

if (get(handles.ship1,'Value')==1 || get(handles.ship2,'Value')==1)

KursoviK

elseif get(handles.ship3,'Value')==1

KursoviKPK

end

B=[]; j=1;

if get(handles.ship1,'Value')==1

for i=1:5:length(tt),

B(j,:)=[tt(i), XX(i), vv(i), pp(i)];

j=j+1;

end

end

i (get(handles.ship2,'Value')==1 || get(handles.ship3,'Value')==1)

for i=1:1:length(tt),

B(j,:)=[tt(i), XX(i), vv(i), pp(i)];

j=j+1;

end

endsprintf('%s',' Время Путь Скорость Тяга')

disp(B)

Текст скрипта KursoviK.m

clc

W_h = handles.W; % выбор объекта а1 из родительского объекта

W = str2double(get(W_h,'String')); % извлечение численного значения из объекта а1

N_h = handles.N;

N = str2double(get(N_h,'String'));

V_h = handles.V1;

V = str2double(get(V_h,'String'));

% W=9030; N=55000; V=29;

% 1 шаг приращения

dt=1;

% перевод в сист Си

W1=W*1000; N1=N*735.5; V1=V*0.51;

Fmax=N1/V1;

if get(handles.ship1,'Value')==1

dFmax=0.1*Fmax;

end

if get(handles.ship2,'Value')==1

dFmax=0.2*Fmax;

end

% 2

dP=dt*(dFmax/Fmax)*100;

% 3

A=Fmax/(V1^2);

% Пройденное расстояние

xi=0; x_pre=0; P=0; t=0;

global tt; global XX; global vv; global pp;

XX=[]; tt=[]; vv=[]; pp=[];

while P<100 % разгон + выход на макс значение силы тяги

X=xi+(xi-x_pre)+(P*Fmax*(dt^2)/100-A*(xi-x_pre)*abs(xi-x_pre))/W1;

v=(X-xi)/dt;

vv=[vv,v];

pp=[pp,P];

x_pre=xi; xi=X;

P=P+dP;

tt=[tt,t];

XX=[XX,X];

t=t+dt;

end;

while v<0.98*V1, % разгон на макс тяге до макс скорости

X=xi+(xi-x_pre)+(P*Fmax*(dt^2)/100-A*(xi-x_pre)*abs(xi-x_pre))/W1;

v=(X-xi)/dt;

vv=[vv,v];

pp=[pp,P];

x_pre=xi; xi=X;

tt=[tt,t];

XX=[XX,X];

t=t+dt;

end;

while P>-100, % торможение, выход на обратную силу тяги

X=xi+(xi-x_pre)+(P*Fmax*(dt^2)/100-A*(xi-x_pre)*abs(xi-x_pre))/W1;

v=(X-xi)/dt;

vv=[vv,v];

x_pre=xi; xi=X;

pp=[pp,P];

P=P-dP;

tt=[tt,t];

XX=[XX,X];

t=t+dt;

end;

while v>0.02, % торможение, до нуля

X=xi+(xi-x_pre)+(P*Fmax*(dt^2)/100-A*(xi-x_pre)*abs(xi-x_pre))/W1;

v=(X-xi)/dt;

vv=[vv,v];

pp=[pp,P];

x_pre=xi; xi=X;

tt=[tt,t];

XX=[XX,X];

t=t+dt;

end;

if get(handles.ok,'Value')==1

set(handles.XX_plot,'Visible','On');

axes(handles.XX_plot);

cla;

plot(tt,XX), grid;

set(handles.vv_plot,'Visible','On');

axes(handles.vv_plot);

cla;

plot(tt,vv), grid

set(handles.pp_plot,'Visible','On');

axes(handles.pp_plot);

cla;

plot(tt,pp), grid

end

Текст скрипта KursoviKPK.m

clc

% W=9.4; N=400; V_k=11; V_1max=13; V_2max=32;

W_h = handles.W; % выбор объекта а1 из родительского объекта

W = str2double(get(W_h,'String')); % извлечение численного значения из объекта а1

N_h = handles.N;

N = str2double(get(N_h,'String'));

Vk_h = handles.V1;

V_k = str2double(get(Vk_h,'String'));

V1max_h = handles.V1max;

V_1max = str2double(get(V1max_h,'String'));

V2max_h = handles.V2max;

V_2max= str2double(get(V2max_h,'String'));

% 1 шаг приращения

dt=1;

% перевод в сист Си

W1=W*1000; N1=N*735.5; Vk=V_k*0.51; V1max=V_1max*0.51; V2max=V_2max*0.51;

Fmax=N1/V2max; dFmax=0.2*Fmax;

% 2

dP=dt*(dFmax/Fmax)*100;

% 3

A1=Fmax/(V1max^2); A2=Fmax/(V2max^2);

% Пройденное расстояние

xi=0; x_pre=0; P=0; t=0; v=0;

global tt; global XX; global vv; global pp;

XX=[]; tt=[]; vv=[]; pp=[]; AA=[];

while P<100 % разгон + выход на макс значение силы тяги

if(v<Vk)

A=A1;

end

if(v>=V1max)

A=A2;

end

if(Vk<=v & v<V1max)

A=A1-(v-Vk)*(A1-A2)/(V1max-Vk);

end

AA=[AA,A];

X=xi+(xi-x_pre)+(P*Fmax*(dt^2)/100-A*(xi-x_pre)*abs(xi-x_pre))/W1;

v=(X-xi)/dt;

vv=[vv,v];

pp=[pp,P];

x_pre=xi; xi=X;

P=P+dP;

tt=[tt,t];

XX=[XX,X];

t=t+dt;

end;

while v<0.98*V2max, % разгон на макс тяге до макс скорости

if(v<Vk)

A=A1;

end

if(v>=V1max)

A=A2;

end

if(Vk<=v & v<V1max)

A=A1-(v-Vk)*(A1-A2)/(V1max-Vk);

end

AA=[AA,A];

X=xi+(xi-x_pre)+(P*Fmax*(dt^2)/100-A*(xi-x_pre)*abs(xi-x_pre))/W1;

v=(X-xi)/dt;

vv=[vv,v];

pp=[pp,P];

x_pre=xi; xi=X;

tt=[tt,t];

XX=[XX,X];

t=t+dt;

end;

while P>-100,

if(v<Vk)

A=A1;

end

if(v>=V1max)

A=A2;

end

if(Vk<=v & v<V1max)

A=A1-(v-Vk)*(A1-A2)/(V1max-Vk);

end

AA=[AA,A];

X=xi+(xi-x_pre)+(P*Fmax*(dt^2)/100-A*(xi-x_pre)*abs(xi-x_pre))/W1;

v=(X-xi)/dt;

vv=[vv,v];

x_pre=xi; xi=X;

pp=[pp,P];

P=P-dP;

tt=[tt,t];

XX=[XX,X];

t=t+dt;

end;

while v>0.02,

if(v<Vk)

A=A1;

end

if(v>=V1max)

A=A2;

end

if(Vk<=v & v<V1max)

A=A1-(v-Vk)*(A1-A2)/(V1max-Vk);

end

X=xi+(xi-x_pre)+(P*Fmax*(dt^2)/100-A*(xi-x_pre)*abs(xi-x_pre))/W1;

v=(X-xi)/dt;

vv=[vv,v];

pp=[pp,P];

x_pre=xi; xi=X;

tt=[tt,t];

XX=[XX,X];

t=t+dt;

end;

if get(handles.ok,'Value')==1

set(handles.XX_plot,'Visible','On');

axes(handles.XX_plot);

cla;

plot(tt,XX), grid;

set(handles.vv_plot,'Visible','On');

axes(handles.vv_plot);

cla;

plot(tt,vv), grid

set(handles.pp_plot,'Visible','On');

axes(handles.pp_plot);

cla;

plot(tt,pp), grid

end



3. Графический интерфейс программы (GUI)

Для удобного вывода рассчитанной информации в среде MATLAB был разработан графический интерфейс, представленный на рис. 1.

Рис.1 Графический интерфейс программы

Для создания интерфейса были использованы следующие компоненты:

1. Radio Button - переключатель кораблей.

2. Axes- поля для построения графиков пройденного пути, скорости и силы тяги.

3. Push Button - кнопки. Change parameters - возможность изменять значения основных ТТД кораблей. ОК - кнопка, при нажатии на которую происходят основные расчеты и вывод графиков. Close - кнопка закрытия окна.

4. Static Text - статический текст. В данной работе была реализована возможность изменения видимости тех или иных частей теста.

5. Edit Text -изменяемый пользователем текст. Возможность редактирования текста появляется при нажатии кнопки Change parameters.

6. Menu - меню, к котором была реализована возможность вывести в командное окно таблицы с результатами работы программы.



4. Результаты исследования программной модели

С помощью созданного интерфейса были получены динамические характеристики трёх типов судов.

Рис.2 Результат работы программы, графики для легкого крейсера "Красный Кавказ"



Таблица 2

Таблица значений основных показателей движения:

С помощью представленных результатов работы программы было определено:

-время набора максимальной скорости 14,5м/с - 115 с; при этом корабль проходит расстояние 1009,5 м;

-время торможения - 50 с, на расстояние - 402 м;

-общее время движения катера составило - 165 с;

-общая пройденная кораблем дистанция - 1555.8 м.

Рис.3 Результат работы программы, графики для катера "Тритон"

Таблица 3

Таблица значений основных показателей движения:



С помощью представленных результатов работы программы было определено:

-время набора максимальной скорости 14,6м/с - 12 с; при этом корабль проходит расстояние 115.7 м;

-время торможения - 9 с, на расстояние - 72.8 м;

-общее время движения катера составило - 21 с;

-общая пройденная кораблем дистанция - 118.48 м.

Рис.4 Результат работы программы, графики для корабля на подводных крыльях



Таблица 4

Таблица значений основных показателей движения:

С помощью представленных результатов работы программы было определено:

-время набора максимальной скорости 16.09м/с - 23 с; при этом корабль проходит расстояние 243.5 м;

-время торможения - 12 с, на расстояние - 102.8 м;

-общее время движения катера составило - 35 с;

-общая пройденная кораблем дистанция - 346 м.



Выводы

При выполнении данной курсовой работы были разработаны математические и программные модели описания движения трёх видов судов. В соответствии с исходными данными при помощи разработанного программного интерфейса в MATLAB были исследованы динамические свойства моделируемых кораблей и получены их динамические характеристики.

Размещено на Allbest.ru