华为面试数字芯片提纲.pdf
本人面试华为海思数字芯片，总结出一份应对数字芯片面试的复习材料华为面试数字芯片提纲解答以及要点备注1、时序逻辑/组合逻辑时序逻辑电路主要由组合逻辑电路和触发器等记忆元件组成,输出不仅取决于当前输入,还和电路原米状态有关(这里原来状态是指的中间的触发器等记忆元件部分的端口值也可能会影响到当前的电路总的输出);组合逻辑电路主要由组合逻辑器件构成,电路无存储元件,输出仅仅取决于当前的输入。同步逻辑/异步逻辑同步逻辑是指的电路驱动时钟是有固定因果关系的逻,异步熤辑是电路驱动时钟之间没有固定因果关系的逻辑。通常同步逻辑电路的驱动时钟来源于同一个时钟源产生的相同时钟或者相位差可预知的不同时钟,这里不包括相位差在一定时钟周期内(例如1000ck)依然无法确定公共周期的同源时钟;异步逻辑的电路驱动时钟来自不同源时钟或者相位差关系不确定的时钟。同步时钟/异步时钟同步时钟指的是时钟源来自于同一个时钟源生成的时钟,其相位差可计算预知,这里不包拈来白同一时钟源但是在一定时钟周期内(例如1000ck)依然无汯确定公共周期的时钟,通常为由PLL生成的非整数分频或者倍频时钟。异步时钟是指的相位差无法预测的时钟,通常来自于不同的时钟源。2、亚稳态的概念/可能出现的场合和抑制手段亚稳态是指触发尜的建立时间或者保持时间不能满足时触发尜的输岀介于0或者1两者之间的某个不稳定态。理想的触发器在时钟到來时刻采样数据,但现实之中时钟边沿通常具有一定斜率,因此数据需要在时钟到来的前后各一段时间内保持稳定,使得触发器能够准确采样数据,否则就可能岀现亚稳态。亚稳态通常出现在同步时钟驱动电路的异步复位信号来临和消失的时候,或者是异步时钟域之冋数据传递的时候。前者解决方案是釆用同步复位(通常会导致电路逻辑资源占用面积增加)/或者是异步复位同步释放方式避免亚稳态;后者通常考虑用昦步FFo,双端口RAM,双触发器,或者是握于杋制等方法进行冋步ε比外还有例如降频,使用速度较快的触发器,改善时钟质量也会有一定效果。3、异步FIFO原理/FFO的深度计算/同步FFO/要求自凵写异步FFO代码/自凵尝试添加约束(H: Desktop Hardware study Async _ FIFO)异步FFO主要用于实现异步时钟域之间的数据传输。异步F|FO由以下几部分构成。●BRAM/DRAM组戍的缓冲区。用于缓存数据流,其深度的设定需要根据输入输岀数据的吋钟差别以及最大连续输入/输岀数据量确定。读写指针。其变化需要根椐FFO的空满状态以及当前的读写请求指令共同确定。当缓存为空则不读,读指针不变;当缓存为满不可写,写指针不变。空满状态标志。由于异步FFO工作在不同时钟域,因此对空满状态的判断依赖于不同时钟域的读指针和写指针。为了便于区分“快一圈”的现象,可以考虑将指针位宽多设置一位,当最髙位相同时候,读指针等于写指针认为是读空,当最高位不同的吋候,读指针等于写指针认为是写满●同步电路。由于两者读写指针比较是在不同时钟域下进行,因此为了避免亚稳态需要进行同步设计。此处通常采用格雷码进行比较(传输端首先 BIN TO GRAY,经过两级触发器在目的端同步,然后 GRAY TO BIN,进行下一步的比较,得出空满状态),保证一次只有一位数据变化,利用格雷码结合两级触发器进行同步后,可以严格保证至少数据不会出错(起码是原地踏步,不会造成满状态写入的情况),中间加的两级触发器公对实际状态做延迟比较(避免了空读和满写),也属于保守预估,最多是不是真空/真满情况下告知空淸,但是不会导致数据出错,属于保守的方法●FFO深度计算,计算主要考虑最坏的情况,例如100wclk里血进来80个这种,需要考虑200个时钟内连续进米160个的情况,然后计算深度也是根据“平均进米一个出去几个,然后乘以最大连续量即可得到FFO深度”这样的方式考虑最大深度同步FFO由」驱动时钟同步,因此可省去中闩同步器以及格雷码编码机制,其作用原理和异步FIFO类似4、双端口RAM的实现/要求自己写双端口RAM(H: Desktop Hardware study async_ Dual _port ram)FPGA内部RAM资源分为 Block ram和 Distribute ram,前者一殷用于大量数据的缓存,后者多用于小部分数据缓存。就速度而言由于 Distribυ ute ran利用FPGA内部 Slicer的LUT存储资源,少量存储的话速度比较快,但是大量存储会对布线造成影响,难以保让时序。FPGA可以配置 Single-port-ram, Simple-port-ram,True- port-ram等形式的RAM,读写模式有 write-first,read-frst,no- change等模式, write-first表明输出端口的数据和写入的数据相冋, read-first表明输出端口的数据为当前地址之前存储的数据,no- change表明输出数据为写入之前一刻的数据不变;Single- port-ram同时只能进行读或写操作; True-port-ram可同时进行读写操作,但是要避免地址冲突,不能两个端口同时对一个地址写入, Simple- port-ram实际上是 True-port-ram只开启了A端口的写入和B端口的输出。5、两级触发器同步/应用场合/MTBF的计算以及2FF的计算两级触发器通常用于异步时钟域之间的单比特信号传输,通常是控制信号。其扣制亚稳态传播的原理并不是避免亚稳态的发生,也无法避免出错信号的继续传输,而是尽量减少亚稳态传播的概率。根据触发器MTBF(平均故障时问间隔)计算,一缬触发器的MTBF=(e^(tmet/c1)/c2*f*a)两级触发器MTBF=(MTBF1)*MTBF2),相当」不稳定态在第一级触发器后被阻断了传播。如果条件更苛刻可考虑三级触发器。6、握手机制/代码(H: Desktop Hardware study async dual_ port ram握于机制通常用于数据传输速率要求不高但要求准确的场合,两边的握手信号都需要各自时钟域的同步器进行同步。当接收端经过冋步电路接收到req信号后锁存总线数据,然后发岀ack信号,ack经过冋步电路后到达发送端,发送端接受后撤销req信号,接收端也撤销掉ack信号,一次握手完成7、同步复位/异步复位/异步复位同步释放/三者比较/代码同步复位指的是时钟有效沿来临的时候进行复位操作,冋步复位使得电路为冋步电路,能够利于仿真,缺点是要求复位信号要大于一个周期,否则无法保证成功复位,此外综合出米的电路实际上并没有利用器件的复位端,而是在输入端插入额外的逻辑电跻,这样増加了额外的逻辑资源消耗。异步复位是指的在仼何时候只要复位信号有效即可复位,不占用额外的逻辑资源,充分利用器件的复位引脚,但是由于来临和结束时间未知,容易引起亚稳态现象对于FPGA的Fip-Fop,一般有同步复位,置位引脚RST/S和异步复位,置位引脚CLR/PRE,对于同步复位,需要引入额外的MUⅹ电路控制RST/S,对资源有一定的占用比较理想的方式是异步复位同步释放,既充分利用了器件的复位引脚,又能够有效避免亚稳态的产生。8、恢复时间/去除时间/ positive or negetive or global skew/ jitter/Recovery time(恢复时间)是指的异步控制信号(例如复位信号)在被断言后到下一个时钟沿的最短时间Recovery time is the minimum amount of time required between the release of an asynchronous signal from theactive state to the next active clock edge.(类比建立时间)( Example: The time between the reset and clock transitionsfor a flip-flop if the active edge occurs too soon after the release of the reset the state of the flip-flop can be unknownUFF5UFF6CDN-aCKNbCKCLKPRemoval time(去除吋间)是指异步控制信号在吋钟沿后需要保持稳定的吋间。 Removal time specifies theminimum amount of time between an active clock edge and the release of an asynchronous control signal.(类比保持时间)这个异步控制信号可以来自于“异步复位同步释放产生的复位信号,如下图”。positive or negetive or globa|skeW分别表明相比| atch clock edge的延迟为正/负/最大延迟减去最小延迟Clock jitter指的是实际周期和理想厝期之间产生的偏差,jter通常由时钟发生器电路,噪声,电源变化引起9、触发器组成/锁存器组成/区别触发器通常包括SR触发器,」触发器,D触发器,T触发器;SR锁存器由与非门或者或非门组成,SR触发由时钟控制逻辑加上双与非门/或非门组成,还有门控SR触发器将时钟换为使能即可。四状态分别为保持/0/1/不允许。不允许态主要是全1/全0同时翻转为0/1不能确定哪个逻辑元件最先变成0/1,从而导致下一时刻不定态D触发器由时钟边沿触发,锁存数据,D触发器是FPGA中的主要元件,T发器作用是翻转信号Q00-1DcLK-(LDLa触发器对边沿敏感,锁存器对电平敏感10、脉冲检测电路(非同步时钟如何处理,快到慢,慢到快)对于慢时钟到快时钟的脉冲检测电路,由于脉冲长度一般大于接收端一个时钟周期,可以利用两级触发器结合一个与门和反相器电路实现单周期脉冲的传输,如图1;对于快时钟到慢时钟区域的检测电路,由于脉冲长度一般较小,可能导致慢时钟区域检测不到,因此可借助脉冲信号作为触发器的时钟信号,然后利用接收端信号重新复位该触发器信号即可,如图2对于相同时钟的脉冲检测电路,可以利用两级触发器结合与门和非门电路,类似方案一11、可综合和不可综合概念/ timescale的理解可综合是指的代码能够被EDA工具映射为具体的逻辑电路,能够在硬件端实现的语句;不可综合指的无法被映射为只体的电路在哽件端,通常用于仿真阶段timescale是指的吋间维度的常量,用于仿真阶段,由吋间最小单元和时间精度两部分组成,例如 timescale1ns/1000s,意思是时间最小延迟单元为1ns,按照1005的精度进行换算,#5.22代表延迟52*100p5,如果是1ns/1s则代表延迟5220s,如果遇到一个模块包含其他模块的情况则精度按照最小的精度计算。精度越高会导致仿真的复杂度越大,仿真需求时间也就越久。12、组合逻辑环路概念缃合逻辑需要避免牛成环路,即绢合逻辑输岀端不绎过仟何时序逻辑就反馈到输入节点形成的环路,这样公产生振荡和毛刺等现象,而且会出现无法预知的结果。这样的组合逻辑坏烙的功能完全依赖丁逻辑元件的延迟和布线延迟,具有很大的不确定性。13、静态时序分析/动态时序分析/二者对比静态时序分析(STA)通过遍历系统中所有路径来计算每条路径是否满足时序要求。无需外部信号激励的输入,只需要按照设计要求作岀对应约束即可。静态时序分析不能分析电路逻辑功能是否满足需求,只能测试设计是否满足时序要求,系统能否在要求的时钟速率下正常运行。静态时序分析的速度较快。动态时序分析是指的对系统生成测试向量并查看输出结果是否满足设计要求的方法。动态时序分析能够验证系统的逻辑功能,但难以通过输入向量测试到所有路径,而且随着输入信号数量增加,验证复杂度会越米越大。14、建立时间/保持时间/数据到达时间/数据需求时间/建立时间裕量/保持时间裕量建立时间( (setup time)是指的时钟边沿到来之前数据保持稳定的最少时间。保持时间( hold time)是指的时钟边沿到来后数据保持稳定的最少时间。数据到达吋间( data arrival time)= Latch+Tlka+Tcq+ Logic建立时间的数据需求时间 data required time/ setup)= Capture+llkb-Tsu- Uncertainty保持时间的数据需求时间 data required time/hod)= Latch+Tk+Thd- Uncertainty( Uncertainty-还是+存疑)建立时间裕量( setup slack)=( data required time- data arrival time)=T-Tsu-(Tcq+ Logic)+ Skew保持时间裕量( hold slack)=( data arrival time- data required time)= Skew+Thd-(Tcq+ Logic15、四类时序路径及起点终点/完整的时序路径包含三部分/建立时间检查,保持时间检查/恢复时间检查,去除时间检查/检查违例的解决方案Start point-All input ports/pins or clock ports /pins of sequential cells are considered as start pointsEnd points-All output ports/ pins or d pin of sequential cells are considered as end pointsA.输入端口到第一级寄存器的数据输入D端之间路径B.最后一级寄存器输出Q端到输出端口之间路径C.系统内部寄存器的时钟端口CLK到下一级寄存器的数据输入端口D之间路径D.输入端口经过组合逻辑到输出端口之间路径个完整的时序路径包括源时钟路径(时钟端到当前寄冇器的时钟输入端),数据跤径(当前寄存器时钟输入端到卜一级寄存器数据输入端),目的时钟路径(时钟端到卜一级寄存器的时钟输入端)建立时间检查上要看数据路径的最大延迟路径,两级寄存器时钟skew最小的情况,淸足建立时间需要有:T+Tskew-Tsetup >(Tcq +Logic保持时间路径主要看数据路径的最小延迟路径,两级寄存器时钟skew最大的情况,淸足保持时间需要有:(cq+Tlogic)> Thd+ Tskew恢复时闩检査和去除时冋检査比较类似建立时间和保持时间检查,检查方式是一样的,主要看这个异步控制信号(通常是经过“例如异步复位同步释放生成的的复位信号”后传递给寄存器的复位信号)到达的时间是否和时钟边沿满足一定的时间关系,否则可能导致复位失败或者控制失败对于建立时间违例,可以考虑对较大的组合逻辑插入寄存器增加一级流水线,或者是考虑降低时钟频率,或者是考虑优化组合逻辑使之延迟降低;对于保持时间违例可以考虑插λ buffer或者两级反相器对效据路径实现延迟。16、时序约束/时钟约束/输入输出约束/时序例外约束/多周期路径约束( Multicycle paths)/伪路径约束( Falsepaths/ min-max约束/ set bus skew吋序约束是指的对电路的吋序提出要求,并在时序约束的基础上检验系统电路是否能够满足设计需求。●时钟约束是指的对系统中出现的时钟信号添加的限定条件,主要有以下类别:1) Primary clock(通过引脚输入系统) creat clock- name clk in- period10- waveform05}[ get ports clk2) Virtual clock(并未连接到系统的任何端口,只是用来做输入信号的参考,而该信号按照这个虚拟时钟的速率传输,只是这个时钟也没有接到系统任何韶位。可以理解为上游芯片的一个数据时钟,只是这个时钟没有接入系统)tcl语言描述为 create clock- name virtual clk-period103) Generated clock(通过PLL或者内部逻辑,如计数分频生成的吋钟) example1: create generated clock-nameclk div2 -source [get_ports clkin]-divide by 2 [get pins clk div 2]; example2: create generated clock -nameclk div_ mul-source [get_pins mmcmo/ clkin]-multiply by 4 -divide by 3 [get_pins mmcmo/clkout4) Clock groups(主要对异步时钟组之间约束,避免对异步时钟之间进行无效的时序分析,例如两个独立的时钟以及他们生成的时钟网络之间,或者是虽然来自同一个时钟源但是牛成的时钟在1000ck内无法确定公共周期的时it i [a )set clock groups -name async clk -asynchronous- group clk1-group clk 2 set clock groups-name clkunexclusive-group clko-group clk1;5) Clock latency(由于EDA工只通常会自动计算内部网络的时钟延迟,因此通常只需要提供器件外部时钟走线延iRRP H)set clock latency-source-early 0.2 [get ports sysclk]; set clock latency -source -late 0. 5 [get ports sysclk6) Clock jitter (E A input jitter FA system jitter) set input jitter sysclk 0.3 set system jitter 0.117) Clock uncertainty(为特定的时钟或者时钟之间约束) set clock uncertainty0.1[ get clocks clk];set clock uncertainty 0. 2 from [get_ports clk1] to [get clocks clk2输入输出约束1) set_input delay(用于确定和系统某个时钟相关的输入信号的外部路径延迟,通常取决于外部器作输出的最后一级寄存器的Tcq和中间走线延迟。 Consequently, the input delay value can be positive or negative, depending on theclock and data relative phase at the interface of the device,这个相关的时钟可以来自于系统的某个时钟或者虚拟时钟)example 1: set_input delay -clock sysclk [get_ ports din]; example 2: set_ input_ delay -clock sysclk-max 4 [get_ports din]example3: create clock -name clk virtual- period 10set input delay -clock clk virtual -min 2 [ get ports din22) set output delay(用于确定和系统某个时钟相关的输岀信号的外部路径延迟,通常取决于外部走线延迟和下游芯片第一级输入寄存器的建立时冋和保持时冋)exεmple: set output delay- clock sysclk-min2[ get ports dout●时序例外包含多周期路径约束,伪路径约束,最大最小延迟约束1) Multicycle paths(多周期路径通常指的由于系统的特定设计,重新修改建立时间和保持时间检查方式,通常不像EDA工具默认的单周期的检查,多周期路径约束通常定义新的时序检查方式)BEFOREA)相同时钟下由于使能信号等原因导致的多个周期读取IHold:SetupLostnaton clock对于相同时钟,无需确定- start-end,因为参考的时钟都是一样的,只需要重Choct Erable新确定建立时间检查和保持时间检查的关系。由于 setup relationship同时影响crScure cocshold relationship,因此修改建立吋间的同吋也要修改保持吋间关系。如图set multicycle path n -setup -from [get _ pins a-to [get pins b]capture edgeClock Enableset multicycle path N-1hold-from[ get pins a] to get pins b](其中N为建立OIS 2IN 46 CrIS IN 10: I2Slaunch edge时间检查的移动周期数)setupB)相同周期时钟但是有相移,因此修改建立时间检查关系,保持检查会随之-。如。2。=。移动。 set multicycle_path2- - setup- from Iget clocks clk』to[ get clocks clk2]。Destinationapture edge8ns Bn:launch edge Ons 2neine如果是负相移(相移很小)的话,无需约束,情形相当于同吋钟无相移。C)慢时钟到快时钟。 set multicycle_path3- setup-from[ get clocks clk1]-to[ get clocks clk2]Set multicycle_ path 2-hold -end- from iget clocks clk1]-to [get clocks clk2D)快时钟到慢时钟。 set multicycle_ path3- setup- - start-from[ get clocks clk1]-to【xx] set multicycle_ paths2- hold -fromlget clocks clkl to [get clocks clk2];Table 5.3: To define a multicycle path with a Setup of nScenarioMulticycle Constraintslaunch edgeSource cloSame clock domain or betweenset_multicycle_path N-setup-from CLK1 -to CLK2c「L「LLsynchronous clock domains with sameFeriod and no phase-shiftsct_multicycle_path N 1 hold from CLK1 to CLKBetween SLOW-to FAST synchronous clock set_multicycle_ path N-setup from CLK1 -to CIcomaInsset_multicycle_path N-1 -hold-end -from CLK1-to CLK2clock(CLk2capture edgeBetween FAST-to SLOW synchronous clock set_multicycle_path -start -from CLK1 -to CLKcomaInsset_multicycle_path N-1-hold -from CLKI-to CLK2False paths(伪路径约束)对于一些永远不可能起作用的路径或者无需进行时序分析的路径可以设置为 Falsepath(例如异步时钟之间已经经过两级同步器同步则无需分析,例如上电瞬间内容确定则无需分析)example: set false_ path-from [get clocks clk1] to [get clocks clk2]● Min-max(用于约束输入端口到输出端口的最人延迟以及异步信号之间的最人廷迟(意思是即使两个时钟域以经通过同步器或者FFO进行同步,依然可能需要一个最大路径延迟约束川 example1: set max delay10from [get _ ports din]-to [get ports dout] example 2: set max delay - from [get_ pins a]-to [get _pins b●set_bus_skew(用于对异步时钟域多位数据传输路径延迟进行约束,通常用于格雷码转换,多bit数据传输由于传输是多位的bit,因此每个bt之间的路径差异需要被约束,通常是约束一个目的时钟周期。 exampleset bus skew -from[ get cells gray*]-to[ get cells gray_sync+2.5,其中*代表这个寄存器的每个bt;同时为∫保证源时钟和目的时钟之间数据正常传输,需要进一步设置 sex max delay使得这个数据路径的延迟不能超过一定时间(通常是一个源时钟周期) set max delay-datapath only-from[ get cells gray]to[ get cellsgray_sync 517、竞争冒险/消除方法竞争是指的由J逻辑和走线延迟差异导致不同信号到达输入端的时间不同,冒险是指的由于不同信号到达输入端时间差异导致输出信号存在短时不稳定的现象,也叫输出毛刺。消除互补乘积项,例如(A~+B)*(A+C需要消除AA●增加冗余项,例如AB+A~C,当B=C=1的时候是A+A~,因此可以考虑增加BC项,这样就桷保输出无毛刺。输出端并联电容器,能够是的毛刺的上升下降沿变得缓慢,从而抑制毛刺被后级电跻读取的慨率。将组合逻辑电路转变为时序逻辑,因为触发器对毛刺边沿不敏感,可以有效减少毛刺对后级电路影响18、状态机分类/状态转移图/一段两段三段式状态机区别特征(优缺点,本质特征,状态数差别,输出改变时间差别,状态机也分为同步状态机(有CLK控制输出)和异步状态机)/思考具体的状态机实例(饮料售卖)MeaⅣy状态机:输出取决于当前状态和输入,输出可以在输入发牛改变之后立刻响应,具有异步输出的特点,Meay由于结合了当前输入信息和状态信息,因此状态数量更少。Moore状态机:输山仪仅取决于当前状态,和Meay相比 Moore机首先根据输入信息更新状态,然后在下个时钟根据当前状态决定输出,因此速度响应比Meay慢一拍,但是具有可以同步输出的特点。设计状态机首先考虑改计功能需求,然后根据运作流程列举可能的状态并根据转移条件列状态转移表转移图。状态的编码可以考虑采用格雷码(适用于连续跳变)或者是独热码,段式状态机将状态转移和输出集中在一个 always块内书写,电路为时序逻辑不会产生毛刺,但是书写代码冗长且不易修改,可维护性差;两段式状态机将状态转移和输出分放在两个 always块中,前一个用时序逻辑进行状态调转,第二个用组合逻辑控制下一状态的计算和组合逻辑输出,容易产生毛刺。这种与法只有最优的血积和时序性能,但是由于是组合逻辑输出因此增加了到下一级寄存器的输出延迟。段式状态机分为状态调转模块,状态转栘条件判断模块,输岀逻辑模块。三段式状态机将组合和时序逻辑分开,易于维护和综合饮料杋编写(自己编的题目),可以首先考虑实现的玏能,输入应该包括时钟信号,复位信号,输入的钱,输入的饮料选择,以及是否有当前饮料存货;输岀应包括找岺,饮料输出,无饮料提小等信息。中间状态应包括空闲状态,提示无饮料,输入钱多,输入钱正好,输入钱相等,找钱,出饮料,提示继续输入钱等状态,基于上述可能的状态进行状态转移图绘制,然后编写状态转移组合逻辑以及输出逻辑。“H、 Desktop Hardware_ study Sail_· machine”19、系统级/算法级/RTL级/门级/开关级Verilog HDL语言自顶向下通常分为系统级,算法级,RTL级(寄存器传输级),门级,开关级;系统级措述语言提供的髙级结构和所能实现的性能算法级措述算法运行的模型,以上两种描述级别一般不涉及具体实现细节,不考虑是否能转化为硬件结构。RTL级用」描述数据如何在寄存器之问流动和传输门级用于描述逻辑门之间的连接模型开关级措述的是器件晶体管规模的具体连接和信号流动模型前三个级别表述的是行为级,后两个级别分别代表逻辑级和电路级20、阻塞赋值/非阻塞赋值阻塞赋值是指的执行当前语句的时候阻塞其他语句的执行,因此阻塞赋值的执行具有一定的顺序性;非阻塞赋值是指的一次激活操作来临后会首先计算所有非阻塞语句表达式的右值,在激活操作结束后统一赋值给左边变量,执行无先后顺序,当前语句的赋值操作不会阻塞其他语句的赋值操作,因而叫做非阻塞赋值。在设计代码的付候通常对组合逻辑采用阻塞赋值,对时序逻辑采用非阻塞赋值,对阻寒赋值和非阻寒赋值分开在不同的away坎中实现。21 function/task/ repeat/ while/ forFunction用于执行一段的功能电路,由组合逻辑组成,至少一个输入,无输出。返回一个输出值(缺省值为1bit寄存器数据),输入输出的类型可以自己定义。 function可以驱动和使用全局变量,内部定义的为局部变量。函数
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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. 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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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