频率散射对船舶垂荡与纵摇耦合运动的影响-黄昆仑朱军葛义军(19)

(整理)大型船舶操纵模拟器需求分析书

附件： 大型船舶操纵模拟器技术需求书 一、设备总体要求 1、大型船舶操纵模拟器包括: 1）教练员控制站1套； 2）主本船及视景系统1套； 3）副本船及视景系统2套； 提供系统的总体框架（包括应急备用系统），主要硬件设备的型号、性能指标和备品清单。 2、模拟器中的各本船功能完备 可完整地模拟船舶驾驶台操作环境，具有较高的仿真精度，可用于包括在受限水域进行高级操纵和引航训练。 可以进行STCW78/95公约所规定的模拟器培训和适任评估。模拟器的性能指标满足挪威船级社（DNV）有关大型船舶操纵模拟器的性能标准和其他国际公认的模拟器标准，满足国家海事局关于“大型船舶操纵模拟器”、“驾驶台资源管理”、“雷达/ARPA模拟器”培训大纲的训练要求。 模拟器应采用当今先进的技术手段和方法，具有一定的先进性和前瞻性。 二、主本船的技术要求 主本船具有一个与实船驾驶台相似的环境，拥有一套完整的仪器设备面板，设备功能和操作性能可达到实际硬件设备所能完成的功能。主本船具有5个通道，水平视场角应达到180°、垂直视场角不小于25°的大屏幕柱幕投影视景系统，每个视景通道的分辨率至少为1024×768，采用几何校正和边缘融合软件校正技术，做到视景真正无缝拼接和高亮度显示，为操作人员提供最接近真实的景象，并提供望远镜及漫游通道，可用于漫游观测和望远镜观测周围360°范围的视景。 主本船的功能要求如下： 1、电子海图显示系统 电子海图显示系统应符合有关ECDIS性能标准的要求。应具有无级放大和缩小、区域放大、自动漫游、分层显示，白天、黑夜、晨昏和朦胧显示；应具有海图要素拾取、航线设计，

可进行海图编辑、改正。提供可覆盖中国沿海港口、主要水道及世界常用海域（至少应包括马六甲海峡、新加坡水域、英吉利海峡等）海图。 2、以ECDIS为背景的船舶动态显示 在ECDIS上可动态显示本船、目标船及拖轮的船位。其大小随船舶吨位大小变化。本船靠离码头时缆绳的受力情况。 3、船舶运动数学模型 船舶运动数学模型至少10个类型。 每种类型中应包括不同吨位与载况的模型。船舶运动数学模型中包括影响本船运动的各种效应（车、舵、锚、缆、风、流、拖轮、岸壁效应、船间效应、浅水效应等），附有精度说明及测试结果。根据车、舵、锚、缆、拖轮的操作，航行环境信息（风、流、潮汐等），实时解算本船的运动参数（船位、航向、速度、航向变化率、加速度等）。 4、舵控制 具有可进行选择的随动舵、自动舵、应急舵。 命令舵角、实际舵角、船舶转头速率、三面舵角指示器、航向的动态显示。 陀螺分罗经指示器动态变化。 提供自动舵控制、操作单元以及应急舵控制手柄。 5、车钟控制 根据船舶模型本身的推进器套数，可使用单车或双车控制。 主机转速、空气启动压力动态变化。 6、可变螺距调节 对采用可调螺距桨的船模，可进行螺距调节，螺距指示动态显示。 7、船舶艏、艉侧推控制 对有艏、艉侧推的船舶，可进行艏、艉侧推的控制，并实时显示螺距比。 8、本船缆的控制 根据船舶的大小，可同时进行多达20根缆的带缆、解缆、绞缆操作，绞缆速度可调。在电子海图上可选择缆桩或浮筒的位置，可动态显示每根缆的长度和受力动态显示。 9、本船锚的控制 用锚操作面板进行左、右锚的操作（抛锚、绞锚、松放、刹停），并动态显示锚链的长度和张力。 10、本船拖轮的控制

第6章-船舶运动控制系统建模应用

第6章 船舶运动控制系统建模应用 6.1 引 言 数学模型化(mathematical modelling)是用数学语言(微分方程式)描述实际过程动态特性的方法。在船舶运动控制领域，建立船舶运动数学模型大体上有两个目的：一个目的是建立船舶操纵模拟器(ship manoeuvring simulator)，为研究闭环系统性能提供一个基本的仿真平台；另一个目的是直接为设计船舶运动控制器服务。船舶运动数学模型主要可分为非线性数学模型和线性数学模型，前者用于船舶操纵模拟器设计和神经网络控制器、模糊控制器等非线性控制器的训练和优化，后者则用于简化的闭环性能仿真研究和线性控制器(PID, LQ, LQG, H ∞鲁棒控制器)的设计。 船舶的实际运动异常复杂，在一般情况下具有6个自由度。在附体坐标系内考察，这种运动包括跟随3个附体坐标轴的移动及围绕3个附体坐标轴的转动，前者以前进速度(surge velocity)u 、横漂速度(sway velocity)v 、起伏速度(heave velocity)w 表述，后者以艏摇角速度(yaw rate)r 、横摇角速度(rolling rate)p 及纵摇角速度(pitching rate)q 表述；在惯性坐标系内考察，船舶运动可以用它的3个空间位置000,,z y x (或3个空间运动速度 000,,z y x &&&)和3个姿态角即方位角(heading angle)ψ、横倾角(rolling angle)?、纵倾角 (pitching angle)θ (或3个角速度θ?ψ&&&,,)来描述，),,(θ?ψ称为欧拉角[4](见图6.1.1)。 显然T ],,[w v u 和T 000],,[z y x &&&以及T ],,[r q p 和T ],,[θ? ψ&&&之间有确定关系[4]。但这并不等于说，我们要把这6个自由度上的运动全部加以考虑。数学模型是实际系统的简化，如何简化就有很大学问。太复杂和精细的模型可能包含难于估计的参数，也不便于分析。过于简单的模型不能描述系统的重要性能。这就需要我们建模时在复杂和简单之间做合理的折中。对于船舶运动控制来说，建立一个复杂程度适宜、精度满足研究要求的数学模型是至关重要的。 图6.1.1的坐标定义如下：000Z Y X O -是惯性坐标系(大地参考坐标系)， 为起始 位置，0OX 指向正北，0OY 指向正东，0OZ 指向地心；o -xyz 是附体坐标系，为船首尾之间连线的中点，ox 沿船中线指向船首，oy 指向右舷，oz 指向地心；航向角ψ以正 北为零度，沿顺时针方向取0?～360?；舵角δ以右舵为正。对于大多数船舶运动及其控制问题而言，可以忽略起伏运动、纵摇运动及横摇运动，而只需讨论前进运动、横漂运动和艏摇运动，这样就简化成一种只有3个自由度的平面运动问题。图6.1.2给出图6.1.1经简化后的船舶平面运动变量描述。 船舶平面运动模型对于像航向保持、航迹跟踪、动力定位、自动避碰等问题，具有足够的精度；但在研究像舵阻摇、大舵角操纵等问题时，则必须考虑横摇运动。本章根据刚体动力学基本理论建立船舶平面运动基本方程，据此进一步导出状态空间型(线性和非线性)及传递函数型船舶运动数学模型，并考虑了操舵伺服系统的动态特性和风、浪、流干扰的处理方法。这些结果将作为设计各种船舶运动控制器的基础。计及横摇的四自由度船舶运动数学模型参见文献[5]。

船舶阻力复习题及部分解析(上交教材)

《船舶阻力》思考题与习题 第一章 总论 1）《船舶阻力》学科的研究任务与研究方法。 答：本课程着重介绍船舶航行时所受到的阻力的产生原因，各种阻力的特性，决定阻力的方法，影响阻力的因素以及减少阻力的途径等问题。 2）船舶在水中航行时，流场中会产生那些重要物理现象？它们与阻力有何关系？ 3）影响船舶阻力的主要因素有那些？ 4）各阻力成分及其占总阻力的比例与航速有何关系？ 低速船 摩擦阻力70%~80%，粘压阻力10%以上 兴波阻力很小 高速船 兴波阻力40%~50%，摩擦阻力50% 粘压阻力5% 5）物体在理想流体无界域中运动时有无阻力？ 应该注意的是压阻力中包含有粘压阻力和兴波阻力两类不同性质的力。兴波阻力既使在理想流体中仍然存在，而摩擦阻力和粘压阻力两者都是由于水的粘性而产生的，在理想流体中并不存在。 6）何谓二物理系统的动力相似？ 7）何谓傅汝德（Froude ）相似律？ 8）何谓雷诺（Reynolds ）相似律？ 9) 船模试验中能否实现“全相似”？为什么？ 10）何谓“相应速度”（又称“相当速度”）？ 相应速度（模型） 11）某海船航速)(0.100m L =，)(0.14m B =,)(0.5m T =,)(0.42003m =?，湿面积 s=5.90(m2)，V=17.0(kts)，阻力试验中所用船模缩尺比25=α，在相当速度下测得兴波阻力w R =9.8(n)，试验水温为12?C ，试求： i ）船模的相当速度及排水量；

ii ）20?C 海水中实船的兴波阻力w R 。 注：1节(knot)=1.852(公里/小时) 12）设825.1V R f ∝，2V R vp ∝，4V R w ∝，在某一航速下，t f R R %80=，t vp R R %10=，t w R R %10=，试计算当速度增加50％后，f R 、vp R 、w R 各占总阻力的百分比。 第二章 粘性阻力 1）何谓“相当平板”？ 相当平板：同速度、同长度、同湿表面 相当平板假定：实船或者船模的摩擦阻力分别等于与其同速度，同长度，同湿面积的光滑平板摩擦阻力。 2）摩擦阻力与流态的关系如何？雷诺数对摩擦阻力的影响如何？书P162 3）船体表面纵、横向曲度对摩擦阻力影响如何？ 当船体水流的平均速度较平板大，因此边界层厚度大部分（船前70%）比平板要小，这导致速度梯度和摩擦阻力增加。 但当船尾附近，船体边界层变厚，常伴有分离、旋涡现象，这时水流速度较小，摩擦阻力也随之减小。 4）何谓“水力光滑”？ 5）何谓“粗糙度补偿系数”？为何将其称为“换算补贴”或“相关补贴”？ 总的摩擦阻力系数可取为光滑平板摩擦阻力系数Cf 在加上一个与雷诺数无关的粗糙度补贴系数△Cf.我们一般取0.4*10-3 6）何谓“普遍粗糙度”？何谓“结构粗糙度”？ 普通粗糙度：又称为漆面粗糙度，主要是油漆面的粗糙度和壳板表面的凹凸不平等。 局部粗糙度：又称为结构粗糙度。主要为焊接，铆钉，开孔以及突出物等粗糙度。 7）你了解哪些关于减少摩擦阻力的近代研究，自己有何设想？ 1.边界层控制办法 2.采用聚合物溶液降阻剂 3.仿生学观点 4.微小沟槽（微槽薄膜） 5.将船体抬出水面，从而使船体表面与水接触改变为与空气接触 8）试述粘压阻力的成因与特性 从能量观点来看，在尾部形成漩涡，另一部分漩涡则被冲向船的后方，同船尾处又继续不断产生的漩涡，这样船体就要不断地提供能量。这部分能量损耗就是以粘压阻力的形式表现的。 9）为降低粘压阻力，对船型有何要求？ 1注意后体形状 （1） （2）控制船尾水流的变化平缓 2船型变化不宜过急，特别注意横剖面曲线A(x)前肩勿过于隆起，后肩勿过于内凹。 3对低速肥大船型，可采用球鼻艏以减少舭涡。 10）试证在边界层未分离情况下，粘压阻力仍存在。（考虑利用边界层方程与Lagrange 积分） 对于流线型物体，甚至某些优良船型可能并不发生界层分离现象，但粘压阻力仍然存在，仅数值大小不同而已。这是因为边界层的形成使尾部流线被排挤外移，因为流速较理想流体情况时必然增大，压力将下降。这样尾部的压力值不会达到理想流体中的最大值，首尾仍旧存在压力差，同样会产生粘压阻力，但是与由于边界层分离而引起的粘压阻力相比要小得多。 11）你所了解的粘性阻力理论计算的研究现状与水平。 第三章 兴波阻力

运动控制MATLAB仿真

大作业: 直流双闭环调速MATLAB仿真 运动控制技术课程名称： 名：姓电气学院院：学 自动化业：专 号：学 孟濬指导教师： 2012年6月2日

------------------------------------- -------------学浙大江 李超 一、Matlab仿真截图及模块功能描述 Matlab仿真截图如下，使用Matlab自带的直流电机模型： 模块功能描述： ⑴电机模块（Discrete DC_Machine）：模拟直流电机 ⑵负载转矩给定（Load Torque）：为直流电机添加负载转矩 ⑶Demux：将向量信号分离出输出信号 ⑷转速给定（Speed Reference）：给定转速 ⑸转速PI调节（Speed Controller）：转速PI调节器，对输入给定信号与实际信号

的差值进行比例和积分运算，得到的输出值作为电流给定信号。改变比例和积分运算系数可以得到不同的PI控制效果。 ⑹电流采样环节（1/z）：对电流进行采样，并保持一个采样周期 ⑺电流滞环调节（Current Controller）：规定一个滞环宽度，将电流采样值与给定值进行对比，若：采样值＞给定值+0.5*滞环宽度，则输出0； 若：采样值＜给定值—0.5*滞环宽度，则输出1； 若：给定值—0.5*滞环宽度＜采样值＜给定值+0.5*滞环宽度，则输出不变 输出值作为移相电压输入晶闸管斩波器控制晶闸管触发角 ：根据输入电压改变晶闸管触发角，从而改变电机端电压。GTO⑻晶闸管斩波．⑼续流二极管D1：在晶闸管关断时为电机续流。 ⑽电压传感器Vd：测量电机端电压 ⑾示波器scope：观察电压、电流、转速波形 系统功能概括如下：直流电源通过带GTO的斩波器对直流电机进行供电，输出量电枢电流ia和转速wm通过电流环和转速环对GTO的通断进行控制，从而达到对整个电机较为精确的控制。 下面对各个部分的功能加以详细说明： （1）直流电机 双击电动机模块，察看其参数：

船舶在波浪中航行时的安全操纵

船舶在波浪中航行时的安全操纵 关于船舶在波浪中航行的纯稳性丧失，国内外学者进行了大量的研究，文献[1]、[2]采用波浪中船舶瞬时湿表面的计算方法，得出了稳性变化与波浪要素之间的相互关系；文献[3]、[4]通过船舶操纵运动方程，运用流体动力学理论，将波浪运动的影响引人操纵方程，并对船舶稳性的影响进行了模拟计算。对于船舶驾驶员来说，仅从静态上了解衡量船舶稳性是否满足稳性规范的要求是不够的，更重要的是要从动力学的角度出发，了解和掌握在恶劣的天气条件下，船舶在波浪中的稳性变化规律，保证船舶以适应于稳性要求的姿态正确航 行。 1 稳性变化的原因分析 根据文献[5]，船舶在波浪中航行时，由于船体浸水体积的变化，使得正浮时的浮心B移至B*。根据静力学理论，对于横倾θ度的船舶，波浪中的复原力臂GZ*值与静水中的复原 力臂GZ值之间的差值可由式（1）确定。 ΔGZ=（B*R-BR）-BB*Sinθ（1） 由式（1）可以看出，船舶在波浪中的稳性变化是由于形状稳性和浮心位置的变化所引起 的。 为了具体地表现这种内在的关系，把GZ改写为表示动稳性的稳性高度GM，有： GM=I/V-BG（2） 式（2）中，I为水线面的惯性矩，V为船舶水下排水体积，BG为船舶浮心至船舶重心的垂直距离。由于波浪的影响，船舶的排水体积变为V+ΔV，水线面的惯性矩变为I+ΔI，浮心由B移至B*，则GM的变化GM+ΔGM可近似地表示为： GM+ΔGM=I/V（1+ΔI/I-ΔV/V）-B*G（3） 利用BM=I/V的关系，GM的变化量ΔGM可按下式求得：

ΔGM=BM（ΔI/I-ΔV/V）-BB* （4） 通过式（4）可以看出，导致船舶在波浪中的稳性变化是由于船舶的排水体积和水线面惯性矩的变化以及浮心位置的移动而引起的。第一项为舷侧外漂和船体浸水体积变化引起的BM的变化量表示由注心上下移动引起的变化量。 2 稳性变化与海浪之间的关系 防止船舶因稳性丧失而导致倾覆，是船舶驾驶员最为关心的问题。IMO亦已通过《在随浪和尾随浪情况下避免危险局面的指南》，其目的在于给船长在随浪和尾随浪航行时提供避免危险局面的建议。对于驾驶员来说，了解船舶姿态与波浪之间相互位置关系而导致船舶稳性的变化，从而采取和选择安全的操船方案有着重要的意义。 2.1 波长与船长比（λ/L）对稳性的影响 稳性变化主要是浮在波面上的船体的水线面惯性矩I的增减引起的，并与波浪的大小和船舶的尺度有关。图l给出了在波高H固定不变，波长与船长比（λ/L）变化、以及波浪位 于船舶各种相对位置时的GZ曲线。 从图1可以看出，当船中位于波谷（ξG/λ=0）时，由于船体前后部的水线面惯性矩与静水中相比，其数值是增加的，因而船舶的稳性也是增加的；当船中位于波峰（ξG/λ=0.5）时，由于水线面的惯性矩减少了，故船舶的稳性也随之减小。另外，从图1还可以看出，这种由船体前后部水线面惯性矩的增减引起的稳性变化，当波长等于船长时，其稳性变化量最大，随着波长的增加，其稳性变化量有减少的趋向。

船舶运动控制概述

船舶运动控制概述 随着经济全球化的加剧，现代物流业飞速发展，市场对进出口的需求越发的加大，造成了与之相应的航运自动化的繁荣发展，各种新的控制算法不断地应用于传播控制以提高营运的经济效益。作为大连海事大学自动化专业的学生，我们有必要了解船舶相关的知识，包括船舶运动控制，船舶控制系统，船舶导航等的相关知识。并将储备的知识运用到以后的学习与工作中。 一、欠驱动船舶的控制器设计 首先我们先来聊聊船舶的驱动。由于船舶动力驱动结构具有非完整约束和典型的欠驱动特性,而且航行条件的变化、环境参数的严重干扰和测量的不精确性等又使船舶运动呈现出大惯性、长时滞、非线性等特点,采用传统的船舶控制方法已经不能满足控制要求,必须探索新的船舶控制方法。 欠驱动系统是指由控制输入向量空间的维数小于系统广义坐标向量空间维数的系统，即控制输入数小于系统自由度的系统[1]。欠驱动船舶模型一般都具有非线性运动方程的形式，欠驱动船舶模型一般都具有非线性运动方程的形式，欠驱动船舶模型一般都具有非线性运动方程的形式，约束都是不可积的微分表达式,属于非完整系统。 研究欠驱动船舶的控制器设计也具有非常重要的现实意义。一个欠驱动船舶以较少数目的驱动器来完成航行任务,降低了系统的费用及重量,提高了营运效益,同时也会因控制设备的减少而降低船舶机械故障的发生率,使系统运行更加稳定而易于维护。更为重要的是,欠驱动控制同时对船舶完全驱动系统提供了一种备份控制技术。如果全驱动系统遇故障不能正常运行时,可采用欠驱动船舶控制策略,利用仍在工作的控制器对船舶进行有效控制,增大设备出现故障时系统的可靠性。 正是由于上述原因,对欠驱动船舶的控制研究得到了广泛重视并成为控制领域的研究热点之一[2]。作为一种特殊的非线性控制方法,欠驱动船舶控制技术的发展目前还存在着很多问题,有待于更多的科技工作者致力于深入的研究。为了促进欠驱动船舶控制技术的发展,本文在查阅有关资料的基础上,对欠驱动船舶数学模型、控制方法及其发展做了较为详细的综述,并对该领域存在的问题以及可能的发展方向进行了探讨。 如果把船舶作为一个刚体来研究,则船舶的运动有六个自由度,称之为横摇、纵摇、艏摇、横荡、纵荡和垂荡。考虑常规船舶水平面运动的控制,所关心的主要是船舶在水面上的位置和航向,而且就低重心的普通船舶而言,垂荡、纵摇和横摇对其水平面运动影响甚微,可以忽略。因此水面船舶的六自由度运动就可以简化为沿x方向前进、y方向横移及绕z轴旋转(艏摇)的三自由度运动。由于船舶的推进装置仅装备有螺旋桨推进器和船舵,也就是说系统只有2个控制输入(前向推力和旋转力矩),但需要同时控制船舶在水平面运动的3个自由度,因此对常规船舶平面运动的控制研究可归结为欠驱动控制问题。 上述的船舶的控制问题 ,船的质量和阻尼矩阵都假定为三角阵 ,船舶模型参数和环境干扰的不确定性也被忽略 ,都是在理想的条件下对船舶进行镇定Π跟踪控制。

基于Simulink的船舶运动模型的建立与仿真

摘要 船舶运动数学模型是船舶运动仿真与控制问题的核心。目前，船舶运动数学模型建模中主要有两大流派：以Abkowite为代表的整体型结构模型和日本拖曳水池委员会（JTTC）提出的分离型结构模型，简称MMG模型。本文主要是对于船舶的回转运动进行研究，采用的是MMG模型。根据13000T散货船的主要参数，通过计算求出所需的相关量，建立了船舶的线性响应型模型。在此模型的基础上，利用MATLAB中的Simulink模块将此数学模型在该软件中建立一个仿真模型。在Simulink中对建立的仿真模型进行运行得到船舶运动参数。通过Simulink的外部模式将仿真结果变成实时输出数据，利用RS232发送并接受数据，用Visual C++连接数据库和RS232的数据提取，再利用Visual C++与SQL的接口读取数据，并通过OSG进行实现船舶回转运动的可视化虚拟仿真。 关键词：船舶回转运动；数学模型；Simulink；视觉仿真；OSG

Abstract The ship motion mathematical model is the problem’s core about the ship motion simulation and control. Currently, there are two major schools in the ship motion mathematical model’s modeling: the overall structure model represented by Abkowite and the separation of structure model referred to as the MMG model proposed by the Japan Towing Tank Committe e (JTTC). This article mainly research on the rotary movement of the ship, using the MMG model. Based on the 13000T bulk carrier’s main parameters, we obtain the required relevant amount by calculating. Then we establish the linear response model of the ship. On the basis of this model, we transfer this mathematical model into a simulation model with the Simulink module of MATLAB. In Simulink, we get the ship motion parameters through running the simulation model. Through Simulink’s external mode, we converse the simulation results into real-time output data, using a standard serial port RS232 to send and receive data. Then we use Visual C++ to connect the database with RS232 data extraction. Using Visual C++ interface with SQL to read database, and conducted by OSG to enable visualization of the ship turning motion of the virtual simulation. Keywords: ship turning motion；mathematical model；Simulink；visual simulation；OSG

船舶推进学复习考试资料

《船舶推进学》复习思考题 第二章螺旋桨的几何特性 1.按照系列图谱资料，至少要确定哪些几何参数就可以确定螺旋桨的形状？ 答：螺旋桨的叶数、盘面比、直径。 2.等螺距螺旋桨在不同的半径处的螺旋角是否相等？随着半径的增加，螺距角是增加还是减少？ 答：不相等，由tanθ=P/2πr知等螺距螺旋桨的螺距角在r增加时减少。 3.等螺距螺旋桨和变螺距螺旋桨的螺旋面是怎样形成的？ 答：母线与轴线成固定角度，并使母线以等角速度绕轴线旋转的同时以等线速度沿轴线向上移动，则母线在空间所绘的曲面即为等螺距螺旋面。 母线与轴线成固定角度，并使母线以等角速度绕轴线旋转的同时以随半径递增线速度沿轴线向上移动，则母线在空间所绘的曲面即为变螺距螺旋面。 4.为什么桨叶一般具有侧斜和纵斜？ 答：不对称桨叶的叶梢与参考线间的距离Xs称为侧斜，相应之角度θs为侧斜角。若螺旋桨叶面是斜螺旋面，则参考线与轴线的垂线成某一夹角ε，称为纵斜角。合理选择桨叶的侧斜可明显减缓螺旋桨诱导的船体振动。有纵斜的目的在于增大桨叶与尾框架或船体间的间隙，以减小螺旋桨诱导的船体振动，但纵斜不宜过大（一般ε<15o）,否则螺旋桨在操作时因离心力而增加叶根处的弯曲应力，对桨叶强渡不利。 5.桨叶上辐射参考线OU的含义是什么？ 答：为了正确表达正视图和侧视图之间的关系，取叶面中间的一根母线作为作图的参考线，称为桨叶参考线或叶面参考线。 第三章螺旋桨基础理论及水动力特性 1．理想推进器作为发生推力的工具来说，其理想效率为什么不可能等于1？ 答：推进器必须给水流以向后的诱导速度才能获得推力，ηi A= V A/( V A + 1/2u a)可知，理想推进器的效率总是小于1. 2.试用理想推进器理论说明下列问题: (1)为什么内河船常采用双桨而较少采用单桨？ 答：内河由于吃水受限，船桨的直径不能很大，常采用双桨来提高整体推力，公式R=Zp·Ti.，Zp为桨叶数，Ti.为一个桨的推力。 （2）当船舶吃水受限时，为什么常采用隧道型艉？ 答：ηiA=2/(1+ 2 A oV ι ρ σT T= 1/2A ，Ao=1/4πD 2,对于船舶吃水受限，由于V A一定，船 舶阻力一定，常采用隧道艉以增加直径，从而提高船舶推进效率。 （3）拖轮拖带时其螺旋桨的效率为什么较自航船的低？ 答：对于拖船来说，其拖带时所需要的有效推力，必须克服拖船本身的阻力和拖船拖带时拖钩上的拉力，比 直航时的大，由ηiA=2/(1+ ),2 A oV ι ρ σT T= 1/2A 知，推进效率比直航时低。 （4）在一般船上为什么不采用空气螺旋桨的推进方式？ 答：由ηiA=2/(1+ ),2 A oV ι ρ σT T= 1/2A 知，空气密度远小于水的密度，所以推力小的多。 （5）导管螺旋桨为什么可以提高效率？ 答：采用导管桨可以限制尾流截面A1的收缩，提高A1就可以提高效率ηiA，公式ηiA

第1章 船舶操纵基础理论解读

第一章船舶操纵基础理论 通过本章的学习，要求学员概念理解正确，定义描述准确，对船舶操纵性能够正确评估，并具有测定船舶操纵性能的知识。 根据船舶操纵理论，操纵性能包括： 1）机动性（旋回性能和变速运动性能） 2）稳定性（航向稳定性） 第一节船舶操纵运动方程为了定量地描述船舶的操纵运动，我们引入船舶操纵运动方程，用数学方法来讨论船舶的运动问题。 一、船舶操纵运动坐标系 1．固定坐标系Ox0y0z0 其原点为O，坐标分别为x0，y0，z0，由于我们仅讨论水面上的船舶运动，因此，该坐标系固定于地球表面。 作用于船舶重心的合外力在x0，y0轴上的投影分别为X0和Y0 对z0轴的合外力矩为N

2． 运动坐标系Gxyz 其原点为点G （船舶重心），坐标分别为x ，y ，z ，该坐标系固定于船上。 这主要是为了研究船舶操纵性的方便而建立的坐标系。 x ，y ，两个坐标方向的运动速度分别为u 和v ，所受的外力分别为X 和Y ， 对z 轴的转动角速度为r ，z 轴的外力矩为N 。 二、 运动方程的建立 根据牛顿关于质心运动的动量定理和动量矩定理，船舶在水面的平面运动可由下列方程描述： y 0

??? ??===? Z og o og o I N y m Y x m X 该式一般很难直接解出。为了方便，将其转化为运动坐标系表示，这样可以使问题大为简化。经过转换，得： ?? ? ??=+=-=r I N ur v m Y vr u m X Z )()( 该方程看似复杂，但各函数和变量都与固定坐标系没有关系，因此，可以使问题大为简化。 三、 水动力和水动力矩的求解 对于上述方程中的水动力和水动力矩可表示为： ?? ? ??===),,,,,,(),,,,,,(),,,,,,(δδδr v u r v u f N r v u r v u f Y r v u r v u f X N Y X

船舶静止在波浪上的外力计算

船舶静止在波浪上的外力计算 一、整体计算过程（计算思路） 两个假设： 1、假设船舶以波速在波浪的前进方向上航行，即船与波的相对速度为零； 2、假设船体是在重力和浮力作用下静平衡于波浪上的一根梁。 计算思路： 1、船舶外力计算的目的是进行强度校核，应保证： []max σσ≤ 其中，max σ为船体断面最大正应力，[]σ为许用应力。 2、应力计算根据梁的弯曲理论由下式给出： M Z I σ=? 其中，M 为计算断面的弯矩；I 为横断面绕水平中和轴的惯性矩；Z 为计算应力点到中和轴的距离。 3、船体梁在载荷作用下纵纵弯曲产生的弯矩有两部分构成：静水力弯矩和波浪附加弯矩： s M M M ω=+ 整体计算步骤： 1、计算不同装载状态下静水弯矩和波浪附加弯矩以及静水剪力和波浪附加剪力； 2、计算总纵弯矩； 3、计算船体断面的最大正应力； 4、根据许用应力进行强度校核。 波浪要素和装载状态： 1、计算波浪附加弯矩时，标准波浪的波形取为坦谷波； 2、应考虑四种装载状况：满载出港、到港，压载出港、到港

二、各部分计算过程详解 1、静水弯矩计算 两个必要条件：1）船体浮力等于重力；2）重心和浮心在同一铅垂线 静水弯矩计算核心公式： ()()() ()()()()00x x q x x b x N x q x dx M x N x dx ω=-?=???=? ?? 静水力弯矩计算步骤： 1) 绘制重量曲线； 2) 绘制浮力曲线； 3) 求出重量曲线和浮力曲线的差值()q x ，作为船体梁的载荷强度； 4) 根据上面的公式计算静水弯矩。 重量曲线绘制方法： 绘制重量曲线时，必须根据静力等效原则合理分布，满足以下四个要点：重量不变，重心不变，范围一致，均匀分布 围长法：核心是假设船体结构单位长度重量与剖面围长成比例； 抛物线法：核心是假定船体与舾装品总重量构成的重量曲线可以用抛物线和矩形之和来表示； 梯形法：将船体重量近似地用梯形曲线表示； 局部性重量：根据静力等效原则进行合理分布。 浮力曲线绘制方法： 浮力曲线由邦戎曲线得出，由于船舶并非处于平浮状态，所以必须进行纵倾调整，调整方法为解析法和逐步近似法，其中逐步近似法计算过程： ● 按给出的平均吃水m d ，浮心纵向坐标b x ，水线面漂心f x 以及纵稳心半径R ，计算首尾吃水： 22g b f m f g b a m f x x L d d x R x x L d d x R -???=+- ??????-???=-+ ????? ● 确定首尾吃水后，利用邦戎曲线求出对应吃水线时的浮力曲线，可计算出排水体积1V 和浮心纵向坐标1b x 的第一次近似值； ● 将求的的两个数值与给定的排水体积0V 及重心纵向坐标g x 比较，相差较大时，必须作第二次近似计算，由下式确定新的首尾吃水：

船舶转心在操船实践中的运用

船舶转心在操船实践中的运用 惠州港引航站陈国平张曾华 0引言 船舶转心是指船舶作旋回运动时，船舶的回转中心。转心的位置是旋回中某瞬时的旋回中心，因此转心又称为“瞬时转动中心”。可以把船舶运动看作成一个保向斜航运动和绕转心的旋回运动的合运动。船舶转心是一个动态的点，在船舶无左右横倾时，对水运动速度V及船舶方型系数C将直接影响转心在船舶首尾线上的位置。当船舶对水前行时，船舶转心移至重心之前，速度V越大则转心前移得越多，反之亦然。对于船长和吃水相同的船舶，方型系数CB越小其转心前移越多；由于军舰的方型系数较小，因而其转心的位置越靠前移，不利于船舶旋转，因此需要安装多部推进器，加以克服。当在离转心越远处对船舶施加外力，则船舶越容易旋转；而在转心附近处对船舶施加外力，则船舶旋转效应差，越接近转心处，旋转效果越差。 在船舶掉头、侧推使用、船舶避让、拖轮协助等多方面都涉及船舶的转心。把握好船舶的转心，利用好转心的作用，能给船舶操纵带来许多方便；但是，如果对转心利用不好，则会给船舶驾驶带来麻烦。 1船舶转心的变化规律 船舶运动的同时推开其周围的流体，而周围的流体又来填充之前被船舶所占据的空间。当船舶相对于水向前运动时，紧贴船艏处的水在瞬时被加速(即水压力很大)，当该水流速度达到与船速相同时，可把水看作是一个与船舶融合在一起的一个整体，即无形中增加了船舶的虚拟质量或称附加质量。而船尾处由于水流(伴流)速度已经被提起来了，即加速度很小，其水压力也就很小，因此其产生的附加质量就小得多。船舶在静止的情况下，船舶转心随船舶重心变化而作同向变化；当船舶相对于水向前运动时，相当于船艏处增加了重量，重心前移，船舶转心也就自然向前移动。至此，我们可以得出以下转心变化规律的解释：船舶对水运动速度越快，其顶流的一面船舶受到的水压力越大，产生的附加质量也就越大，重心朝顶流面移动，船舶转心也就朝顶流面移动。所以，当船舶对水向前运动，则船舶转心移至重心之前，相对速度越快，转心前移越多；船舶对水朝后运动时，船舶转心移至重心之后，且对水运动速度越快，船舶转心后移也越多。在研究船舶转心时，通常不考虑风压力的影响。其实风压力对船舶转心的变化也是有一定影响的，由于空气密度远小于水密度，其所能产生的附加质量要小得多，因此研究转心变化规律时，对于船舶就只需要考虑水压力的影响即可。2转心的运用实例 2.1拖轮协助船舶旋回掉头时转心的运用 见图1所示:①至④为拖轮的四个作用点，既可拖也可顶，当船 舶对水朝前运动时，即SPD >0，当利用拖轮来控制船舶朝有转右时， 我们来比较①至④四个作用点的旋回效果(朝右转向则图示中①和④ 为顶推点，②和③为拖拉点)。由于船舶朝前运动，转心前移至 接近船艏位置，③和④的作用力臂远大于①和②的作用力臂，因此③ 和④的作用效果远大于①和②的作用效果。而一般施加的拖力其效果 仅为顶推力的70%左右。因此，我们很容易得出以上四点受力的旋回 效果的大小顺序为:④>③>①>②。图1拖轮作用位置图

船舶动力定位技术简述

1.动力定位技术背景 1.1 国外动力定位技术发展 目前，国际上主要的动力定位系统制造商有Kongsberg公司、Converteam公司、Nautronix公司等。 下面分别介绍动力定位系统各个关键组成部分的技术发展现状。 1．动力定位控制系统 1)测量系统 测量系统是指动力定位系统的位置参考系统和传感器。国内外动力定位控制系统生产厂家均根据船舶的作业使命选择国内外各专业厂家的产品。位置参考系统主要采用DGPS，水声位置参考系统主要选择超短基线或长基线声呐，微波位置参考系统可选择Artemis Mk 4，张紧索位置参考系统可选择LTW Mk，激光位置参考系统可选择Fanbeam Mk 4，雷达位置参考系统可选择RADius 500X。罗经、风传感器、运动参考单元等同样选择各专业生产厂家的产品。 2)控制技术 20世纪60年代出现了第一代动力定位产品，该产品采用经典控制理论来设计控制器，通常采用常规的PID控制规律，同时为了避免响应高频运动，采用滤波器剔除偏差信号中的高频成分。 20世纪70年代中叶，Balchen等提出了一种以现代控制理论为基础的控制技术-最优控制和卡尔曼滤波理论相结合的动力定位控制方法，即产生了第二代也是应用比较广泛的动力定位系统。 近年来出现的第三代动力定位系统采用了智能控制理论和方法，使动力定位控制进一步向智能化的方向发展。智能控制方法主要体现在鲁棒控制、模糊控制、非线性模型预测控制等方面。 2001 年5 月份，挪威著名的Kongsberg Simrad 公司首次展出了一项的新产品—绿色动力定位系统（Green DP），将非线性模型预测控制技术成功地引入到动力定位系统中。Green DP 控制器由两部分组成：环境补偿器和模型预测控制器。环境补偿器的设计是为了提供一个缓慢变化的推力指令来补偿一般的环境作用力；模型预测控制器是通过不断求解一个精确的船舶非线性动态数学模型，用以预测船舶的预期行为。模型预测控制算法的计算比一般用于动力定位传统的控制器设计更加复杂且更为耗时，主要有三个步骤：1.从非线性船舶模型预测运动；2.寻找阶跃响应曲线；3.求解最佳推力。控制器结构如图所示[1]： 图1.1Green-DP总体控制图

船舶操纵

目录 第一章船舶操纵性能 第一节船舶旋回性 （三副：船舶旋回性和舵效） 第二节航向稳定性和保向性 （三副：船舶航向稳定性） 第三节船舶的变速运动性能 （三副：船速与冲程） 第四节船舶操纵性试验基本知识 第五节IMO船舶操纵性衡准适用的船舶和基本内容 第一章船舶操纵性能 第一节船舶旋回性 大副知识点1：船舶旋回运动三阶段 【典型考题】 1．直航船操一定舵角后，其转舵阶段的______。 A．横移速度较小，横移加速度较小 B．横移速度较小，横移加速度较大 C．横移速度较大，横移加速度较大 D．横移速度较大，横移加速度较小 参考答案：B 解析：第一阶段亦称转舵阶段，船舶从开始转舵起至转至规定舵角止一般约8-15s，横移加速度v 和旋回角加速度r 均较大，旋回角加速度在此阶段可达最大值。由于船舶运动惯

性的原因，船舶重心G 基本上沿原航向滑进，横移速度v 和转向角速度r 变化绝对值不大。 2．船舶操舵后，在转舵阶段将______。 A ．出现速度降低、向转舵一侧横倾现象 B ．出现速度降低、向转舵相反一侧横倾现象 C ．出现速度增大、向转舵一侧横倾现象 D ．出现速度增大、向转舵相反一侧横倾现象 参考答案：A 解析：在舵力转船力矩M δ的作用下，船首有向操舵一侧回转的趋势，重心则有向操舵相反方向的微量横移，与此同时，船舶因舵力位置比重心位置低而出现少量内倾。因此，该阶段也称为横移内倾阶段。 3．直航船操一定舵角后，其过渡阶段的______。 A ．转向角速度为变量，角加速度为常量 B ．转向角速度为常量，角加速度为变量 C ．转向角速度为变量，角加速度为变量 D ．转向角速度为常量，角加速度为常量 参考答案：C 解析：第二阶段亦称过度阶段，诸指标均为变量。该阶段中，船舶的旋回角速度、横移速度和漂角均逐步增大，水动力F w 的作用方向由第一阶段来自正前方，逐渐改变为来自船首外舷方向。由于水动力F W 作用点较重心更靠近船首，因而产生水动力转船力矩M δ，方向与舵力转船力矩MJ 一致，使船舶加速旋回；与此同时，随着旋回角速度的不断提高，又会产生不断增大的船舶旋回阻矩，从而使旋回角速度不断降低，角速度的增加受到限制。 【点评1】阶段中船舶的运动特点是： 1）船舶降速明显。其首要因素是船舶斜航时水动力F w 的纵向分力F wx 的增加，如图（a ），其次是舵力P n 的纵向分力P nx ，旋回运动产生的离心力Q 的纵向分力Q x 以及旋回中推进效率的下降。 2）由反向横移变成向操舵一侧正向横移。原因是船舶在旋回中，随着漂角β的增大，水动 力F w 不断增大，而舵力却有所下降，以致F W 的横向分力大于P n 的横向分力。 3）船舶出现外倾并逐渐增大。其原因是舵力横向分力P ny 、水动力横向分力F wy 以及旋回中产生的离心力的横向分力Q y 作用于船舶垂直方向的不同位置，构成了力矩，从而使船舶由初始阶段的内倾变为外倾。如图（b ）所示。 【相关考题】 4．直航船操一定舵角后，其过渡阶段的______。 A ．横移速度为变量，横移加速度为常量 B ．横移速度为常量，横移加速度为变量 .C ．横移速度为变量，横移加速度为变量 D ．横移速度为常量，横移加速度为常量 参考答案：C 解析：见本知识点点评1

船舶操纵运动波浪力计算

船舶操纵运动波浪力计算 2.1 不规则波入射力计算模型 依据概率统计理论，不规则波的波面可以看作是由一系列具有不同的频率、波数、波幅、传播方向以及随机分布初相位角的规则波叠加而成。在实际应用中寻求海浪的统计特性，通常采用“波能谱”的概念来描述海浪。 海浪形成的过程是风把能量传递给水的过程。这一过程大致可分为两个阶段，第一阶段为波浪生长阶段，当风最初作用于海面上时，海面开始出现较小的波，随着时间的增长，风不断地把能量传递给水，波浪越来越大，显然这一阶段海浪是比较复杂，其统计特性随时间不断变化，这一阶段的海浪描述描述相当复杂。但是，当波浪渐趋稳定时，波的能量达到一定值，其统计特征基本上不随时间变化，为了这一阶段海浪的数学描述，应用波谱密度函数，从大量观察分析结果表明海浪以及船舶在波浪中的运动等均属于狭带谱的正态随机过程，因此基于以下假设： 1．波浪为弱平稳的、各态历经的、均值为零的正态(高斯)随机过程。 2．波谱的密度函数为窄带。 3．波峰(最大值)为统计上独立的。 由波的方向性谱密度，不规则波的波面可用下列随机积分表示来描述： ??- ∞ +-+=220 ),(2)],()sin cos (cos[),,(π π?θωθωθωεωθηθξηξ?d d S t k t （2-1） 其中，),(θω?S 为波谱密度函数，表示了不规则波浪中各种频率波的能量在总能量中所占的份量。 仅考虑波沿主浪向运动的情况，并将式（2-1）转化为随船坐标系下表示为： ?∞ +--=0 )(2)]()sin cos (cos[),,(ωωωεωμμ??d S t y x k t y x e （2-2） 为了方便计算，将波能谱密度函数进行离散，用求和形式代替上式的积分如下： ∑=+--?=n i i ei i i t y x k S t y x 1 ])sin cos (cos[)(2),,(εωμμωω?? （2-3） 其中，相位角i ε可视为均匀分布在（0，2π）区间内的随机变量。 由于不规则波可看作是多个规则谐波分量叠加的结果，因而航行于不规则波浪中的船舶所受到的主干扰力仍然依据傅汝德-克雷洛夫（Froude-Krylov ）假设。 类比规则波主干扰力的推导过程，深水中不规则波浪对船体的主干扰力（力矩）仍然是对压力差沿船体表面进行的积分，同样将船体简化成箱体，经推广可得不规则波对船体的主干扰力和力矩的数学模型表达如下：

船舶运动控制的舵机仿真改进

第４７卷 ２０１８年７月 一一一一一一一一 一一一一一 船海工程 ＳＨＩＰ＆ＯＣＥＡＮＥＮＧＩＮＥＥＲＩＮＧ 一一 一一一一一一一一一一一一 Ｖｏｌ.４７ Ｊｕｌ.２０１８ 一 一一 ＤＯＩ:１０.３９６３/ｊ.ｉｓｓｎ.１６７１￣７９５３.２０１８.Ｓ１.０３３ 船舶运动控制的舵机仿真改进 张志恒?张显库?周韬 (大连海事大学航海学院?辽宁大连１１６０２６) 摘一要:基于大连海事大学校船 育鲲 轮海试数据?在已有舵机特性的基础上增加了小的航向偏差不操舵环节和舵效维持环节?建立非线性Ｎｏｍｏｔｏ模型和ＭＭＧ模型?进行仿真验证?仿真发现?在风浪流干扰作用下?在舵机特性中增加舵效维持环节模拟操舵响应缓慢特性?操舵频率和操舵幅度更符合航海实践?操舵效果与海试舵效基本一致?结果表明?用舵效维持模拟船舶操舵响应缓慢的特性更符合海试操舵效果? 关键词:船舶工程?船舶运动控制?仿真?零阶保持器?舵机 中图分类号:Ｕ６７５.７９一一一一文献标志码:Ａ一一一一文章编号:１６７１￣７９５３(２０１８)Ｓ１￣０１５４￣０７ 收稿日期:２０１８－０３－１１修回日期:２０１８－０４－１１ 基金项目:国家自然科学基金(５１６７９０２４)?中央高校 青年教师基本科研业务费(３１３２０１６３１５) 第一作者:张志恒(１９９１ )?男?硕士生研究方向:船舶运动控制和鲁棒控制 一一海洋运输是交通运输的重要方式?船舶运动控制是海洋运输研究的热点?实船实验是理论应用于实践验证的重要环节?但船舶实验成本较高?所以仿真实验成为研究者进行科研的重要手段?理论研究是更好工程应用的前提?本研究基于大连海事大学校船 育鲲 轮海试试验?根据舵角反馈器记录数据的特点?改进现有船舶运动控制仿真?本研究结合海试数据二船长经验及文献[１￣６]对航海操舵进行如下总结? １)船舶如果不是在受限水域掉头或紧急避让?多数不采用大舵角?通常用小舵角来抑制船舶偏转?用中等舵角来进行转向或正常避让? ２)根据经验?航海实践中好的海况不操舵的 航向偏差一般限定为?０.５?~?１.０??恶劣海况不操舵的航向偏差一般限定为?３?~?５?? 文献[７]采用自适应神经网络控制算法?船舶航向跟踪控制效果良好?但操舵频繁?文献[８]研究了二阶非线性多智能体系统的输出反馈同步控制?舵机操舵幅度小?操舵频繁?文献[９]基于ＲＢＦ神经网络对２艘船舶进行仿真控制?但舵角在?０.１?范围内频繁操舵?文献[１０￣１２]的操舵频率为每次０.３~３ｓ?对船舶航向保持控制 效果良好?但操舵频率较高?不符合航海实践?在航海实践中?舵机具有大惯性二舵角饱和和舵角速率限制二小的航向偏差不操舵二操舵频率低等特性?船舶运动的大惯性特点?时间常数为几十秒甚至是几百秒?操舵响应缓慢?在响应过程中舵角把定(维持)某个状态等待船舶状态调整?本研究以大连海事大学校船 育鲲 和 育鹏 为例?分别采用非线性Ｎｏｍｏｔｏ模型和ＭＭＧ模型进行仿真验证?基于Ｎｏｍｏｔｏ模型?给出了包含舵机惯性环节二舵角饱和和舵角速率限制特性的非线性模型?在此基础上?分别增加了小的航向偏差不操舵环节二时滞环节以及零阶保持器(Ｚｅｒｏ－Ｏｒｄｅｒ－Ｈｏｌｄｅｒ?ＺＯＨ[１３])环节的仿真对比效果?基于ＭＭＧ 模型?给出了包含舵机惯性环节二舵角饱和和舵角速率限制特性模型以及增加零阶保持器环节模型的航向保持控制和操舵的对比效果? １一准备工作 为了仿真研究中舵效更接近航海实践?对舵 机加入了小航向偏差不操舵二舵角维持(或舵角时滞)二舵机惯性环节二舵角饱和和舵角速率限制等特性?舵机仿真结构见图１?结合航海实践?小的航向偏差取?１.０??舵角维持(每间隔操舵一次)设定为１０ｓ?舵机惯性为一阶惯性环节１ Ｔｒｓ＋１?Ｔｒ ＝５ｓ?舵角范围为－３５?~３５??舵角速率范围为－５?/ｓ~５?/ｓ? 舵角维持环节和时滞环节对系统的响应产生干扰?控制输出不能很好地跟踪控制输入?根据文献 ４ ５１