船舶动力定位系统非线性估计滤波器的研究

船舶动力定位系统非线性估计滤波器的研究 哈尔滨工程大学 硕士学位论文 姓名:李萌 申请学位级别:硕士 专业:控制理论与控制工程 指导教师:付明玉 20090301 哈尔滨,程大学硕士学位论文 摘要 动力定位系统可以使船舶在海上保持一定的位置和方向，具有不受水深的限制、投入和撤离迅速等优点并且使船实现精确的机动。对于许多进行海上作业的船舶来说，动力定位系统都是必要的支持系统。 船舶在海面上的综合运动一般分为由风、流、二阶波漂力、推力器造成的低频运动和一阶波浪力造成的高频运动。由于高频运动仅表现为周期性的振荡而不会导致平均位置的改变，为了避免不必要的能量浪费和推力器的磨损，一般从船舶测得的综合位置信号分离出低频信号进行控制，因此，滤波在动力定位系统中起着非常重要的作用。 本文以动力定位船舶为研究对象，在合理的假设条件下，建立并推导出了简便的动力定位船舶的数学模型，并针对二阶波浪漂移力和海流等外界慢变的环境作用力和力矩，建立了环境力估计模型，并将——————————————————————————————————————————————— 其与船舶动力定位系统模型相结合 设计 领导形象设计圆作业设计ao工艺污水处理厂设计附属工程施工组织设计清扫机器人结构设计 了一种非线性估计滤波器。该估计滤波器既能完成动力定位系统需要的滤波作用，也能够从附有测量噪声的输出中估计得到船舶低频位置和运动速度，以及环境扰动作用力。 最后，本文以动力定位系统数学模型进行仿真，通过不加控制器，加入控制器无估计滤波器和加入控制器有估计滤波器等一系列仿真实验，验证了此非线性估计滤波器能够准确估计得到系统模型中的状态。 本文的研究工作集中在动力定位系统的滤波器上，重点探讨了非线性系统理论在动力定位系统中的应用，并对系统的稳定性做了详细的 分析 定性数据统计分析pdf销售业绩分析模板建筑结构震害分析销售进度分析表京东商城竞争战略分析 。文中做了大量的仿真研究，通过仿真结果来验证所提出算法的有效性。关键词:动力定位;非线性估计滤波器;船舶模型;环境扰动; 哈尔滨,,程大学硕十学位论文 ,,,,,,,, ,,,,,,;,,,,,,,,,,,,,,,,, ,,,,;,,,,,,,,,,,, ,, ;,, ,,,,,,,,,,,,,,,,,;,,,,,,,,,,,,,, ,,, 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——————————————————————————————————————————————— ,,,,,,,,,,,,,,;,,,,;,,,(,,圮,,,,;,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,( ,,,,,,,,:,,,,,,;,,,,,,,,,,,;,,，,证,,,,,,,,,,,,,,,,,;,,,,,,,,,;,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,;,; 哈尔滨工程大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明:本论文的所有工作，是在导师的指导下，由作者本人独立完成的。有关观点、方法、数据和文献的引用已在文中指出，并与参考文献相对应。除文中已注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体己经公开发表的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承塑。 日期:,,，『作者(签字):嗍年弓月,日 哈尔滨工程大学 学位论文授权使用声明 本人完全了解学校保护知识产权的有关规定，即研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权属于哈尔滨工程大学。哈尔滨工程大学有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件。本人允许哈尔滨工程大学将论文的部分或全部内容编入有关数据库进行检索，可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文，可以公布论——————————————————————————————————————————————— 文的全部内容。同时本人保证毕业后结合学位论文研究课 题 快递公司问题件快递公司问题件货款处理关于圆的周长面积重点题型关于解方程组的题及答案关于南海问题 再撰写的论文一律注明作者第一署名单位为哈尔滨工程大学。涉密学位论文待解密后适用本声明。 本论文(母往授予学位后即可口在授予学位,,个月后解密后)由哈尔滨工程大学送交有关部门进行保存、汇编等。口 作者(签字):硅询 日期:工,,‘年’月,日导师(签字):伽,觯。护,,日,, 哈尔滨。，:程人学硕十学位论文 第,章绪论 ,(,课题的背景及课题的意义 海洋这一广阔的水域，蕴藏着丰富的矿物资源、海洋生物资源和能源，是人类社会可持续发展的重要财富、研究和合理开发海洋，对人类的经济和社会发展具有重要的意义。随着科学技术的进步，全球经济的发展和人类活动空间的不断扩大，人们对海洋能源与海洋资源的需求不断增加，人们的活动范围也慢慢从沿岸、近海，扩展到更深的海域。人类已经进入了开发和利用海洋的时代。各种各样的水下活动，无论是民用的还是军事的，如海洋地址考察，油气开采，水产捕捞，海洋调查，水下考古，布雷扫雷等等都需要水面或水下船只的作业【,】。 随着对海洋开发的深入和地域的扩展，传统的多点锚泊系统已经不能满足深海地域定位作业的要求，船舶动力定位系统却能够很好地——————————————————————————————————————————————— 解决这一问题。以往，船舶在海上作业时，如果要求保持作业地点固定不变，人们通常采用锚泊系统实现定位。但是随着水深的增加，或作业地点水下情况复杂不允许抛锚，锚泊系统就很难完成其保持船位的任务了，动力定位系统就是在这种情况下随着科学技术的发展诞生了。 动力定位系统可以使船舶在海上保持一定的位置和艏向，具有不受水深限制、投入和撤离迅速等优点，并且可以使船舶实现精确的机动。对于许多进行海上作业的船舶来说，动力定位系统都是必要的支持系统。 动力定位系统最早的使命是钻取岩样，为钻取岩样，需在海底钻孔，而船应该浮在该孔上方。在钻孔过程中，船可以从该孔内任意方向移动一段水平距离。即船可以在以钻孔点为圆心的某一半径的圆内任意移动。有时这个圆称为回旋圈。如深海采矿的回旋圈半径通常要求为水深的,,,,。早期的动力定位勘探船“格洛马挑战者’’号曾收集水深达,,,,,英尺(约,,,,米)的岩心【,,【,,，假设定位精度水深,,，回旋圈半径也有,,,米。进行海洋科学考察时，需要在回旋圈内的定位时，’日,较长，必须考虑定位的能耗问题，希望节省定位消耗的功率。 随着近海,，:程的大规模建设和海洋资源的不发，为这些,,,程服务的技术, 哈尔滨,:稃人学硕十学侮论文 水平也在迅速发展。在这方面拥有先进技术与装备的国家，竞争——————————————————————————————————————————————— 中将占有明显的优势。海洋工程与陆地工程相比，对技术和设备的依赖性更大，要求更高。由于海洋环境复杂和多变，如果没有先进的技术和装备来支持，即使面对丰富的海洋资源，想予以不发和利用也是无能为力。新的联合国海洋公约法实施后，中国已拥有太平洋部分海域的优先勘探和不发权，这对我们是机遇，但更多的是挑战。海洋工程技术的需求同益迫切，而海上作业系统动力定位作为其中基础的关键技术，其发展则有着极为重要的意义。 对于水面船舶来说，动力定位系统的主要目的是实现水平面的位置和艏向的三个自由度的控制。水面船舶要受到风、海浪、海流的干扰，在这样的复杂环境下船舶受力也很复杂，其运动表现为耦合、非线性。其中，波浪造成的船舶位置的移动包含两部分。其一是二阶波浪力产生的慢漂运动使船缓慢地漂离原来的位置，动力定位系统需要对其加以控制;其二是一阶波浪力产生的高频往复运动。动力定位系统很难也没有必要对高频位移进行控制，因为这样会大大加速推力系统的磨损和能量消耗【,】，故必须在船舶估计中把这三个高频分量滤掉。为此本文采用一种非线性估计滤波器，期望能获得较好的滤波效果。 ,(,船舶动力定位系统概述 根据定位的方法不同可以把船舶动力定位划分为传统和现代两大类:(,)传统的锚泊定位 传统的锚泊定位是将锚抛出去，沉于海底，利用锚爪抓住海底，来抵抗外界对船舶的干扰力。它的优点是，锚是任何船舶都有的定位——————————————————————————————————————————————— 设备，不需要另外加装定位设备。缺点是，定位不准，而且抛锚、起锚时费力，机动性能差。最重要的是它还受到水深的限制，其有效定位范围在水深,,,米的区域。 (,)现代动力定位 现代船舶水面运动是依靠自身的动力，在控制系统的指挥下抵抗外界的干扰，使其保持某一艏向，并能悬停于水中任何一定点位置，当然也能完成(,)的功能。它具有不受海水深度及海洋环境影响、快速机动、快速响应天气的变化等特点。同时，它具有定位准确、迅速的优点。缺点是它必须在原有动力系统的基础上在需要定位的自由度加装辅助推进器或调节机构，来抵抗该 哈尔滨,,科人学硕十学何论文 自由度的外界干扰，因而增加了造价。同时，也具有较高的燃料消耗、位置控制依赖操作人员和设备、需要更多的人员来维修设备、在极端天气或浅水域和强潮汐下可能不能定位等缺点。目前，船舶特种运动系统一般用于特殊的船舶与潜器，如猎扫雷艇、打捞母船、打捞作业潜器、具有单点系泊功能的大型油轮、援潜救生母船、深潜救生艇等。以水面船舶为例，它们运动原理示意图如,,,所示。 图,(,现代船舶动力定位原理图 虽然动力定位不总是最经济的定位方法，使用传统的锚泊定位也有很多优点，但动力定位却逐渐成为很多作业最佳选择，这是因为海床上杂乱无章的布满了管道和其它设备，因此抛锚对管道和水源都有较高的破坏性危险。选择抛锚到平台而不是海床也很少使用，因为供——————————————————————————————————————————————— 应船越来越大，平台不足以承担布放系缆索的负荷。 船舶动力定位控制系统是通过集中手动控制或通过自动响应环境条件变化使海上设备的位置和艏向被控制或保持在给定范围内的系纠,’。也可以理解为:是,二种通过控制船上的推力器产生推力向量对风、浪和流的作用力进行补偿，以使水面船舶的位置自动地保持在给定范围内的技术【,】。 根据以上定义，我们可以理解为:船舶动力定位控制系统是指在有风、浪、流的干扰情况下，利用自身的推进装置使船舶保持一定的位置和角度或按照预定的运动轨迹运动。 船舶在水中运动，不可避免地要受到风、浪、海流等环境干扰的作用。为了顺利完成特殊的作业需求，如打捞、救生、海洋探测等，船舶应具有在海洋中任意运动的功能。 哈尔滨，:稗人学硕十学忙论文 ,(,国内外研究情况 由于船舶运动模型的非线性和模型不确定性，基于线性最优随机控制理论的动力定位系统存在很多不足。,,世纪,,年代以来，随着控制理论与技术不断取得新发展，其在动力定位系统中的应用成果也不断涌现。下面主要介绍一下目前在动力定位系统中的几个主要研究领域。 基于线性最优随机控制理论的第二代动力定位控制系统是用,,,,,,滤波器来完成滤波和状态估计的功能，该方法的主要缺点是必须将船舶运动的动力学方程在一些给定的艏摇角度值上线性化，——————————————————————————————————————————————— 通常将整个艏摇角度值包线划分为,,个工作点，每个工作点间隔为,萨。然后对于每一个线性化后的模型，再应用最优,,,,,,滤波器和反馈控制?,】【,】【,,,。由于上述方法系统计算时有,,个状态变量和,,,个状态协方差，因此系统在线计算量很大，而且其中的很多协方差值也是很难调整的。正因为基于线性控制理论的,,系统存在上述的问题，非线性控制理论在,,系统中的应用成了一个研究热点。挪威理工大学(,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,;,,,;,,,,,,;,,,,,,,)控制工程系的,,,实验室在这方面做了开拓性的工作，,,,,,,,(，(等人应用,,;,,,,,,,,,(后推)法为,,系统设计了一个非线性反馈控制器【,,】,,,】，避免了上述在假设条件下对船舶运动方程的线性化。文献【,,】【,,】进一步拓展了前面的研究工作，在,,系统的非线性观测器和反馈控制规律的设计中都提出了一些新的方法，并都给出了,,系统的稳定性分析。对非线性控制理论在,,系统中应用的研究，,,,,,,,(,(等人则将非线性滑模控制应用于,,控制系统中【,,,,,,,, 由于船舶负载和海况条件不同等因素导致的系统模型的不精确性，使动力定位系统性能受到了很大的影响。因此在解决稳定性方面存在优势的以控制理论和鲁棒控制得到了关注和研究。,。设计的优点是可以直接解决模型误差比较大的问题，比用,,,控制规律和,,,,,,滤波相结合的传统方法有更好的鲁棒性。文献【,,】中给出了将胃。设计方法应用到,,控制系统的三个步骤，首先利用经——————————————————————————————————————————————— 验和数学方法，将船体和环境干扰用一组线性模型表示出来，同时要保证系统有最大的鲁棒性;一旦模型选定，就要确定控制方程中相应的加权 函数 excel方差函数excelsd函数已知函数     2 f x m x mx m      2 1 4 2拉格朗日函数pdf函数公式下载 来满足设计要求;然后就可以利用现存的商用软件包柬为, 哈尔滨，:稃人学硕十学何论文 船体设计,,控制系统。 近年来，随着智能控制系统的发展，其在动力定位控制系统中的应用研究也受到了人们的重视。模糊控制有不依赖于对象的精确的数学模型，抗干扰能力强，响应速度快，鲁棒性好等特点。无疑，针对动力定位中无法建立精确的系统动力学模型以及不断变化的外部环境，模糊控制也是解决这个问题的一个有效途径。，,,,,等人首先在船舶的泊停中研究了模糊控制动力定位 【,,】，给出了其基本的模型，用位置及位置偏差作为控制器的输入量，推进器的力作为输出量。文献【,,】在前人的基础上，在模糊控制中加入自校正功能，在系统运动过程中根据外部干扰条件自动对控制策略进行调整，来提高模糊控制的精度。另外，文献,,,】在不同方面都对模糊控制在动力定位系统中的应用做了研究。由于神经网络具有自学习及非线性建模的能力，因此人们也研究应用神经网络在动力定位控制系统中【,,,。 除了上述从控制策略的角度提出了一系列新方法以外，直接通过对船舶在海上所受环境外力的实时计算，然后再通过推力器抵消这种干扰，即所谓前馈动力定位控制也是人们研究的一个领域。目前成熟——————————————————————————————————————————————— 的动力定位技术都是通过测量船周围的瞬时风速和风向来实现风作用力的前馈控制，己被证明可以相当大地改善动力定位系统的性能。而由于波浪漂移力的检测和计算十分复杂和困难，往往只能用反馈控制的方式来消除对于船舶所受到的波浪漂移力和流的作用力对船舶的影响。,,,,,,,等人在二级波浪漂移力的在线检测与实时计算方面做了一些研究工作【,,,，对实现波浪漂移力的前馈控制有着积极意义。 ,(,本文主要研究内容 为了避免动力定位系统采用,,,,,,滤波器时所带来的问题，本文以海平面上的运动船舶为对象，研究了一种非线性估计滤波器，论文的主要内容如下: ,(研究了船舶动力定位系统的数学模型。首先从动力学角度分析船舶运动的动念特性，以及对船体水动力模型的分析，获得了船舶的运动方程。随后给出了船舶动力定位系统中的低频运动模型、高频运动模型和推力器模型。由于船舶处在复杂的海况下，进一步探讨了环境扰动作用力模型，主要包括 哈尔滨，:程人学硕十学位论文 风、浪、流等环境作用力的数学模型。最后给出了某动力定位船舶的数学模型作为具体的仿真对象，并对此模型进行了验证。 ,(研究了一种环境力估计模型，该模型可用于描述由二阶波浪漂移力和海流等外部因素引起的慢变环境力和力矩。将该模型与船舶动力定位系统模型相结合，作为后面非线性估计滤波器的滤波方程，——————————————————————————————————————————————— 可以提高整个动力定位系统的定位精度。 ,(为了避免经典动力定位系统采用扩展,,,,,,滤波器时带来的问题，本文针对船舶动力定位系统模型的非线性特性，研究了非线性估计滤波器的设计问题。其系统稳定性通过李亚普诺夫稳定性定理和无源性分析得到了证明。 ,(以动力定位系统数学模型进行仿真，验证了此估计滤波器能够准确估计得到系统模型中的状态。 本文的研究工作集中在动力定位系统的滤波器上，重点探讨了非线性系统理论在动力定位系统中的应用，并对系统的稳定性做了详细的分析。文中做了大量的仿真研究，通过仿真结果来验证所提出算法的有效性。, 哈尔滨『(科人学硕，学何论文 第,章船舶动力定位系统数学模型 ,(,引言 船舶是一个运动物体，要了解它的运动就必须将整个船舶作为一个有一定特性的被控系统来研究。动力定位船舶就是一个漂浮在水面的运动物体，在完成动力定位任务时，受到,,,、浪、流的作用。船舶受到由这些环境因素而引起的外力和外力矩的作用就要漂离指定位置。为此就需要用动力定位系统的推力装置来抗衡这些外力和外力矩的作用。 本章将讨论描述船舶运动的动态数学模型以及造成传播漂移的外力和外力矩的海洋环境的数学模型。 ——————————————————————————————————————————————— ,(,船舶运动模型 在有风、浪、流共同作用的复杂海况下，无约束的船舶运动具有,个自由度。为了描述船舶在水平面的运动，必须建立两个坐标系统:地球固定坐标系,,耳,,和随船坐标系勉，两个坐标系的,轴指向地心，随船坐标系的原点取在船体的中心线上。 , 烈蔫) 图,(,船,,,【,运动示意,鞫 :,,,,舶的六自卜,度的运动可以分为两类:沿:,个随船华标轴的,:,,:复运动取,绕三个坐标轴的旋转运动。如图,(,所示，通常定义船内,的这六个运动为:纵荡，横荡，升沉(乖荡)，横摇(纵摇和艏撬。根据,,,,,的命辊规则”，， 哈尔滨,,稗大学硕，学何论文 六自由度的船舶运动通常可以由下述向量来描述: ,,,【井，,,玎，仍,【,，,，,,刁:,,矽，,，妒】,’ ,,吖，,,】,，,，,,“，,，,】,，,,,,,，？，，(,, 在此，，,?,,,表示固定坐标系下的船舶位置和角度向量;,?,,,表示在随船坐标系中的运动速度和角度向量。 对于动力定位控制系统，一般只考虑船舶在水平面上的纵荡、横荡和艏摇,自由度运动。因此定义向量叩,【,，,，妒,,表示船——————————————————————————————————————————————— 舶在固定坐标系下的位置和艏摇角度，向量’，,【“，,，厂,,表示船舶在随船坐标系中的纵荡、横荡和艏摇速度。 , ,, 图,(,固定坐标系与随船坐标系 由图,(,，两坐标系的相互转换关系为【,,】: 厅,,(？,), 式中:转换矩阵(,一,) ， ,(妒),,;,,‘,—,,,,,,,,缈 ,,;,,？，,,(,,,),,, 可以注意到:，(伊)对于所有的驴都为非奇异，且满足，。,(妒),,,’(妒)。,(,(,操纵方程 在动力定位中，操纵方程描述了海洋结构物在给定控制方向上的动态性能。为了获得船舶的操纵方程，本节从动力学角度来分析船舶运动的动态性能。 在讨论船泊受控运动时，常把船舶当成刚体，即假定它的形状、尺寸、质量及质量分布都不随时问改变(由于推进装置及船舶运动引起的形状和质 哈尔滨,:科人学硕十学位论文 量分布的变化另作处理)。引用牛顿关于质心运动和动量矩定理，船舶的运动可以用下列的方程组来描述‘,,,,,,,: ——————————————————————————————————————————————— ,,,,,峨,,,。,嘁 【?,,少(,?,) 其中，最。为作用于船舶的外力合力沿？,,方向的分量，,为作用与船舶的外力合力沿,,,方向的分量，,为作用于船舶的外力合力对通过船舶重心的铅垂轴的力矩，,为船舶质量，，，为船舶质量对通过重心的铅垂轴的惯性矩，,，,，妒分别是,，,和少对时间的二阶导数，即船舶重心,点的线加速度分量和船舶绕通过重心的铅垂轴的角加速度。 公式(,(,)虽然表面看起来很简单，并且可以直接描述船舶在空间的位置，但是由于其中外力的分量与船舶舯纵剖面相对于坐标轴的方向有关，这就给他们的计算带来很大的困难。为了克服这种困难，引入另一种坐标系一随船坐标系。 假定取随船坐标系原点,于船舶的重心,点重合，则作用于船舶的外力合力在两种坐标系轴上的投影有下列关系: ,,,。,,,;,,,，气,,,少(,,,)，‘,一目。,,,，丘;,,吵 其中，,和,分别是作用于船舶的外力在随船坐标系轴,,和,,上的投影。 同样，船舶重心,点的线速度矢量,在两种坐标系轴上的投影有如下关系: ,,刮啷旷粥,,【丸,“,,,杪，,;,,,(,(,) 其中，南为船舶重心,点的线速度矢量,在大地坐标系,,,轴——————————————————————————————————————————————— 上的投影，丸为船舶重心,点的线速度矢量,在大地坐标系？圪轴上的投影，,为船舶重心,点的线速度矢量,在随船坐标系,,轴上的投影，,为船舶重心,点的线速度矢量,在随船坐标系,,轴上的投影。 将式(,(,)的等号两边分别对时，’,,求导得:, 哈尔滨，:程人学硕十学位论文 ,一 如,,少少一少,似似嘶唧,,？,蛳,胗妒(,?,) 将式(,—,)代入式(,—,)，得: ,【气,:?二,聊,‘,西,,;,。,,吵～:二谚;,,,,,，,,,，，一(‘,“;,,,,,少二,,,;,。,,;,,)’,沙,,一一;,(,，、’ 将式(,—,)代入式(,—,)，得: 最,,,,,;,,,,,,,,,(,,,,,，,;,,?，舻,;,,, ，,,,,,,,，,;,,,，(“;,,少一,,,,,,，)沙】,,,,， 毋,,,,,,,,沙，,;,,,,，,(,;,,—,,,,少)矿】;,,, 一朋,如;,,缈,,,,,吵,(,,,,吵，,;,,,)杪】,,,, 整理式(,(,)，得:(,(,)、, ——————————————————————————————————————————————— 臃,州,,以(;,,,,蒜，,,,,薯嬲甚孑，，,,,芝,器【,,,沙,吵)，“矽(;,,,少,仁,，、, ,)】 即: ,,,,刮,,(口,,鬣 绕通过,点的铅垂轴的力矩方程也不改变，仍为: ,,乞妒 标系原点与重心重合时的船舶操作运动一般方程,,,】,,,】:(,(,,)在这两种坐标系中,轴的方向没有变化，依据质心运动的动量矩定理，(,,,,)利用随船坐标系和固定坐标系二者之间的关系，就可以推导得到随船坐 ,,(,,,(,一,,) ,目,肋(移，“沙) 【,,，,沙(,—,,) 下面考虑随船坐标系原点与重心不重合的情况，对于对称的船舶来说，我们取重心坐标为(,，,，,)，以,,、,表示重心的船舶运动速度，则可以得到重心与原点的速度关系为: ，,,,,,，, (,(,,,,) ，,,,乞一,杪 ,, 哈尔滨?掣人学硕十学何论文 ——————————————————————————————————————————————— 式中,为对重心的力矩，现以心表示，则原点的力矩为: ,,心，小(,，“,杪)(, 船体的转动惯量由移轴定理得:(,—,,) 乞,,，慨, ,聊,一,一,，,,),目 ,,(,:，,,，,，;),毋(,,,,)将式(,—,,)、(,(,,)、(,(,,)代入方程组(,(,,)中，再注意到，(,杪，则得:(,—,,) ，乞，，慨(口，甜，(),, 式(,一,,)和式(,—,,)都是船舶在水平面内操作运动一般方程，是我们分析船舶操纵运动的依据。按照,,,建模思想，将作用在船体上的外力和外力矩分为裸船体、螺旋桨、舵、风、波浪干扰力和力矩，则式(,(,,)变为: ,掰(厅一订一,,,),,,,，爿,，,,，,?, ,聊(口，,,，,,,),巧,，耳，匕，,,,(,—,,) ,，,,七,,,(,，,,、,,,口，,,，,,，,已,, 作用在船体上的流体动力及力矩按照产生的性质可分为惯性类和粘性类，式中的,,项可以写成: ,,,,,,，，, ,,。,巧，,, (,,,,) ——————————————————————————————————————————————— 【“。,,,，?? 式中，下标，、,分别表示惯性类流体动力和粘性类流体动力。流体惯性力是指物体在流场中做变速或旋转运动时，将迫使周围流体加速或减速，流体施加反作用于运动物体的力称为流体惯性力。在理想流体的假设基础上，按势流理论可推出: ，,，,，,,,一五,坩，五,,; ,,,五,矿，丑。，丑。户 【,,,五,,,,，久(,，“,)，(丑,一丑，),,(,,,,) 式中，，(、如:、丸即为船舶流体力学中附加质量和附加惯性矩。和,,,模型相对应，分别记作:一,，、,,,、,,,。如。和,非别对应丁二，和,。对于„般船舶，在非对称性不明显时，其值很小，可以忽略，则上式可写成: 哈尔滨’，:稃人学硕十学位论文 ，,,,一朋。，,’(,, ,,,一,，,—,,,, 【?，,一厶户 再把上式代入,,,数学模型，则操纵运动方程为:(,?,,)(，押，，，,)五一(朋，，,，)朋一慨，,,工,，叉(,，爿?，,。俐，,,坩，,，(,，脚，)眵，(朋，,,)崩，慨户,,，巧，,，,删，,眦。，?,(,,,,) (，盘，,,,、,，,,,(,,，,,,,,,，,,，,——————————————————————————————————————————————— ,，,咖,，,。。，,啉?, 其中，豫表示在随船坐标系下,轴的附加质量，,，,,表示,轴的附加质量，厶表示绕,轴的附加转动惯量。从实用角度，计算附加质量和附加转动惯量有两种方法，一种是,,,,,,在,,,,年通过大量平面运动机构的实验结果得出的回归公式，另一种是周昭明队元良诚三图谱进行了多元回归分析【,,,，得到回归公式如下: 鲁,,,杀,,,(,,,，?,,叩,,,争,?,去;?“,,争 ，,(,,,,,(台,(,，,(,,,,),,(,,,,矗,口, 鲁,,(,,,一,(,,,(,一,(,吾)一,(,,,考(,一。(,,,,)(,,,,) ，,(,,,,,(,一,(,,,鱼)一,(,,,,,一,—,(,,,(,,,),,，口,,、, 厶,而,,,,,,,(,,,,(,,,(,,,,)，,(,,去(,以,,,,),,,,所 常用的计算船舶转动惯量的公式如下: 乞,(,，,,)(羔)(,，曰,)二斗,,(,,,,) 公式考虑了船型、船舶的纵向尺度和船舶的排水量，与其他公式相比较为全面。式中，,为船舶的排水量，,为重力加速度，,为船舶长度，,为船舶宽度，,为船舶吃水，,为海水密度，,为船舶的方形系数。 ——————————————————————————————————————————————— 流体粘性力是指，船舶作为具有机翼形状之物体，当它以一定的漂角在水中做等速或不等速直线运动时，必将受到与来流方向垂直的升力的作用和与来流方向一致的阻力作用,?。这两种力在本质上是由于流体粘性造成的，,, 哈尔滨，:程人学硕十学付论文 因而统称为流体粘性力。大量研究表明，作用于裸船体上的流体动力是漂角?和转艏角速度厂的函数，随?变化更为突出。当船舶纵向速度较大而横向速度较小时，即?角较小时，描述流体动力的模型较多，也较为成熟。其中著名的有井上模型和贵岛模型。以下介绍较常用的小漂角时的流体动力模型一井上模型。小漂角时的流体动力模型一井上模型的无量纲形式为: ,,以。”,，,,,，,坩，以，(, 巧,,,，，,，(，,,，卜,，匕,，，,，匕厂，,， ?,,?,,，?，，，?,厂,，，，，,,,，，?,,,,(,—,,) 其中，,掰,为宜航阻力，,,,、,,、拜，(,为由于操纵运动引起的阻力，,,、,厂、,,、?,，,为线性水动力及力矩，瓦,,、匕,,厂,、珞，(,厂，、以，(,,,、?,。,,，(、,坩,为非线性水动力及力矩。 ,(,(,水动力项的求取 (,)直航阻力的求取 船舶在水中航行时会受到阻力，准确地估算出阻力的大小对于船——————————————————————————————————————————————— 舶运动数学模型的精度有着至关重要的作用【,,】(,,】【,,,。 直航阻力系数玩。为: ,,一音,,““(,?,,) 式中，,为船触湿水蔼积;,为船舶总阻力系数;,，为平均吃水。 船舶的湿水面积,可以表示为: 曰 ,,(,(,,,(，,(,,,，,(,,,,;,，,(,,,,?)?岛 ,,(,—,,) 式中，,为设计水线长，其他参数同前。 船舶总阻力系数的确定方法很多。国际卜应用较多的是休斯提出的三因次法。三因次法的表达式为: 墨,(灭,,,,,,，)，,。,(,,,,),,，,。 对式中的各项无因次化，可得:(,—,,)其中，,,为船舶的摩擦阻力;,。为船舶的粘压阻力;,。为船舶的兴波阻力。 (:,(,，,);，十;。，?((，(,—,,) 哈尔滨，:样人学硕十学位论文 其中，勺为船舶的摩擦阻力系数，;。，为船舶的兴波阻力系数，,;，为船舶的 粗糙度补偿系数。 ;，的计算按照第八届国际船模试验水池会议(，,,,)提出——————————————————————————————————————————————— 的公式计算: 。,面两,(,,, 气,孵 ,,, , (,,,,) ;。的计算: (,—,,) 其中，,、,的计算按照,本大阪大学提出的近似公式计算。见表,(,。 表,。, ,、,的近似计算公式 ,,,,,,, ,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,, ,,,,,,, ?勺的计算: ,,,,,,,,(口,,)们一,,,，,,?,，,(,,,,×,,。, 形状因子,的计算: ,,,,,—,(,,,,,,，,(,,,,,,,,，,(,,, (,,,,) ——————————————————————————————————————————————— (,,,,) 式中，,为船尾的丰满度。 ，(,,,,叮,(,(,一;,)，,(,木乙】 (,)其他纵向流体动力导数的求取 其他纵向流体动力的导数由松本的方法计算，具体如下: (,,,,) ,。,。(,,,,(。(,罢,,(,,,,,,,) ,，(，,(,(,,,,—,(,,),，( ,，，,,(,,,,,(,(,,,,兰， (,,,,) 另外，船舶吃水差,,对?有影响，贵岛胜朗给出下列修,,公式: ,,(,’),厶(,)(,，,(,,,,’) 其巾，巳，(,)为吃水謦,,,,时的系数。 (,—,,) 从模型实验结果水看，,。可,,町负，景级较小;,,从汁,:;『:机仿真结果 来看，,，，对模拟冉仆舟『，川转,，,问的影，忉很人。』，,,,,,，，,,，,,～然这对实冉竹揲 哈尔滨，:群人学硕十学位论文 纵运动的仿真不够，杨盐生认为在具体仿真时可以适当对“调整。 (,)线性流体动力导数的近似估算公式 ——————————————————————————————————————————————— ,,,,,(,,三,矿(詈五，,(,;,兰)(,，。(,,,。) ,，,,,(,,,,,三旯(,，,(,,,,)(,(,,) ,,，，,,,(,,,,,,,,(,一,?,,舌) ?，,,,(,,,:,,(,(,,,,,,)(,，,(,,,’)( 式中，叱,(以，,,),,为平均吃水，旯,,,(,,为展弦比，,,,,,,,,为吃水差，,,,,(,;,,,，,(,,,,,,)，,’,,,,,(为无量纲吃水差，其他参数同,,,『。 (,)非线性流体动力导数的近似估算公式 非线性流体动力导数无理论计算公式，只有进行系列船模试验通过整理试验数据找出它们与船型参数的关系。周昭明等人对井上图谱回归后给出下列公式: ,匕,,(,,,,,(,,,,,,—,(,,,(,一;:),,,】 ,匕,,(,,,,,,,,,(,,,,,，,(,,(,一,),,,】 ，匕,,(,,,,,,,(,,,,—,(,,,(,一;:),,,】 以,。(,,,,,,,,(。,。,，,(,。,,(,,,),—,,(,,,,(,,,),】 ——————————————————————————————————————————————— 蜘,(,枷一,,，,,,(,,,,(,,争,,(,,;,屯聊，。。 ，,,,,(,,,,(,,,),】 ,，(,,,,(,,,饥一,(,,,,，,(。,,,,(;,詈)】 刘正江在使用上式时，发现虬，和?,。误差很大，尤其是对,(。的网归，其计算与图谱所查值耷,差甚大，于是霞新对井上图谱进行回归，得到下列网归式:,, 哈尔滨，:稃人学硕十学何论文 ,仃 ,仃,,卜,侈,孙,，,口一,,口一,,等等,一?憎孵,,,曰一,,一曰， ,(,动力定位系统中的船舶高、低频运动模型 船舶在海平面上的运动分为高频运动和低频运动两部分，其中高频运动是由一阶波浪引起的船舶摇摆运动，而由风、流、二阶波浪以及推力器等作用力导致的船舶运动为低频运动。因此，船舶的真实运动是低频运动和高频运动的叠加，如图,(,所示。 图,(,船舶综合运动不恿图 ,(,(,船舶低频运动模型 根据文献,,,】，对于动力定位船舶来说，由于其运动速度往往很缓慢，因此,(,)项可以忽略，得到更简化的船舶低频运动模型为: ——————————————————————————————————————————————— ,,，，,,,?，，,,(，(,?,,) 其中，,，,，为推进器推力，,,,,((为环境作用力，惯量矩阵(包括水力附加质量)满足正定要求,,,,,,;,表示线性水动力阻尼系数，严格证定，矩阵结构如下: 『(肌一咒,,, ,『,一以,,,,肘,，,,肌一匕,『，,,,—,，，“,一蚱，:一,,，，,,,一,—,【,,一,。一?，,，(,,,,) 哈尔滨一,:稃人学硕十号:何论文 朋表示船舶质量，，，是转动惯量，流体动力在纵荡、横荡、艏摇三个方向上由于各自加速度引起的附加质量咒、,、,均被定义为负数;而,则是由于横荡和艏摇的耦合而引起的附加质量。肘和,中的元素可由公式(,,,,)计算。 前面讨论的都是在随船坐标系下的船舶运动模型，但是由于位置测量系统获得的是在固定坐标系中的位置信号，因此在船舶低频运动模型中我们必须考虑两个坐标系的相互转换关裂,,，【,,】: 厅,，(吵,(,,,,) 由式(,(,,)和式(,,,,)构成动力定位系统的船舶低频运动模型。 ,(,(,船舶高频运动模型 我们知道船舶的高频运动实际上就是对一阶波浪的响应，在纵荡、横荡以及艏摇三个自由度上都可以看做是附加了阻尼项的二阶谐波——————————————————————————————————————————————— 振荡器【,,,,,,,: 但,,,)郴),万最 【,,,,,磊式中，也(,,,，„，,)与波浪强度有关，相对阻尼系数缶(,,,，„，,)一般取值为,(,,—,(,，,，(,,,，„，,)为波浪,,,谱中的主导海洋频率，与波浪的有义波高有关。将式(,,,,)转换为状态空间形式，可以得到船舶的高频运动模型:,磊,,磊，毛绋(,,,,) 式中，彘,【最，岳，孝妒，毛，儿，仇】,;,为零均值高斯白噪声，,,,？，？(，,】,;瑰为三维向量，分别表示高频运动纵荡、横荡位置和艏摇角度; ,,,三。乏:,;毛,,呈,:,,【。，,;,,,,,,,,,以”《:，《。;,,,,,,,,,,(,,,,,，,厶？,，,厶？,,:?,,,,,,,,，,,，,,,; ,(,推进器模型 ,(,(,螺旋桨计算模型在船舶操纵运动中，螺旋桨的推力是,控力，用来克服水的阻力，所以 哈尔滨,,,,人学硕十学位论文 螺旋桨的流体动力模型是船舶运动建模中的一个重要部分。由于它被置于船体的尾部，受船体及其运动的影响极大。本文吸收了,,,的建模思想，在研究螺旋桨推力的计算方法时，先使用螺旋桨的敞水试验结果，在此基础上考虑船体对螺旋桨的干涉(伴流)，以及螺旋桨对船体的干涉(推力减额)，结合本文所研究的具体实际问题，——————————————————————————————————————————————— 给出正车情况下的螺旋桨力及力矩的计算模型。 ,(,(,(,螺旋桨推力及转矩计算模型 船舶在海上航行，尤其是在风浪中航行，一般是正车前进，既螺旋桨转速,,,，,,,，所以，根据本文所研究的实际工况，建立如下螺旋桨推力和转矩模型。 砟,(,一,,), ,,,,,,;砖(厶) 鳞,,,,,,(以)(,雄) 其中，,。为推力减额系数，,。为桨直径，刀为主机转速，,为流体密度，丁为桨推力;砖(,，，)、,(，,)分别为桨的推力系数和转矩系数，它们都是桨进速系数，,,(,,,,),,,,,的函数，,为螺旋桨处伴流系数，甜为船舶的纵向速度，,。为螺旋桨吸收的转矩。 ,(,(,(,螺旋桨处伴流系数和推力减额系数的计算 (,)桨处伴流系数的计算 船舶以某一速度向前航行时，船体周围将存在一股水流以某一速度随船，,,『进，这股水流称为伴流或迹流。伴流的存在使得螺旋桨附近流场中水流对桨的相对速度和船速不同，从而使得螺旋桨产生的推力与敞水桨也不同。两者的差别即为船体对螺旋桨干涉的流体动力，用螺旋桨处的伴流系数,。来体现这种差别。用理论的方法来计算,。是相当困难的，通常是根据船模试验结果或经验公式来确定。 平野雅祥搜集了当时发表的(,一,。)的试验结果，提出了一——————————————————————————————————————————————— 个实』,,模型: ,一,,,,,,,一?，，‘,,,,((’?;)(,,,,) 其中，试验系数(’,,,(,;螺旋桨处漂角?。,?一，:少’，?为船冉,,重心处漂角;，:为试验系数，几乎与工:(桨位胃的纵向无量纲啦标)„致，，:,一,(,,:少’ 哈尔滨,:榉人学硕十学位论文 为船舶艏摇角速度无量纲形式:,。。为船舶直航时的伴流系数，可由适用于海上运输船舶的泰勒公式计算: 对于单桨船 ,,,,(,,,—,(,,(,?,,) 对于双桨船 ,,,,(,,;,，,(,, (,)桨处推力减额的计算 螺旋桨在船体后工作，它的抽吸作用使桨盘前方的水流速度增大，该处压力下降，在螺旋桨吸水作用所及的真个范围是低压区。船尾处的低压导致了船体压阻力的增加。螺旋桨装于船后，改变了船体原来的流场，对船体产生干涉流体动力。螺旋桨在船后工作时引起的船舶附加阻力称为阻力增额(,,,),,。习惯上，桨,,称为推力减额，并以?,表示，即?丁,,,。定义推力减额系数,,为推力减额?丁与螺旋桨发出的推力,之比，即,，,,,,,。 松本给出(,一,。)的计算公式: ,—,，,(,一,,,)，,(,—,,) ——————————————————————————————————————————————— 其中，,,。为船舶直航时推力减额系数，参数厂由下式计算: ,,,，,, ,,,,(,,,,,(,，，‘,,,—,(,,, ,,(,,,),,，(,(,一,)一,(,乙】 乙,,,,,?,,,(,—,,) ,,,,一,,专 式中，,,为浮心纵向坐标;?为船舶重心处漂角:展为舵处的漂角;,可视为舵的纵向坐标，概念上应为一,,,，但大量的模型试验表明，厶,一,(,,—一,(,,;沙为艏摇角速率;,为船速。 船舶直航时的推力减额系数,。。可由汉克歇尔公式计算: 对于单桨 标准 excel标准偏差excel标准偏差函数exl标准差函数国标检验抽样标准表免费下载红头文件格式标准下载 型商船(,,,,(,,—,(,,) ,,,,,(,,,一,(,, 对于双桨标准型商船(,,,(,,一,。,,) ,,,,,(,,,,一,(,, ,,(,—,,)(,—,,) 哈尔滨。,:稃人学硕十学何论文 其中，？为船舶菱形系数。 ,(,(,(,螺旋桨推力系数和转矩系数的计算 桨推力系数,和转矩系数,通常用螺旋桨敞水特性曲线来表示，图,(,为根据某动力定位船舶螺距比,,？,,(,，得到的荷兰,型系列螺旋桨系列图谱。 ——————————————————————————————————————————————— ,( ,( ,( ,( 图,(,荷兰,型系列螺旋桨系列图谱 在船舶操纵运动特性研究中，可根据实船配置的螺旋桨类型，采用螺旋桨图谱计算桨推力系数和转矩系数。目的世界上已有不少性能优良的螺旋桨系列，其中比较著名、应用较广泛的螺旋桨系列图谱有: (,)荷兰,型系列螺旋桨系列图谱，其几何参数范围:桨叶数,,,—,，桨盘面比目,,(,,,,(,,，螺距比,,,(,,(,,,(,。 (,)同本的,,型螺旋桨系列图谱，特别是改进后的,,,型桨的空泡性能有所改善，其几何参数范围:,,,—,，目,,(,,一,(,,，尸,,,,,(,—,(,。 (,)瑞典的,,,,型螺旋桨系列图谱，该桨具有较简单的几何形状，其几何参数范围:,,,,,，口,,(,,,,(,,，,,,。,,(,,—,(,,。 一般来说，随船资料会给出本船螺旋桨的推力系数、转矩系数特性曲线。若没有这样的船舶资料，则应根据实船配置的螺旋桨类型，采用上述图谱计算推力系数和转矩系数。不同类型的桨的推力系数和转矩系数一般相差不大，故在实际仿真计算中可采用信息交全的图谱，如荷兰,型螺旋桨系列图谱，这样做已足够满足工程上的精度要求。——————————————————————————————————————————————— ,型系列图谱是由桨叶数,,,叶、,,个组系列、,,,只桨模试验结果绘制而成的。通常实用较多的是四叶和五叶螺旋桨。为了便于计算机模拟，可以将推力系数,,和转矩系数,表示为下式: 哈尔滨,,稃人学硕十学位论文 卜钏。扣一以扣,以(,,,,)【,,,,,，,,‘，如‘ 其中，,,、,。、,,和,,、,,、也为螺旋桨敞水特性曲线的回归系数。作者对螺旋桨敞水特性曲线进行二阶回归，得到推力系数,,和转矩系数,,的回归公式: 』辞,,,,,,,,,,,,,,,,,,,;一,(,,,,,,,,,,,,,,,以，仉,,,,,,,,,,,,,,,(,—,,)【,,(,(,,,,,,,,,,,,,,,;一,(,,,,,,,,,,,,,,,,,，,(,,,,,,,,,,,,,,,,(,(,舵计算模型 当前的船舶，无论是单桨单舵，还是双桨双舵，都希望利用螺旋桨的桨尾流增加舵效，故舵都装在船尾并置于螺旋桨后。因此在计算舵力及力矩时，要考虑到船体和螺旋桨对舵的干涉，以及船舶操纵运动引起的横向运动速度和旋转速度的影响。舵力及力矩计算模型为: 』,,(,一,)日,,,, ,,,(,，,,)只;,,, 【以,(,,，,靠),;,,,(,,,,) 其中，,为垂直于舵叶平面的正压力，艿为舵角(规定右舵为正)，,,为舵力减额系数，,片为操舵诱导船体横向力的修萨因子，,为——————————————————————————————————————————————— 舵中心到船舶重心的纵向距离，粕为操舵诱导船体横向力作用中心到船舶重心的纵向距离。,(,(,(,考虑螺旋桨、船体对舵的干涉时正压力的计算 安装在船、桨后的舵，其正压力,为: 只,一去。„’,,,,，?,一,„,,,,,(,;,,,,,(,,,,) 其中，,,为舵叶面积;,,为舵处来流有效流速;,。为舵处来流有效冲角;正为舵的升力系数;上在冲角,,,时的斜率，由藤井公式计算: 正,历,(,而,,(,,,,) 其中，舵展弦比五,,,,，,为展长，即舵高何舟，,为弦长，即舵宽风，上式适厢于,,,(,—,(,。由图,(,可知，计算船、桨后舵的正压力瓦关键在于对舵处柬流有效流 哈尔滨，:稃人学硕十学何论文 速,和舵处来流有效冲角唧的计算。 图,(,舵处来流有效流速和有效冲角 ,(,(,(,舵处来流有效流速及有效冲角的计算 流入舵的有效流速【，。表示为: ,,,,,;，《 其中，“。、,,分别为舵处有效流速的纵向分量和横向分量。(,?,,) 舵处有效纵向速度,詹，部分时由船体伴流流入舵的有效速度——————————————————————————————————————————————— “肋构成的，部分是由桨尾流中舵的有效来流速度”肋构成的。,月实质上是“舯、“却的加权平均值，即 甜月,?刁“知，(,一，,)“;, 其中，,,,,口,,，,骨为舵高。 考虑船体伴流时流入舵的有效速度“露。为: ,肿,,,,。(,,,,)(,,,,) 式中，试验系数占,(,一,，),,—,。)，对于船型较瘦的杂货船、集装箱船，舵处伴流系数(,一,)略小于(,一,);对于船型肥大的油轮，(,一,,)比(,,,)有略大的趋势，松本等根据试验数据得出下列估算公式: ,,,(，(,。,,。)一,(,,(,,,,) 舵处于桨尾流中有助于提高舵效，主要缘于螺旋桨的轴向诱导速度。计算桨轴向诱导速度一般有两种理论方法:动量理论方法和升力线理论方法。升力线理论方法极为复杂，在船舶操纵领域很少采用。一般是利用动量理论配以模型试验修正的方法计算桨轴向诱导速度，进而求得桨尾流，,,】舵的有效末流速度“胁。此外，计算桨轴向诱导速度还有野本(芳村法等。,,,曾对几种船型的肼,模进行了大量试验，结果表，圳采用动鬯理论,,法和野本一芳村法 哈尔滨，:稃人学硕十学位论文 计算得出的,肋与试验结果吻合较好。本文采用野本(芳村模型: ,勋,翻,，,,,,,(,一,)一,,】(,—,,) 其中，螺旋桨的滑失比,,,一“，,,,;,,为舵处增速系——————————————————————————————————————————————— 数，单桨单舵船取为,(,。将式(,,,,)、(,—,,)代入式(,?,,)中，整理得到舵处有效纵向速度“胃为: “月,占“,?,，,,,,,一(,一盯),,,(,一,), 其中，,,,,,?,(,,,。 记,(,),,,;,,,(,一,),,,,(,一,),，则 ～(,—,,) ,詹,铡。【,，,(,)】,(,?,,) 流入舵的横向有效速度为: 咋,??屏?,,?(?一厶芳)?矿(,,,,) 式中，?为船体的整流系数(其它符号同前)，贵岛胜朗给出如下近似式: ?,一,,(,(,,,,,,，,(,,(,,,)，。(,,(,,,,) 由于?由船模试验求得，在进行实船操纵性仿真研究时发现直接使用上述结果在精度上存在一定问题，在计算仿真时可适当调整。 舵处来流有效冲角,。为: 口詹,万一磊一缸(;,,,二, “膏(,,,,) 其中，磊为零正压力舵角，对于矩形舵由冈,,,式计算: ,,,一(,,,，,(,) ——————————————————————————————————————————————— 式中，滑失比定义为:(,—,,),,,,等,,一下(,,,,,),(,,,,),(,(,(,舵系数?、,(,，、,月、而、,,的计算 (,),膏为舵阻力减额系数，通常可以取为,,,(,,，若考虑船型对(,一，舟)的影响，可近似由下式表示: ,—,霄,,(,,,,,,(,,,,,,，,(,,,,;;(,—,,) 哈尔滨,:种人学硕十学位论文 (,),?为操舵诱导船体横向力的修正因子，经理论和实验研究发现，可近似由下式表示: ,(,，,,(,,,,一,(,,,,,,，,(,,,,,(,,,,) (,),。为舵正压力中心到船舶重心的垂向距离，可近似为乙,,,一日嚣,,，式中，,暑为船舶重心距基线的高度，心为舵高。 (,),骨为舵中心到船舶重心的纵向距离，一般可取,。,,,(,,。 (,)工?为操舵诱导船体横向力作用中心到船舶重心的距离，石,几乎不受船型影响，约为(,,(,一,,(,),，也可由下式计算: ,,,,(,(,，,(,;,),(,,,,) ,(,环境扰动力数学模型 动力定位系统中，船舶处在复杂的海况下，所受的外界环境力是——————————————————————————————————————————————— 时刻都在变化，导致船舶的平移和旋转。由式(,(,,)可以看出船舶所受到的全部作用力包括水阻尼力、外部环境作用力和推力。在本节中，我们将进一步探讨环境扰动作用力的模型，主要包括风、浪、流等环境作用力。通常来说，扰动力对船舶运动是相互影响和相互作用的。但在分析过程中，假定扰动作用力的叠加性成立，这样有利于简化船舶动力定位系统模型的建立。下面我们将简单讨论风、浪、流的数学模型。 ,(,(,风数学模型 在船舶和离岸建筑物的结构设计中，由风力引起的力和力矩只占整个结构载荷很小的一部分。但在涉及到船舶的操纵方面，例如动力定位、系泊系统等，由风引起的动态载荷对船舶的姿态有着重要的影响。,,,对船舶作用力主要作用于水线以上的主船体和上层建筑。研究船舶在风中的操纵运动性能，关键是建立,,,的干扰力和力矩数学模型。 哈尔滨。,:稗人学硕十学何论文骘 图,(,绝对风和相对风不意图 如图,(,所示，绝对风或真风是在固定于地球表面的惯性系?,,,内观察到的风，绝对风速用坼表示，绝对风向用风向角口,表示，本文规定绝对风向沿善轴正向，即？,,。。相对风是在水平的随船坐标系内观察到的风，相对风速用,表示，相对风向角(风弦角)用,表示，是船上用风速计测量的风速、风向值。,是船首到,来向间的夹角，规定顺时针为正，则风自右弦吹来时,,,，自左弦吹来——————————————————————————————————————————————— 时,,,，故,的变化范围,,,,。,,,,。。绝对风速玩是船速矿与相对风速玩之间的矢量和，故有: ,露,坼?, 将式(,—,,)投影到水平的随船坐标系,’、,’轴方向，得:(,?,,) 卜,坼,彤叫(,,,,)【?,,,‘ ,,,沙一, 上式，坼是绝对风速的量值;?、,为?的两个分量。风弦角按下面公式计算: 口,,,,;,觚卫，? “卫(,—,,) 式中，,为变量，表示为: ,:,,,,(,,)，?邳归,?,,,，(,(,,),‘另外，相对风速与绝对风速和船速，、日,还可以表示为: 哈尔滨，:样人学硕十导:佛论文 ?,,,,,,,,,,;,;;,;;;;,;,;,,,,,,,,,,,, ,,,,,,,划一,,,;,,?,(,,,,),,,,—,,,,?, (,—,,),,,,,,旯,,,经三角运算可得:,;,研，,,，,,,,,;,,(驴，一?) 值由下式计算: ——————————————————————————————————————————————— ?,,,;,,,(,,,,) 式中，,、,分别为船速纵向和横向的分速度。其中，?为漂角，船舶艏向到船速,之间的央角，逆时针为『,，?的数(,,,,) ,(,。,。,作用与船体上的平均风压力和力矩的计算 动各个方向上的分量量赢、?、风伽，可表示为: 矗伽,,(,成,娠,,(口詹)风作用在船体上层建筑上产生的流体动力戽粕和力矩厨?，在船舶运 ?,,(,成,明,，(口露) 矾帅,,(,,，,，,,，,,,,,(以月)(,—,,) 其中，见为空气密度:彳，为船体水线上的『,投影面积;,为水线上的侧投影面积;,为船舶的总长:,,(,)，,,(,)和?(,)分别为,’，,’方向的风压力系数及绕,’轴风压力矩系数。 ,(,(,(,风压力系数和风压力矩系数的估算 通常对所研究的每艘船都进行风洞试验是不切合实际的，人们在进行了大量的,,,洞试验的基础上，已给出了下列关于风力系数和风压力矩系数的近似估算方法。本文主要采用伊斯伍德(，,,,,,,,,)公式，，,,,,,,,,根据各类商船有关,,,压力的大量船模风洞试验结果按商船上层建筑各特征参数进行回归分析，得出计算,(，。(,)、,,(?)和,,,压力矩系数?(口丹)的回归方程: ,(?,以“芒，,等，,每，,专，,专，彳,, ?(?,俄蝎薏，毽等，毋每，日专，毽专，咯(,一,,)?——————————————————————————————————————————————— 如月),,，,薏，;等，,每，,专，;专其,,,’,为船航水线以,,的侧投影币,车;:的用,(除去桅卡,和通风筒等细 ,,,(匕,(,,,酬(,。; 哈尔滨，:科人学硕十学何论文 长物体以及水线长度);,为船舶水线上部分侧投影面积形心距船首的距离;肘为侧投影面积中桅杆或中线支柱的数目;,。;为船舶上层建筑的侧投影面积:其它符号同前。 ,(,(,海流数学模型 海流作用力还可以通过经验公式获得: 丘,三户曙,(晖)靠 ,,三,,,，(,，),,,(,,,,) ,,三,哆吒(?钆三 式中: 疋——一纵向力，, 酢,——纵向力，, 肛——艏摇力矩，,, :„流速，,,,夕——海流密度，砖,肌, 口(一——流向角，。 彳陋——船舶水下正投影面积，,, ,,, ,一船舶长度，,一船舶水下侧投影面积，,, 关于纵向力的求解方法如下:,,面丽,(,,,‘互,,屹,)——————————————————————————————————————————————— ，,, ,,(只羟)一,),,’‘一, 砌:匕～竺～丛生业 式中: ,旷„一流速，”，,,„一,,,,舶浸湿而积，,,,: 口(„——流向，冉(。 对,横向力和,月『,摇力翘,的求解?，丁以川聪,,:的博?:，,，(级数木求解:(,—,,)(,—,,) 哈尔滨，,:稃火学硕十学何论文 , ？(？),?,(,,,(,,，() 月,，, (,,,,) ,(,),?;(,,,,，,，) ,,, 对于五阶傅立叶级数的系数吃、？的平均值如表,(,所示: 表,(, 刀 吃 ,(,,,,(,,,(,(,,,,(,,,—,(,,, ,,;，，(,(,,,(,(,,,,(,,,,(,,,,(,,, ——————————————————————————————————————————————— ,,,,, 图,(,是通过计算获得的对于式(,—,,);, 图。 横向力乐赣 。 匕，心)’随流向角变化的曲线 哪 ,一,砷’抽。?前。’,,?,。‘、～ ， 一璜向力系载,删 ? 哪啪每,曼岱定基 聊 瑚 ,,, ， ,,,; ; 气 』 ,, 一,‘,,、“艚;一鼍,～‘。，, ——————————————————————————————————————————————— ,(，,忡 一 —’’、,,。一 ， , 。“, , ， “ , , ,, ? ,。 , ，‘”二?。,:一。,,。“:,,:。矗 丑同帛 图,(,根据经验公式计算得到的流阻系数 ,(,(,海浪数学模型 波浪的大小与风力、水域、季节等许多因素有关‘:,,,,, ,,，实际海浪是不规则的，即波浪要素是随时问变化的。据观测统 计表明:有,,,,的波高是平均波高的,倍，该波高称为最大波高， ——————————————————————————————————————————————— 有,,,的波高是平均波高的,(,倍，称该波高为三一波高或有义波高。波浪可分为风波和浪涌两大类，胍波是山风在 哈尔滨，:稃人学硕十学何论文 海上直接引起的波浪，周期为,一,,秒左右，在一般情况下波高最多为,(,米，但暴风时超过,,米的也不少见;涌浪是风浪成长区以外传播到远处的波浪，在传播过程中频率相近的波变得显著，短周期的波衰减较快，故周期一般较长，约为,,—,,秒，由低气压所引起的气象扰动海域处传出的涌浪有时还有更长的周期。 由波高、周期和相位等不同的两个以上的波所合成的波叫做合成波。海洋波浪是由具有多种波高【,科、周期和相位等的波浪组成的合成波，且波浪的行进方向(即波向)也不完全是同一个方向。这样复杂的海洋波浪，可以用统计分布或波谱来表示，但在海情的描述中一般采用特征值来表示，如有义波高(即把波浪观测资料按大小排列，从大的方面取出,,,个波数的波高的平均值，这样得到的波高与目测值相近)。为了研究海浪及其对动力定位船舶的影响，经常应用海浪谱理论。最常用的有,,,,,,,(,,,,,,,,,(简称,,谱)，，,,,推荐的海浪谱也是基于,,谱。这里用到的是,;;,,,,—,,,,,,,,,(,,)谱。关于波浪中船舶运动和波浪载荷的预报，在一阶理论的范围内已经有许多十分有效的方法能给出令人满意的预报结果。但是，在海洋工程的许多问题中，除了要考虑与波浪有相同频率，量值与波高成正比的一阶力外，考虑二阶(平均的和低频的)波浪扰动力的作用，二阶力其量值与波高的平——————————————————————————————————————————————— 方成正比，频率与不规则波的波群有关。它们在水平方向的分量称为“波浪漂移力”。二阶力之所以重要，是因为这些力能以不同的方式作用及影响海上结构物，而一阶理论又不能给出它们的预报。二阶波浪漂移力由于数值较小，很难用试验方法精确测量，国内外现有较为成熟的理论计算方法，如上海交通大学船舶与海洋工程流体力学研究室的,,,,,,，,,的,,,,,,,,,等。这里只考虑一阶波漂力即可满足计算需要，用到的是,,,,,,,(,,,,,,,,,(,,)谱。 仿真时候首先确定欲仿真的海浪谱,(;,)的形式及参数(有义波、风速等)，海浪谱公式可取为: ? ,,,宰，,(国)木,(,，缈)以，,(,—,,) , 计算模拟有义波高时采用的波浪谱为，,,,建议的单参数谱: ,(?),,(,,,,—,譬,,幸,加,,’‘,‘’:州’””,,(;,,) 式中:,,(,(,,) ,,„波浪频率，,,,,,,; ,一,一 重力加速度，,,,,哈尔滨，:样人学硕十学位论文;(,，国),波浪频率为缈遭遇角为口时的波浪力系数。 不规则波的波高的模拟是从波浪谱换算所得到的伪随变量的实——————————————————————————————————————————————— 现,,叭，理论计算波高的随机变化取决于所设定的有义波高，如,?,,(,,，则方差如下式: ,:,,，,，(,，,,(,,,, 根据上面的公式很容易得到随机变化的不规则波高的模拟。(,—,,) 这样可以计算出当船舶的海浪遭遇角为口时纵向作用力、横向作用力以及艏摇力矩。具体为: ,。，。(口),,木，,(缈)?;:(倥，;,),,， , ,。，。(口),,睿,,(?)宰,((口，;,),,， , ,眦似),,宰，,(,,)车,(口，;,),，, ,(,?,,) 式中,(口，;,)、,((口，缈)、,，(,，,,)分别表示波浪的遭遇角为口频率为国时的波漂力系数。 图,(,表示横向飘移力响应函数曲线，横坐标为无因次频率，纵坐标分别为无因次横向平均飘移力。,, 坠尘至～;些垒兰堡圭耋堡篁圣 ? 簿,( 特 , ——————————————————————————————————————————————— ,::,一 一一一, 。,一、 。茜“?。茹„“ 图,(,横向海浪系数图 ,(,本文采用的船舶模型 为了验证本文后面章节中设计 ———————————————————————————————————————————————