船舶运动仿真及建模预报研究 97页

哈尔滨工程大学硕士学位论文船舶运动仿真及建模预报研究姓名：徐琳琳申请学位级别：硕士专业：控制理论与控制工程指导教师：彭秀艳20070101\n哈尔滨工程大学研究生学位论文摘要本文针对船舶纵横向运动，对船舶运动仿真及预报进行研究。首先，应用切片理论建立了在随机海浪作用下的船舶纵横向运动水动力数学模型，分析了运动模型的系统稳定性，并且构造了系统稳定的大船运动方程。然后，应用谱拟合方法，建立了海浪扰动成形滤波器，对海浪扰动力及扰动力矩进行了建模。将海浪扰动成形滤波器作为船舶纵横向运动系统的一部分，建立了船舶增广纵横向运动方程。求解方程产生了船舶纵横向运动历程。接着，简化得到基于二阶模型在规则波作用下的船舶运动模型，对规则波下的海浪扰动力和扰动力矩进行仿真，应用到简化的船舶运动模型中，对船舶纵横向运动进行仿真，并将该结果和水动力仿真结果进行比较。最后，将最小二乘格形算法运用到船舶运动预报中，应用基于LSL的船舶运动预报算法，对某船纵横向运动进行预报，得出预报曲线，并对预报结果分析。关键词：运动仿真；建模预报；最小二乘递推；格形滤波\n哈尔滨工程大学研究生学位论文AbstractThispaperselectedshiplongitudinalandtransversemotionasresearchingsubject，anddidresearchonsimulationandpredictionofshipmotion．Firstly，basedonthestriptheory，thehydrodynamicmathematicalmodelwasgivenforshiplongitudinalandtransversemotionforcedbyrandomsea．Itwasanalyzedthatthesystemstabilityofmotionmodel，anditwasconstructedthatlargeshipmotionmodelwithSystemstability．Secondly，applyingspectrumfitting，itwasgiventhatformingfilterofseadisturbance，whichmodeledforthedisturbingforceandmomentofrandomsea．Formingfilterofseadisturbancebeingpartofshiplongitudinalandtransversemotionsystem，itwasgiventhattheshipaugmentinglongitudinalandtransversemotionequation，whichwassolvedtogettheshiplongitudinalmotionprocess．Thirdly，itwaspredigestedtoshipmotionmodelforcedbyregularseabasedonsecond-ordermotion．Simulationwasdoneonthedisturbingforceandmomentofregularsea,andthesimulationresultwasappliedtopredigestedshipmotionmodel．Thenitwassimulatedthatshiplongitudinalandtransversemotionandtheresultwascomparedwiththeresultofhydrodynamicmodel．Finally，least—squarelattice(LSL)algorithmwasappliedtopredictionofshipmotion．ItwasgiventhatpredictionalgorithmofshipmotionbasedonLSL．Ashiplongitudinalandlatitudinalmotionwaspredictedwiththealgorithm．Itwasgiventhatpredictioncurvesandresultwhichwasanalyzed．Keywords：motionsimulation；modelingandprediction；recurrentleastsquarelatticefilter\n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已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担。作者(签字)：确眩漩鼻延日期：硼年／月，沪日\n哈尔滨工程大学硕士学位论文1．1课题来源和意义第1章绪论船舶在海浪中航行受到海浪、海风等环境因素干扰，不可避免地产生摇摆，尤其在恶劣的海况条件下，对船舶的海上作业造成很大的安全隐患。如果能提前几秒或十几秒预报出航母的姿态或运动趋势，将对舰载机起降指导和补偿、减摇控制、舰载导弹发射等具有重大意义。船舶运动仿真系统具有重要实际应用价值和广泛的应用前景，在实验室中应用仿真系统可以模拟进行各种船舶运动试验以确定最佳控制、预报方案。然后通过模型试验对优选方案进行验证。和模型试验相比，成本低、周期短，适合做大量探索性研究。船舶姿态运动建模预报是指利用船舶姿态运动的观测数据对船舶姿态运动规律建立模型并能预报未来几秒或十几秒钟的船舶姿态。这项工作对于舰载机在航空母舰上的安全起降，武备系统的高精度性能，船舶有效航行与控制都是非常重要的。它可以增加舰载机着舰的安全性，减少舰载机着舰事故的发生，提高导弹发射精度，从而提高航母在海上的作战能力。本题目研究正是为保证舰载机在航母上安全着舰而展开的。1。2船舶运动仿真研究现状自从计算机仿真技术应用于船舶运动系统，船舶运动的仿真研究就呈现出一番欣欣向荣的景象。尤其是近年来，随着各种仿真技术和船舶控制技术的发展，船舶运动仿真也有了长足的进步。归纳起来，主要有以下方面：船舶在复杂海况下的实时运动仿真，基于3dmax的船舶三维运动仿真，基于混合智能技术的船舶运动控制仿真，单点系泊船舶运动的仿真，基于虚拟现实的船舶操纵运动仿真等。’其中，船舶操纵性仿真研究的发展较为成熟，以下做重点介绍。船舶操\n哈尔滨工程大学硕士学位论文纵性仿真系统与船舶操纵运动模型的关系是相辅相成的。研究数学模型的目的就是为了计算及仿真，而仿真实践又不断促使数学模型的完善。从操纵运动仿真系统的研究情况来看，西方主要造船大国起步较早，他们大多在20世纪六七十年代已经建立了操纵运动仿真系统。如；荷兰的台尔夫流体实验室，美国的金氏波音航海实验中心，日本的广岛大学、大坂大学、川崎重工，瑞典的哥德堡国家航行实验室，法国的格勃诺尔应用水工研究所，挪威控制公司，德国vFIV．FORK公司等。我国的操纵运动仿真系统研究大多与研制操纵运动仿真训练系统有关。其中，海军训练器械中心和海军大连舰艇学院的操纵运动仿真训练系统的研究为我国较早的研究。之后，上海海运学院和大连海事大学也先后研制了大型船舶综合操纵模拟器”。。在本文中，主要应用基于增广方程的船舶运动仿真，求解方程得到船舶运动分量的遍历过程，从而完成船舶运动的仿真。1．3船舶运动建模预报研究现状对船舶运动的极短期建模预报的研究在国内外已取得不少的研究成果，有的已应用于实际，研究方法既有频域分析法，也有时域分析法。归纳起来主要有如下几种“1。(1)统计预报方法Wiener提出平稳时间序列预报方法，该方法是以积分方程为分析工具并使均方误差为最小的最佳线性预报。这种预报方法，应用于实际的船舶运动预报显然有诸多的限制因素。’(2)卷积方法最早，P．Kaplan等人利用卷积法对船舶运动进行了预报，即采用基于可测量的艏前某处波高作为输入信号，并将其与船舶响应核函数作卷积，得到船舶运动预报。这种方法因需精确的响应核函数和波高测量函数，故在实际应用中受到限制。(3)卡尔曼滤波法卡尔曼滤波是一种递推的线性最小方差滤波器，适用于在线的实时计算。可见，对于横摇的预报方法还是有效的。由于该方法需知船舶的状态方程，2\n哈尔滨工程大学硕士学位论文当水动力参数和环境发生变化时。状态方程很难准确给出，因此，尽管卡尔曼滤波能处理有噪声干扰的情形，而且计算简单，但是在实际中直接应用是不恰当的。(4)周期图法利用周期图法可以进行船舶的运动预报，预报可达5～7秒，但其预报结果与真值往往相差一个相角。(5)谱估计方法经典谱估计方法有两种方法，即周期图法和自相关法。周期图法又称直接法，前面已经介绍过。自相关法，也就是通常所说的间接法。由这种方法求出的功率谱是通过自相关函数间接得到的，所以称为间接法，又称自相关法(或BT法)。(6)时间序列分析法用时间序列分析法预报船舶运动，避免了用卡尔曼滤波法时须知船舶运动准确的状态方程的麻烦，只需利用船舶或海浪的历史数据，建立时间序列模型来预报船舶运动未来值。Enochson最先讨论了由船舶数据建2r_ARMAX模型的问题，由于在当时缺少对大型矩阵进行处理的设备，要处理ARMAX建模中的大矩阵只能在大型计算机上进行，而且操作很繁琐，所以当时没能把该方法应用到实船上。(7)艏前波法艏前波法的基本原理就是利用船舶摇摆观测数据和船舶艏前波浪的观测数据，对船舶摇摆建模及预报。利用艏前波法进行预报的步骤一般是：首先分析波浪和船舶姿态运动的历史数据，利用递推最小二乘法辨识模型的参数，用艾克准则判断模型的阶数，建立预报模型，利用测得的艏前波幅数据，根据预报模型来预报。运用艏前波法进行船舶姿态预报时遇到的主要麻烦是对距船舶一定距离处的浪高测定很困难。除上面介绍的几种方法之外，在国内有人专门研究了AR建模预报法，非线性建模预报法，利用灰色系统理论建模预报法和基于神经网络的建模预报法。综上所述，在国内外对船舶运动极短期建模预报的研究中，所采用的方法既有频域分析法也有时域分析法。在频域分析法中，最有吸引力的方法是3\n哈尔滨工程大学硕士学位论文卷积法，在时域分析法中，最有效且最容易实现的方法是时间序列分析法。在本文中，将最小二乘递推格形算法应用到船舶运动预报中，寻求一种基于LSL的船舶运动预报算法。1．4本课题研究所运用的方法本课题研究所做的主要工作如下：以某船为例，研究船舶运动仿真及建模预报。在船舶运动仿真方面，本课题在认真分析船舶纵向及横向运动方程的基础上，运用了基于增广方程的船舶运动仿真和基于二阶模型在规则波作用下的船舶运动姿态仿真两种方法，并进行比较。在船舶运动建模预报方面，本课题提出基于LSL的船舶运动预报算法。以船舶运动数据序列符合自回归模型为前提，运用最小二乘递推格形算法计算出自回归模型的系数，完成船舶运动的建模和预报工作。综上所述，本课题研究进行以下几个方面的工作：(1)船舶纵向及横向运动方程分析；(2)基于增广方程的船舶运动仿真；(3)基于二阶模型在规则波作用下的船舶运动姿态仿真；(4)基于LSL的船舶运动姿态建模及预报。在本课题研究中，船舶运动仿真和建模预报是基于matlab7．0的平台完成的。’4\n哈尔滨工程大学硕士学位论文第2章船舶纵向及横向运动方程分析船舶在海上航行，必然受至Ⅱ风浪等环境因素的影响，同时由于船舶自身的各种推动和控制的作用，会产生复杂的运动。为研究船舶的运动和建立船舶控制系统，必须建立船舶运动方程。本章将以牛顿力学为基础，结合船舶运动控制的特点，分析和讨论船舶纵向及横向运动方程的建立。2．1船舶六自由度运动为研究船舶运动及受力情况，了解船舶在每个时刻的各运动参数的方向和大小，需要建立适合船舶运动控制的坐标系。如果把船舶作为刚体，则船舶相对于坐标系的运动一般应有六个自由度。2．1．1船舶运动坐标系为了描述船在海浪中的运动，需要对坐标系统给出全面的定义‘“。一、地面坐标系(静坐标系)三维直角坐标系E一孝刁f是在空间固定的，如图2．I所示，E为原点，可以取她面或海面上的任何一点，Ef轴正向指向天空，E善轴和E，7轴相互垂直且在水平面内，方向可以任选。坐标系E～善，7彳是一个惯性坐标系，在此坐标系内可以运用牛顿力学定律来分析物体的受力和运动情况。图2．1用于船体分析的坐标系5\n哈尔滨工程大学硕士学位论文二、船体坐标系坐标系0一xyz是船体坐标系(或动坐标系)，如图2．2所示，它的原点0通常取在船舶重心G上，纵轴m平行于船舶横摇轴并指向船首，横轴回平行于纵摇轴并指向左舷，垂向轴0寥指向天空，并认为坐标轴Ox,oy和c磅分别是船舶的横摇轴，纵摇轴和首摇轴。图2．2船舶六自由度运动2．1．2船舶六自由度运动船舶的运动是在三维空间的复合运动，它包括沿三个坐标轴的直线运动和围绕三坐标轴的旋转运动，即船舶的六自由度运动，如图2．2所示。它们的名称和符号如下，其符号采用国际拖曳水池会议(简称In℃)所推荐的符号。(1)沿三坐标轴的直线运动膏一．纵荡Y⋯横荡z⋯一升沉(垂荡)(2)绕三坐标轴的旋转运动伊⋯一横摇O-一纵摇∥—一首摇船舶在海洋中任何一点的位置和姿态，可以用船体坐标系的原点D在地面坐标系上的坐标值以及船体坐标系相对于地面坐标系的三个姿态角来确6\n哈尔滨工程大学硕士学位论文定。这三个姿态角分别是横摇角矿，纵摇角口和首摇角∥，它们的定义如下：首摇角∥是OX轴在水平面蓼，7上的投影与E善轴之间的夹角；纵摇角口是OX轴与水平面乒，7之间的夹角：横摇角矿是XOZ平面与通过OX轴垂直平面XOq之间的夹角，也就是XOZ平面的法线OY与XOq平面的法线之间的夹角(设地面坐标系与船体坐标系的原点重合)。2．2切片理论与船舶运动建模2．2．1切片理论概念尽管目前在理论上已经能够在线性理论的范围内根据船体运动的边界条件求解三维情况下的扰动速度势(包括辐射势和绕射势)，从而确定船在波浪中运动时的受力和运动特性，但是，这些求解过程将十分复杂和费时，尤其是有航速情况更甚。即使在高速大容量电子计算机充分发展的现在，将三维计算方法应用于工程设计(如初步设计中的方案比较等)，还是受到某些限制，其中最重要的原因是出于经济上的考虑。因此，在应用上，人们仍然倾向于使用从五十年代以后发展起来的简化的理论模型，切片理论就是其中应用和考虑比较成熟的一种”1。，切片理论实质上是一种近似方法，它充分利用船体细长这一特点，认为至少在船体的相当部分，。流动主要局限于横向截面内，从而把围绕船体的本质上的三维流动简化为绕各横截面二维流动。按二维流动求得各横截面遭受的流体作用力后，再沿船长方向迭加(积分)以求得船体上总的流体作用力。2．2．2船舶运动建模简介对于船以不变的航速v与规则波成任意角甜遭遇时，作为刚体的船一般有六个自由度的振荡运动。船舶六个自由度的运动，各个自由度运动之间是互相关联，彼此影响的，即所谓耦合作用‘”。因此，实际计算船舶在波浪中的运动应考虑其耦合影响，将各个自由度运动方程式联立求解。由于船型左7\n哈尔滨工程大学硕士学位论文右对称，在线性范围内，六个自由度的摇荡运动方程可以分解为两组耦合方程，即(1)纵向运动——升沉(垂荡)，纵摇和纵荡(进退)；(2)横向运动——一横荡，横摇和艏摇。纵向运动和横向运动之间的耦合影响很小，可以忽略。在纵向运动中，由于进退运动对升沉和纵摇运动的耦合作用较小，通常亦予以忽略。因此，又可以把六自由度的摇荡运动分为三组，即(1)纵荡运动；(2)升沉和纵摇运动；(3)横向运动(横荡，横摇和艏摇)。2．3船舶纵向运动分析对于船舶纵向运动分析，由于自由状态下船舶的纵荡运动一般不重要，并且上面第二种分类方法中的第二组方程在船模水池中研究起来很容易，现已用切片理论的方法分析研究过项浪状态下的垂荡与纵摇耦合运动，并且通过实验已毫无疑义地证实了这种手段的有效性，所以取上面第二种分类方法中的第二组方程即可。2．3．1船舶纵向运动微分方程在波浪中航行的船舶，根据船舶水动力理论，纵向运动方程可表示如下式中：g一表示船体的升沉(垂荡)，m；口～表示船体的纵摇，rad；m～表示船体质量，m=442000蠡g；L一一表示纵向惯性矩，15=(0．25x工件)2=9945000kg·m2；斥⋯水平舵升力，kg·m／s只，一一海浪升沉(垂荡)干扰力，堙·m／s28㈨‰，％”％％徊瓣，胪搬们¨呼‰“蛾搿‰心\n哈尔滨工程大学硕士学位论文Mws---海浪纵摇干扰力矩，堙．m2／s2x。一舵升力中心至船体重心的纵向距离。对于该船，z；=25．8坍％，％，勺(f，J=3，5)～一水动力参数。水动力参数采用切片理论并结合实船测量得出，以3级海情，18节航速为例，水动力参数计算结果如表2．1所示⋯。表2．13级海情18节航速纵向运动水动力参数计算结果a心a33633％口3，O23512005220903150000．1363700004522109005515903150000．79886000906423109357003150000—3339200135579330622550315000097903018059477052245031500001645000a㈣蚝C”a55kO243630006830000387090000001469900000452322900068300009076100000937840000901007300068300001659300002469600001358226400683000011653000014940000018078693006830000l14800000124510000口|Q％口B蚝cs3O654000000158160000．1921400068300004565400000099251000．177300006830000906540000009406600．182930068300001356540000004645300．251240068300001806540000004081700．315190068300002．3．2船舶纵向运动连续系统状态方程一、系统状态方程9\n令状态变量为X=k而而-r-【z三0矽】T式(2—1)改写为三=三(口33+△)z+口35口=--C33z—b2一％占一635口+最+E30=0口船三+(L+吒5)舀=—c鲐z—b53三一c"0一以s“B爿_+M，，将上式写成如下矩阵形式O0q3+A0Ol嘞0或上式又可写成O码50如+呜5r0100、l一白3一岛3一白，一岛，lIo1l卜锄一‰一锄一每√政=A+Xq-B+“+C’形悱+仨轴蚓blJ删五摊渤o0ko0口心扭叫：吗尹：言I，▲：{言3也嘞÷J，口={斗c：{：斗叫磊I嘞五鹄，Jh，吨，嘞也5J吲巾U文：矗x+Bu-(-cⅣ(2-2)式中：A=E-1A‘，B=E-1B。，C=E-1C‘令“=B=0，即研究没有控制只存在海浪扰动情况下系统的状态，其状态方程如下lO\n哈尔滨工程大学硕士学位论文二、建立观测方程X=4．r+CW(2．3)我们选择状态x。，b为测量状态。则Y=HX+V(2-4)热n一∽：：)，丫为二维测量噪声．2．3．3船舶纵向运动离散系统状态方程设Z为采样周期，在连续的控制对象前有一个零阶保持器，即“∽=Ⅳ(Dkr,≤t<(七+1)瓦。现在忽略量化效应，并将连续的控制对象和它前面的零阶保持器一起离散化，从而使整个系统变为纯粹的离散系统。对于测量方程(2-4)的离散化，显然有Y(七)=Ax(Jj})+V(后)(2—5)式中：A=H。方程(2-2)的解的一般形式为xo)=eA(t-to)x(，o)+p。∽’Bu(_r)dr+p郇1’c∥@)卉(2—6)hto若令to=kr,，t=(忌+1)t，同时考虑到零阶保持器的作用，并认为海浪的扰动是一个缓慢变化的过程(即在一个采样周期内W∽可以近似看作常量)，则有。㈣珥(I“珥．x(／c+1)=P码删+f口。∞即)dr觑∞+p粥印)drOr(k)(2—7)珥虹令f=后￡+Z—f贝U有卉J‘p。=毋一。p‘一lI疵叶峨惦^P‘哪，●，珥I\nX¨=OXk+譬‰+J’睨上式即为离散状态方程。联合式(2-4)和式(2-8)，船舶纵向运动离散状态空间模型为Xk+l=OXI+学饥+J1睨Yk+l2／-／XI“+Vk+l”=R=0时，系统的离散时间方程为瓦H=垂)‘I+rwkYk+l=上ⅨI+l+Vk+I2．3．4纵向运动状态空间方程稳定性的判定在自动控制理论的学习中，我们知道：一个因果连续系统，如果其系统函数rI(s)的所有极点都位于S平面的左半开平面上，则该系统是稳定的。一个因果离散系统，如果系统函数H(z)的所有极点都位于z平面的单位圆内，则系统是稳定的。以3级海情，18节航速为例，求得纵向运动方程的连续系统和离散系统的特征值如表2．2所示：表2．2纵向运动方程连续系统和离散系统特征值和稳定性连续系统离散系统饼心特征值稳定性特征值稳定性．0．0847+1．1747i0．9562+0．2289i-0．0847一1．1747i0．9562——0．2289i0稳定．O．0184+0．1280i0．9960+0．0255i．O．0184—0．1280i0．9960——0．0255i-0．0654+1．3074i0．9535+0．2552i．0．0654一1．3074i稳定0．9535—0．2552i稳定45加．0512+0．2626i0．9884+0．0520i．O．0512—0．2626i0．9884—0．0520i)))89Ol2玉厶dd((22(((\n哈尔滨工程大学硕士学位论文(续表)．0．3294+1．9502i0．8659+0．3560i．0．3294一1．9502i0．8659—0．3560i90稳定．0．4894+1．3392i0．8744+0．400i-0．4894一1．3392i0．8744—0．400i．0．648+．8744i0．9004+0．3543i-0．648一1．744i0．9004—0．3543i135稳定．o．114+1．86力0。8751+0．2873i．O．114．1．5862i0．8751—0．2873i．0．1035+1．8364i0．9142+0．3517i-0．1035．1．8364iO．9142—03517i180稳定-0．3700+1．6266i0．8800+0．2968i一0．3700．1．6266i0．8800—0．2968i由上表可知，纵向运动方程是系统稳定的。2．4船舶横向运动分析对于船舶横向运动的分析，与船舶纵向运动分析的方法是相似的，只是运动分量不同，方程的形式和水动力系数也发生了变化，现对横向运动进行简要的分析。2．4．1船舶横向运动微分方程船舶横向微分方程为：(m+锡沙+吆夕+口“≯+屯声+％矿+屯矿=nL月+Ela42j}+b42．9+(‘+口“)妒+644妒+c4．≯+口46妒+鱼皤矿=nLRz异+日}(2-13)a62Y+％夕+4“妒+664≯+(16+口∞)妒+k妒=，置k工R+只l其中，Y⋯横荡位移，≯一一横摇角，妒一艏摇角，z。一一航向舵力中心至重心的横向距离，z。一啦力中心至重心的垂向距离，岛一～水平舵力，m=442000kg，栉一一舵的个数，E、日、瓦一波浪引起的力和力矩。‘、厶一船舶横向惯性矩。式中的这些数值将取决于船型、主要尺度、振荡频率、船速、波长以及船与波的遭遇角等因素。％一一静水力恢复力系数，aa，“，ca(i，_，=2，4，6)一_船体附加质量系数和\n阻尼系数。水动力参数采用切片理论并结合实船测量得出，以3级海情，18节航速为例，横向运动水动力参数计算结果如表2．3所示‘”。表2．33级海情18节航速横向运动水动力参数计算结果a|Qa22b≈a“03．5906e+052．6494e+04-2．9028酣_05453．7211叶056．2709e+03-3．0151e+05903．9774刮．051．0229酣帕5．3．2210叶051353．4377叶052．2577f卜05．2．7361}卜051803．2100c．卜052．5824—帕5-2．5420e+05岱bb24口“虬O．1．9747e+048．1025e+054．1910e+0445-4．8847e+038．3390叶051．0461e+0490．83313e十048．7462e+051．7431e+05135．1．7648e+057．7629e十053．6437e}05180．1．9947刮_057．3650e+054．1466e+05a|Q％吆％02．7798e+06-3．1291e+061．9649e十09452．8183e+06．3．4060斟帕65．4787e+08903．6025e+06-2．9974e+061．7393刮．081353．5340e+06．1．5906e+061．2763叶081803．4156e+06．1．1487e+061．1516叶08仪|Q虬口帕乳08．4160e+063．2866e+062．8997e+06452．1879e+063．4014升062．8362刮帕6903．0765e+073．1020e+063．7164f卜061356．7683e+072．5509e+064．2584e十061807．7735e+072．3737e+064．3339e+06\n————————』垒墼垄型堡篓丝丝坠——————一(续表)OC／Oa<2％a62O-2．9028叶05．1．9747e+042．5283e+0645．3．015le+05-4．8847刮帕32．6513叶0690．3．2210e+05．8．3313升042．2538刮_06135-2．7361酣帕5．1．7648酣帕5I．6718e}06180-2．5420刮m5．1．9947e十051．4917e+06口／O％aukO3．5266F卜063，4286f卜06-2．4757e+06453．4879刮由63．4776叫巾6-2．7536e+06904．375le+064．2374e十06．2．2557e+061354．7790e+064．0975e+06培．1149e+051804．7983e+063．9576f卜06．3．7481e+052．4．2船舶横向运动连续系统状态方程由方程(2．13)可得连续系统的状态方程为●政=魃+BL^+CW(2-14)其中，状态变量为x=k，x：，屯，_，％，‰】『，黾=y为横荡位移，也=毫=萝为横荡速度，x3=矿为横摇角，_=南={；为横摇角速度，黾=∥为艏摇角，‰=南=矿为艏摇角速度。A=OlO0—6220O00一％一coO0一％0O一屯0—62。lO一“0一kOl—k0一kE=B7=【o以0嘎0nXr】lO0ra+azz0au0％O10a+20‘+％0a460OlO0a620a640I晦+8％形1=【E只E】\n哈尔滨工程大学硕士学位论文=Io10oqolo0101J2．4．3船舶横向运动离散系统状态方程按照采样时间To=o．5s，可将系统(2-14)离散化为x(k+1)=·∽r(露)+r矽(Jj})(2·15)我们选择横荡位移、横摇角和艏摇角作观测量，则系统的观测方程为y<后+1)=舰(||}+1)+V(|i}+1)(2-16)式中：m=F”_矗，r=re”-∽’∥Cdt，2．4．4横向运动状态空间方程稳定性的判定以3级海情、18节航速为例，系统的特征值和稳定性如表2．4所示：表2．4横向运动方程连续系统和离散系统特征值及稳定性连续系统离散系统ab特征值稳定性特征值稳定性O1．0000O1．0000加．0036+0．4202i0．9957+0．0839iO临界稳定-0．0036-0．4202i0．9957．0．0839i．0．00950．9981．0．00001．000001．OOoo’O1．0000-0．0022+0．4220i0．9960+0．0843i45临界稳定．0．0022—0．4220i0．9960．0．0843i．0．02130．9958-0．00001．000016\n(续表)O1．ooooO1．0000-o．0164+0．4260i0．993l+0．0848i90临界稳定-o．0164．0．4260i0．9931-0．0848iIo．11430．9774．0．00001．0000O1．000001．0000-0．0312+0．4278i0．9901+0．0849i135临界稳定．0．0312-0．4278i0．9901．0．0849i-0．2465O．9519．0．00001．0000O1．0000O1．0000一0．0360+0．4280i0．9892+0．0849i180临界稳定-0．0360—0．4280i0．9892．0．0849i．O．29490．9427．0．00001．0000由上表，横向运动连续状态空间方程中的极点均分布在左半平面或虚轴上，离散化后分布在单位圆内或单位圆上，所以它们都是稳定或临界稳定的系统，可采用绝大多数的控制理论来控制它们。2．5大船模型的纵向及横向运动方程综上所述，在水动力作用下，得到船舶纵向及横向运动方程：口"艺+633三+c33z+a350+b350+c"口=E+LRI心+a55)p+b5，目+c，，口+口53艺+b53三+c酆z=E+LR×X矗J(m+a22)．i；+bZ2Y+口24≯+624≯+口26妒+b26矿=厄R+F2I口．2j；+642夕+(‘+444)声+“矿+c“妒+a46妒+646矿=地RZ露+只}口62j}+匆女夕+口“妒+％≯+(16+％)妒+％矿=，置k工_+尼l以上分析是在船体质量为m兰442000kg的基础上进行的，是有关于小船的运动方程的分析；然而在实际航行中，一般都是吨位比较大的大船，本课题对大船运动方程进行了探讨。\n哈尔滨工程大学硕士学位论文2．5．1大船模型系数的选择将某小船系数作相应的调整，可以构造大船运动方程。系数调整如下：md=lOre=4420000kg，la5=10Is=994500000kg·历2ldI=10lI=33160000kg·费tld6=10i,=994500000kg·甜水动力系数为在上述方程中的各水动力系数扩大二倍得到(口，。扩大四倍)。以3级海情、18节航速为例，调整后的大船水动力系数如表2．5所示。调整后得到的水动力方程为：口d"2，6m。，。433z+乃”口+以”p+白3502E+k}(2-17)(厶5+‘05，)矽+屯"O+cJ”口+dldj3艺+九，，三+Cd532=E+工R×．‰j(Md+嘞22)_j)+屯22y+aJ24妒+bd24≯+口d26妒+％拍矿=nL只+最I嘞42j，+钆42夕+(L．+％“)≯+bd“妒+cd|4妒+嘞46妒+％46矿=峨么+日}(2—18)ad62．j}+％62+0d64≯+夸Ⅲ妒+(L6+％酌)矿+60∞矿=l咯．‰+层l表2．5a’3级海情18节航速大船纵向水动力参数口／0a33d63埘6划a3sclO470240010441806300000-2．7E十0845442180011031806300000．1．6B+0890128462019714006300000．6678400135“586601245loo630000019580601801189540104490063000003290000口／0毛"C3Sd如甜b5，dO48726000136600001．55E+112．94E+094546458000136600003．63E+lO1．88E+099020146000136600006．64E+084．94E+0813516452800136600004．66E+082．99E+0818015738600136600004．59E+082．49E+08\n哈尔滨工程大学硕士学位论文(续表)口ibc"das3,t蚝JC53d01．3lE+093．16E+08．3．8E+0713660000451．3lE+091．99E_卜08．3．5E．卜0713660000901．3lE+0918813200-3658600136600001351．31E+099290600．5024800136600001801．3lE+098163400．630380013660000表2．5b3级海情18节航速大船横向水动力参数Ⅸ|Q口22J％。a24dO71812052988．5805604574422012541．8．60302090795480204580．644200135687540451540-547220180642000516480．508400ab屯。a44ahdO．3949416205008382045．9769．416678002092290—1666261749240348620135．3529601552580728740180．3989401473000829320a|Qa2+db26da66d05559600．62582003．93E+09455636600．68120001．1E+09907205000．59948003．48E+081357068000．31812002．55E+081806831200．22974002．3E+0819\n(续表)口／Okd％d6拍dO1683200065732005799400454375800680280056724009061530000620400074328001351．35E+08510180085168001801．55E+0847474008667800a|oa,i2d％da6zd0-580560-39494505660045．603020．9769．4530260090．644200．1666264507600135．547220．3529603343600180．508400．39894029834000I}Q662。4“db“dO70532006857200．49514004569758006955200．55072009087502008474800．451140013595580008195000．162298018095966007915200．7496202．5．2大船纵横向状态空间系统稳定性分析类似于一般船舶纵横向状态空间分析方法，得到大船纵横向状态空间方程，并对该系统稳定性分析。以3级海情、18节航速为例，得到纵向及横向系统的特征根如表2．6、表2．7所示：。表2．6大船纵向运动状态空间系统特征值及稳定性连续系统离散系统仪iQ特征值稳定性特征值稳定性\n哈尔滨工程大学硕士学位论文(续表)．0．044784+0．80622iO．8995+0．3836i加．044784-0．80622i0．8995—0．3836iO稳定-0．00948+0．090013i0．9943+0．0448i．0．00948—0．090013i0．9943-0．0448i．0．0332+0．8076i0．9044+0-3864i．0．0332-0．8076i0．9044—0．3864i45稳定．0．0260+0．1828i0．9830+0．0901i．0．0260．0．1828i0．9830．0．0901i．0．1220+1．0569iO．8125+0．4744i-0．1220-1．0569i0．8125-0．4744i90稳定．0．1658+0．8454i0．8394+0．3776i．O．1658-0．8454i0．8394．0．3776i．0．1075+1．0882i0．8108+0．4906i-o．1075-1．0882i0．8108-0．4906i135稳定-0．0981-I-0．9049iO．8563-I-0．4162i．0．0981．0．9049i0．8563．0．4162i-0．0924+1．0902i0．8165+0．4951i．0．0924—1．0902iO．8165—0．495li180稳定．0．0803+0．9063i0．8637+0．4206i．0．0803—0．9063i0．8637．0．4206i表2．7大船横向运动方程状态空间系统特征值及稳定性连续系统离散系统ab特征值稳定性特征值稳定性O1．0000O1．0000-0．001l+0．4527i0。9739+0．2243iO临界稳定m．001l一0．4527i0．9739-0．2243i．0．0067+0．0417i0．9964+0．0208i-0．0067—0．0417i0．9964．0．0208iO1．0000O1．0000．0．0003+0．4528i0．9743+0．2244i45临界稳定．0．0003-0．4528i0．9743—0．2244i-o．0021+0．0663i0．9984+0．0331i．O．0021—0．0663i0．9984．0．033li2l\n哈尔滨工程大学硕士学位论文O1．000001．0000-0．0045+0．4525i0．9723十0．2238i90临界稳定-0．0045-0．4525i0．9723-0．2238i-0．0400+0．0878i0．9792+0．0430i-0．0400—0．0878i0．9792—0．0430iO1．000001．0000．o．0094+0．4527i0．9699+0．2234i135临界稳定一0．0094．0．4527i0．9699-0．2234i-0．0940+0．0747i0．9534+0．0356i-0．0940—0．0747i0．9534-0．0356iO1．0000O1．0000一0．0107+0．4527i0．9693+0．2232i180临界稳定一0．0107．0．4527i0．9693-0．2232i·0．1098-I-0．0673i0．9461+0．0319i-0．1098-0．0673i0．9461-0．0319i(注：本章各表中口代表航向角)由表2．6可知，大船纵向运动连续状态空间方程极点分布在左半平面内，离散后极点分布在单位圆内，所以是稳定的。由表2．7可知，大船横向运动连续状态空间方程中的极点均分布在左半平面或虚轴上，离散化后分布在单位圆内或单位圆上，所以它们都是稳定或临界稳定的系统。2．6本章小结．本章分析了船舶纵向和横向的耦合的运动方程。从动力学的角度，基于切片理论叙述了方程的建立；然后，从系统状态方程分析了纵横向方程系统的稳定性。最后把这些理论应用于大船运动方程的构造和探讨，并分析了大船运动系统的稳定性。结果证明，大船方程的构造是可行的，且构造出来的系统是稳定的，可用于实际大船运动的分析。\n哈尔滨工程大学硕士学位论文第3章基于增广方程的船舶运动仿真船舶运动仿真系统具有重要实际应用价值和广泛的应用前景，在实验室中应用仿真系统可以模拟进行各种船舶运动试验以确定最佳控制、预报方案。然后通过模型试验对优选方案进行验证。本章以随机海浪扰动信号仿真和船舶纵横向运动仿真为研究对象，提出基于增广矩阵的船舶运动仿真方法。3．1随机海浪扰动信号仿真3．1．1随机海浪扰动特性自然界中存在着两种不同的数量关系，一种是确定的数量关系，例如求方程C13c2+bx+C=0的解；另一种大量存在的是不确定的关系即所谓统计关系。例如，我们掷一硬币，对于每一次是正面向上还是反面向上是难以预料的，但是经过大量的观察和研究表明，当多次投掷之后，就会发现硬币正面或反面的出现具有一种特殊的规律，即所谓的统计规律，正面向上的可能性基本上接近反面向上的可能性。我们所要讨论的海浪及由海浪引起的船舶运动扰动力和扰动力矩等都是属于统计规律范畴之内的。实际海面上的波浪是极为复杂的，它是不规则的随机波。海面上经常出现的波浪是由风产生的风浪。由于风的随机性和风向的多变性，所以风浪不但会向一个方向传播，还会向其它方向传播。通常，为研究问题方便，我们假定海浪是二因次的，即只在平面内产生波浪，且波浪只沿一个固定的方向前进，每个垂直于波浪前进方向的波线是无限长的。因此，经常把仅存在于主风向方向而且有无穷长波线，单向的，波峰彼此保持平行的二因次不规则波浪称为长峰波浪。用长峰波的概念处理风浪能得到工程上满意的结果。在研究船舶运动控制系统时，也是研究船舶在长峰波海浪扰动下的控制策略问题。当速度和方向一定的风在开阔的海面上吹了相当长的时间后，海浪就充\n哈尔滨工程大学硕士学位论文111iiji；■；■|ii；i}；；ii■●■盲目iiiiii；；；iiiEiiiiiii；iiiii■‘iii■■■■iiiji|iiii■■■蕾分的发展。当海浪从风吸收的能量和海浪波动中传递走的能量平衡时，我们称此海浪为成熟期海浪。按随机过程观点，成熟期海浪可作为一个平稳随机过程处理，并且具有各态历经性。平稳随机过程的各项统计值基本不变，于是我们就可以利用平稳随机过程的理论来分析海浪。对于成长期的海浪，则不能认为是一个平稳随机过程。长期以来人们是以规则波为基础研究船舶运动，这与船舶在实际海浪上运动性能差别很大。为了能较准确的预报船舶在波浪上的运动性能，造船设计师们十分迫切希望对海浪特征及描述方法有进一步研究。20世纪50年代，皮尔逊和纽曼等人应用通信工程中所采用的随机噪声的数理统计方法研究海浪，使得人们对海浪的研究获得重大突破。从统计意义上讲，不规则的长峰波海浪可以用无数个不同波幅和波长的单元规则波叠加来组成，这样使我们有可能根据船在规则波上的运动性能来研究船在不规则波浪上的运动性能。只要所研究的船舶运动幅度不太大，这个方法的研究结果是比较满意的。按照长峰波海浪(二因次随机海浪)的定义，长蜂波海浪可以看作是无数不同波幅和波长的规则波的迭加，因此，长峰波海浪可以表示为f(f)=∑厶cos(k，#eosp+k，esinfl-oJjr+毛)(3—1)kI式中乞、向、q和q分别为第i次谐波的波幅，波数，角频率和初相位。考虑到海面上的固定波浪，不失一般性，设善=17=0，则定点长峰波海浪的方程为f(r)=∑厶cos(co，t-6t)(3-2)1=1随机初相￡是在0-27r之间均匀分布的随机变量“。3．1．2海浪谱分解一、海浪谱分解按照流体力学的知识，单位面积内的单个谐波的能量为\np妄偌矗(3—3)式中：p一海水密度．g_一重力加速度厶—一第七次谐波波幅利用谐波叠加原理，在纹～嘎+厶D之间的随机波的能量为E一去偌∑以(3-4)定义函数&@)使得下式成立i1腭厶6赫2=芦蟹譬(哝)6口(3—5)当△口专0时，即谐波为无穷多时，随机长峰波海浪，在单位面积内的能量可以表示为E-丢Jog妻矗；偌k(aoda，(3-6)一f。IO称&(∞)为波能谱密度，或称波谱密度(简称波能谱)，又可称为海浪谱。按照公式(3-5)有ft=．、／2Sf(cok)Aco(3-7)对于一定的海面情况，其相应的波能谱函数，具有一定的形式。波谱密度公式可从海上实测得到，也可根据理论和经验的关系推导出嘲。二、海浪谱公式作为平稳随机过程的海浪，为了研究它对船舶的作用及在它作用下船舶控制系统的性能，必须得到它的一些统计特征。海浪谱(密度)是其重要的统计特征之一。50年代以来，许多海洋工作者对随机海浪作了大量的观察和研究。从得到的大量数据中，他们分析了海浪的各种统计值，然后选择某一函数作为海浪谱(密度)的近似表达式。目前提供的许多形式的谱(密度)基本上都是半经验和半理论的结果⋯。其中最为常用的有以下三种：\n哈尔滨工程大学硕七学位论文(1)皮尔逊．莫斯柯维奇谱(简称P-M谱)P-M谱是在60年代初发展起来的，并在60年代中期以后得到广泛的应用。Moseowitz在1964年对北大西洋的1955～1960年的海洋观察资料进行了460次谱分析，得到随机海浪的平均谱。经过无因次化和数学拟舍处理得到如下谱公式驰，=鼍华exp[--0．74鼢协s，上式中圪是海面19．5米处的平均风速，考虑到有义波高啊。与圪的关系，在1966年第11届国际船模试验水池会议(InternationalTowingTankConference)推荐如下波谱(简称ITTC单参数谱)跏，=鼍华ed秽]④9，(2)ITrC双参数谱(或称ISSC谱)P．M谱或ITTC单参数谱是在波浪充分成长情况下给出的，对于非充分成长的波浪，1969年的12届ITTC推荐如下两参数的波谱删=孑d别@㈣式中特征周期五的单位为秒，有义波高啊门的单位为米，sf@)单位为米2．秒。瓦和啊。也可以写成．{I-27。2-(3-11)1JiII旷4厩7式中的％和嘲是波谱对原点的0阶矩和1阶矩，它们的求法见式(3．12)。由于正近似于海浪的平均周期毛，所以也可以用毛代替五。％=l彩‘sccco)da,(3·12)；(3)JONSWAP波谱英，荷，美，德等国根据“联合北海波浪计算”(JointNorthSeaWaveProject，简称JONSWAP)于1968-1969年在丹麦，德国西海岸以外对海浪\n哈尔暝工程大学硕士学位论文进行了大量的观察与统计处理，共得到2500个波谱，这是迄今为止最系统的一次海浪观察工作，并提出以下波谱公式Sc@)=F·《“如)(3一13)式中《“@)表示P-M谱，F为考虑有限风区影响的修正因子，它为F：掣，，唧[错】式中只-1表示在相同风区、风时，JONSWAP波谱曲线下的面积与P-M谱曲线下面积的比值，，，表示JONSWAP波谱密度的最大值与P．M谱密度的最大值之比，它表示在有限风时P—M谱的谱峰升高，故称为谱峰升高因子，其值在1。5~6之间，平均值为3．3，彩，为波谱峰值频率，盯，为谱峰形状参数，其值等于10．07@≤国P)％210．09@>口：)3。1．3海浪信号仿真在船舶建模预报的过程中，经常需要用到一定时间的海浪时域样本，即海浪信号的实时仿真。海浪属于平稳随机过程，其幅值变量分布符合高斯分布律。在小幅振动的前提假设下，船舶是一个线性系统，因此，船舶的运动及其受力也是属于平稳随机过程。而在讨论随机控制系统时，我们都假设系统的扰动和测量噪声是符合正态分布的白噪声。海浪扰动力和扰动力矩是一种有色噪声，那么，我们可以利用海浪扰动建模(即构造有色噪声成型滤波器)的方法，将系统的扰动白化，从而得到海浪信号的仿真⋯。一、基于海浪加权平均的船舶纵向及横向受扰估计以海浪谱(对于充分成长的随机海浪，可以取ITrC单参数谱即前面介绍的P．M谱作为海浪谱公式)为基础，对海浪按谱分解成30级谐波，然后对切片理论算出的各级谐波对应的扰动力(矩)进行相应的处理。\n哈尔滨工程大学硕士学位论文在随机海浪作用下，某船舶的纵向及横向运动方程如式(2-1)和(2-13)所示，则该方程中的随机海浪扰动力(矩)样本函数可由以下方法得到：'3(kTo)=登i=19(kTo)厶厕sin(口+arctan器)=∑厶√瑶(o+露o)s孚兴)M,(kTO)=喜乞厕sin(a+arctan筹)=∑乞√蛾(f)+蛾(f)s+詈等)，'2(kTo)=善30缸厕蚴+arctan器，=∑缸√磅④+磋(f)s试口+争黔=善30F,(kTO)乞扣氟丽i丽如@+arctan爱等)=∑乞√磁(f)+辟(j)如@+{瑞)E㈣)=善30乳√丽蚴+arctan器E(砜)=∑乳√瑶o)+瑶(f)sin位+争兴)(3．14)其中，口=眈∞+k+To，k=1,2，⋯，To=0．Ss，哝为遭遇频率。二、经典功率谱改进方法在随机过程中均有有关功率谱的介绍，这里不再赘述。在本章中主要介绍改进的经典功率谱分析方法—welch法。Welch法是经典谱估计改进方法中应用最为广泛的，它是对Bartlett法的进一步改进，其特点之一，在对有限点数信号样本x。(以)分段时，可允许每一段有部分的交叠：其特点之二，每一段的数据窗可以不是矩形窗口，这样可以改善矩形窗边瓣较大所产生的谱失真。设采样数据X。(疗)分成L段，每分段的点数为M，窗函数记为如O巧，按Bartlet法求得每一段的功率谱，记之为％(CO)，即‰(∞)=丽1IM磊-I州州：∽∥”『(3_15)式中。u2古荟d；(玎’是归一化因子，使用它是为了保证得到的谱是渐进无偏估计。～矩形窗，则平均后的功率谱是声脲(oJ)=导杰声岛(国)如果吐(功是(3．16)\n哈尔滨工程大学硕士学位论文Welch法又称加权交叠平均法，是应用较为广泛的一种方法，其它一些改进算法如NuStall法等虽然谱估计功能有所提高，但计算复杂，所以在本文后面的海浪扰动力和扰动力矩的谱估计过程中，均采用加矩形窗口的welch法求解。三、平稳随机过程作用下的线性系统分析在经典控制理论中，通常使用单位阶跃函数作用下系统输出的超调量和过渡时间来评价系统的性能，然而在随机信号作用于线性系统时，因为任何一个确定的函数都不能等同于随机函数，所以需要用新的方法来研究系统在随机信号作用下的性能。设线性定常系统如图3．1所示。其中G(s)为系统的传递函数，七(，)，t20为系统的脉冲响应函数，系统输入{讯D，Id<。o}为均方连续的平稳随机过程，且Y-x(t)=0，假设系统是渐进稳定的，即所有的特征根均具有负实部。系统输出过程{r(r)，—m=OF。．．(o)=艿鼠。(0)=艿2、对每个t≥1的零阶变量取石(f)=岛∽=x(0roO)=风(f)=A／"o(r一1)+工2(f)Yo(t-1)=1RLS算法的结构形式是横向滤波器，而LSL算法具有模块式结构，其特点是可以根据需要简单地增加一级或多级格形结构面不影响原来的计算。LSL算法的计算量的增加和阶数n成线性关系，而RLS算法计算量是随行2增加的。由于LSL算法是把输入量的内在信息通过反射系数的瞬时值表现出来，描述xO)的AR模型参数可由反射系数求得‘伽，即公式：瑚+硝帕茗G)+孝’◇)+⋯+毋’8一，吟=s◇)形=∑rⅣ(f)r"卅o)，Lo(f)=1，胛为滤波器的阶数l-J由此，可得1步预报模型为：xq+O=∑-a,q)xq一0．ftO进而外推可得多步预报模型，如图5．4所示。\n哈尔滨工程大学硕士学位论文图5．4自适应格形算法流程图\n哈尔滨工程大学硕士学位论文5．2．3预报结果分析本节采用自适应格型预报算法对实测的某船纵横摇运动进行预报，建模预报数据是某船实测数据。每个样本为140个数据，用来预报该型船在未来5s、7s、lOs时的纵横摇情况。表5．2给出了预报性能。图5．5给出了超前预报时间t-5s、7s、10s时的预报曲线与真实曲线，图中实线为真实曲线，虚线为预报曲线。表5．2a自适应格型预报算法性能指标(横摇)单位：度均方误差预报时间5s7s10s样本一(横浪)0．086O．3110．539样本二(横浪)O．03860．3350．498样本三(斜浪)0．0460．055O．107样本四(斜浪)O．0170．0270．076样本五(顶浪)0．0160．023O．151样本六(顶浪)0．0570．0650．067表5．2b自适应格型预报算法性能指标(纵摇)单位：度均方误差预报时间5s7s10s样本一(横浪)O．1344O．1803O．1282样本二(横浪)0．04250．41710．544样本三(斜浪)0．10940+4225O．5156样本四(斜浪)0．04390．35210．4521样本五(顶浪)0．34150．36510．5037样本六(顶浪)0．05150．10940．4225\n哈尔滨工程大学硕士学位论文jiiii；●iii|■自i；ii；iiii；jii；ii；ii；#iiiiiiii；目i；；目iiiiiiii；；；；i；iiiii；ii■i●■■ii■-样本一(横浪)八!≮样本二(横浪)\n哈尔滨工程大学硕士学位论文样本一(斜浪)样本二(斜浪)\n哈尔滨工程大学硕士学位论文样本一(顶浪)样本二(顶浪)图5．5a自适应格形递推预报曲线(横摇)\n哈尔滨工程大学硕士学位论文样本一(横浪)样本一(斜浪)样本二(斜浪)\n哈尔滨工程大学硕士学位论文样本一(顶浪)样本二(顶浪)图5．5b自适应格形递推预报曲线(横摇)从预报结果看，该法具有满意的预报精度，且计算量大大减少，在船舶运动起伏较大时，该法的自适应特点，使得它的预报精度更好。5．3本章小结本章将最小二乘递推格形算法运用到船舶运动预报中，探索基于LSL的\n哈尔滨工程大学硕士学位论文船舶运动预报算法。首先，介绍自适应格形滤波的前向、反向预报算法，接着讨论变化因子的问题，继而推导出最小二乘递推格形算法；最后，把该算法应用到船舶运动预报中，对某船纵横向运动(纵摇角和横摇角)进行预报，并对预报结果进行分析。结果表明，该预报方法预报精度在误差允许范围内，计算量小，可以运用到实际船舶运动预报系统中。\n哈尔滨工程大学硕士学位论文结论本文以船舶纵横向运动为对象，对船舶运动仿真及预报进行研究。主要工作归纳如下：1．船舶纵横向运动水动力模型及稳定性分析。应用切片理论得到船舶运动六自由度水动力微分方程，建立状态空间模型，分析模型的稳定性。以某船参数为基础，以适当比例系数放大，构造大船纵横向运动水动力模型，并进行稳定性分析。分析结果表明，船舶运动模型及构造出的大船模型合理，系统渐近稳定。2．随机海浪扰动建模仿真和基于随机海浪扰动的船舶纵横向运动仿真。采用改进的经典功率谱估计的Welch法，结合海浪扰动力和扰动力矩成型滤波器实现海浪扰动建模仿真，并将海浪扰动成型滤波器作为船舶纵横向运动系统一部分，建立了船舶增广纵横向运动方程。求解方程产生了船舶纵横向运动历程。结果表明：仿真出的数据曲线在大范围内呈现规律性变化，与船舶实际运动趋势相符合。3．基于二阶模型在规则波作用下的船舶纵横向运动仿真。简化得到规则波作用下基于二阶模型的船舶纵横向运动模型。模拟规则波的扰动力和扰动力矩，应用增广状态方程，得到船舶纵横向仿真曲线，并和水动力模型仿真曲线比较。结果表明，基于二阶次的简化模型的船舶运动仿真曲线，同样在大范围内呈现规律性变化，与水动力模型相比，存在幅值上的差异。4．基于LSL的船舶运动预报算法。将最小二乘递推格形算法运用到船舶运动预报中，提出基于LSL的船舶运动预报算法，对某船纵横向运动进行预报。预报结果表明，该算法自适应能力较强，预报精度在误差允许范围内，计算量较小，有它的实用性。综上所述，对于船舶纵横向运动，本文做了大量工作进行运动仿真及建86\n哈尔滨工程大学硕士学位论文模预报的研究，将新方法应用其中，并从结果中证实了方法的可行性。当然，由于时间有限和个人能力有限，还有许多问题需要深入探讨，有待日后工作中解决。\n参考文献乐美龙编著．船舶操纵性预报与港航操纵运动仿真．上海：上海交通大学出版社，2004．4：4—5页赵希人，彭秀艳．船舶运动极短期建模预报的研究现状．船舶工程，2002．3陆祥润，王贤惠编著．船舶自控理论及应用．北京：科学技术文献出版社，1992．12叶葵．船舶舵减纵摇控制方法研究．哈尔滨工程大学硕士学位论文．2004李积德编著．船舶耐波性．北京：国防工业出版社，1981：86-87页30-46页5卜61页65—68页陈虹丽．基于石型舵船舶纵向多变量随机控制方法研究．哈尔滨工程大学博士学位论文．2004：26页26-27页29—30页27-29页唐慧妍．船舶横向运动受扰估计、建模及LOG控制研究．哈尔滨工程大学博士学位论文．2005金鸿章，姚绪梁编著．船舶控制原理．哈尔滨：哈尔滨工程大学出版社，2002。7：1-2页26-27页29-30页吴秀恒，张乐文，王仁康编著．船舶操纵性与耐波性．北京：人民交通出版社，1988．12彭秀艳编著．工程随机过程．哈尔滨：哈尔滨工程大学出版社，2000：136-138页王晓陵编著．系统建模与参数估计．哈尔滨：哈尔滨工程大学出版社，2002陶尧森编著．船舶耐波性．上海：上海交通大学出版社，1985：52-83页龚耀寰编著．自适应滤波(第二版)．北京：电子工业出版社，2003古德温，G．C，孙贵生编著．自适应滤波、预测与控制．张永光，洪惠民，刘峰译．北京：科学出版社，1992．188Ⅲ幽嘲Ⅲ叫嘲忉网嘲．呈l三呲mm\n哈尔滨1。手旱犬学硕十学位论文[15]杨位钦，顾岚编著．时间序列分析与动态数据建模．北京：北京工业学院出版社，1986[16]MikiHaseyama,HideoKitajima．AnARMAOrderSelectionMethodwithFuzzyReasoning．SignalProcessing，2001．81(6)，PP．1331—1335[17]YaseminMerzifonluoglu，JosephGeunes．RequirementsPlanningwithOrderSelectionandDemandTimingFlexibility．2004IEEEAnnualConferenceandExhibition，2004，PP．450-455[18]彭秀艳，赵希人，吕淑萍，魏纳新．具有艏前波观测量的大型船舶姿态运动预报．系统仿真学报，2002．6：809—814页[19]赵希人编著．随机过程应用．哈尔滨：哈尔滨工程大学出版社，2003[203彭秀艳．船舶运动姿态在线预报及仿真技术研究．哈尔滨工程大学博士学位论文．2006[21]谢美萍，沈艳，彭秀艳，赵希人．船舶运动的一种改进经典谱估计方法．船舶工程，2000(4)：6-10页[22]赵希人，陈虹丽，艾晓庸等．船舶运动纵向受扰力和受扰力矩估计方法研究．哈尔滨工程大学学报，2004(2)：167—170页[23]赵希人，唐慧妍，王宪荣，彭秀艳．船舶受扰估计与受扰建模．船舶力学，2004(4)，V01．8，No．4：35-41页[24]李子富，杨盐生．船舶在规则波纵摇与升沉运动的仿真．大连海事大学学报，2002(8)[25]CemKadilar，CermpErdemir．ModificationoftheAkaikeInformationCriteriontoAccountforSeasonalEffects．JournalofStatisticalComputationandSimulmion，2003，73(2)，PP．135-143[26]李殿璞编著．船舶运动与建模．哈尔滨：哈尔滨工程大学出版社，1989[27]安鸿志，陈兆国，杜金观，潘一民编著．时间序列的序列与应用．北京：科学出版社，1983[28]黄世涛，宋继良．海浪信号的实时仿真．哈尔滨理工大学学报，2001(12)[29]赵希人，陈虹丽，叶葵等．基于扩展卡尔曼滤波的船舶纵向运动受扰力与力矩的估计．中国造船，2004，45(3)：24—29页[30]朱文谱．自适应AR模型船舶运动预报方法．中国造船工程学会计算机应\n哈尔滨l：稃大学硕士学位论文用学术委员会论文集，1993[31]SidrM，DoolinBF．OntheFeasibilityofReal．timePredictionofAircraftCarrierMotionatSea[J]．IEEETransactionsonAutomaticControl，1983，AC一28(3)：PP．350—352[32]GautierM，Ph．Poignet．ExtendedKalmanFilteringandWeightedLeastSquaresDynamicIdentificationofRobot．ControlEngineeringPractice，2001．9(12)：lOP．1361—1372[333LarrieD．Ferreiro，TimothyC．Smith,ete．PitchStabilizationforSurfaceCombatants．NavalEngineersJournal，July，1994[34]I．R．Yumori．RealTimePredictionofShipResponsetoOceanWavesUsingTimeSeriesAnalysis．1981[35]Lill'N．K．，RealTimeEstimationofShipMotionUsingARMAFilteringTechniques．Proc．ASMEOMAE．198790\n；；!窒垒堡三垒奎茎!生茎堡丝耋；；；；；攻读硕士学位期间发表的论文和取得的科研成果[1]彭秀艳，赵希人，徐琳琳．船舶姿态运动实时预报算法研究．系统仿真学报．2007年第2期[2]PengXiuyan，ZhaoXiren，XuLinlin．Real—timePredictionAlgorithmResearchofShipAttitudeMotionBasedonOrderSelectionwithComerCondition．ISSCAA2006．Jan．，19—21，2006．(被ISTP检索)9\n哈尔滨工程大学硕士学位论文致谢光阴荏苒，两年的研究生时光转瞬即逝，在论文即将完稿之际，向帮助我、关怀我的老师和同学致以最衷心的感谢。首先感谢我的导师彭秀艳教授。本论文是在恩师的亲切关怀和精心指导下完成的。彭老师对研究工作一丝不苟，对学生要求严格。在我论文指导过程中，我的理论水平有了较大提高，为今后进一步的深造打下了良好的基础。在论文的撰写过程中，赵希人教授也给我莫大的支持和帮助，帮我解决了实际工作中的难题。在此，对两位老师给我的帮助，我铭记在心，向他们表示最崇高的敬意和深深的谢意。感谢王显峰、杨雪晶和于占东老师对我学习和研究的帮助和支持，感谢实验室兄弟姐妹对我的提点与帮助，两年的生活让我们互相了解、互相关心，营造了浓厚的学习气氛和温馨的生活环境，让我顺利完成论文。在此，谢谢我的兄弟姐妹，祝福他们再接再厉、勇攀高峰。感谢对论文进行评审、提出宝贵意见的各位专家。感谢我的父母家人对我的关心和鼓励，感谢陪在我身边的同学对我的支持和帮助。最后，我感谢我的母校——哈尔滨工程大学对我的培养教育。我要把我的论文作为最好的礼物回馈给大家，以感谢大家对我的支持与帮助。\n船舶运动仿真及建模预报研究作者：徐琳琳学位授予单位：哈尔滨工程大学相似文献(3条)1.期刊论文彭秀艳.尹中凤.高奇峰.PengXiuyan.YinZhongfeng.GaoQifeng船舶运动预报仿真系统设计-仪器仪表学报2005,26(z1)详细介绍了船舶运动预报仿真系统的组成原理及硬件和软件的工程实现.提出三自由度仿真平台可以独立模拟升沉、纵摇、横摇运动.介绍了实船运动仿真的原理和在线预报船舶姿态运动的算法,AR在线建模预报方法,该方法简单实用.最后给出了船舶纵摇运动预报结果并与实船纵摇运动进行了比较.幅值预报与相位预报精度均优于5%.2.期刊论文彭秀艳.尹中凤.高奇峰.PengXiuyan.YinZhongfeng.GaoQifeng船舶运动预报仿真系统设计-仪器仪表学报2005,26(8)详细介绍了船舶运动预报仿真系统的组成原理及硬件和软件的工程实现.提出三自由度仿真平台可以独立模拟升沉、纵摇、横摇运动.介绍了实船运动仿真的原理和在线预报船舶姿态运动的算法,AR在线建模预报方法,该方法简单实用.最后给出了船舶纵摇运动预报结果并与实船纵摇运动进行了比较.幅值预报与相位预报精度均优于5%.3.会议论文彭秀艳.尹中凤.高奇峰船舶运动预报仿真系统设计本文详细介绍了船舶运动预报仿真系统的组成原理及硬件和软件的工程实现.提出三自由度仿真平台可以独立模拟升沉、纵摇、横摇运动.介绍了实船运动仿真的原理和在线预报船舶姿态运动的算法,AR在线建模预报方法,该方法简单实用.最后给出了船舶纵摇运动预报结果并与实船纵摇运动进行了比较.幅值预报与相位预报精度均优于5﹪.本文链接：http://d.g.wanfangdata.com.cn/Thesis_Y1097326.aspx授权使用：胡乃志(wfhygcdx)，授权号：36346d70-a4b2-46e7-8659-9e1a00fe0473下载时间：2010年10月25日