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武汉理工大学硕士学位论文船舶运动建模与特性仿真研究姓名：李修强申请学位级别：硕士专业：轮机工程指导教师：陈辉20100501\n武汉理一I：人学硕七学位论文摘要分析船舶的运动规律和控制方法可以通过海上实验，但实船海上实验存在成本高，周期长，而且具有一定的危险性等缺点。而利用船舶运动模型，通过仿真的方法进行实验克服了上述限制，可以在～定程度上反映船舶运动的规律，替代部分海上实验。因此，研究船舶的受力状况和数学模型对研究船舶运动控制及海洋平台的动力定位均具有重要意义，在开发各种推进方式的船舶模拟器中也具有重要地位。本文通过对船舶受力和系统各组成部件运动学规律的分析，建立了船舶三自由度运动的数学模型，并考虑了环境干扰力对船舶运动的影响，进行了相关的仿真实验，对船舶运动位置和航向变化进行了分析。本文的主要工作如下：(1)介绍了研究船舶运动时的坐标系统，船舶在运动时所受的各种形式的作用力，影响螺旋桨推力和转矩的因素，以及船舶运动时船体和螺旋桨的相互作用。(2)研究了四象限螺旋桨特性及其解析形式，探讨了螺旋桨有效推力和转矩的计算、船舶附加质量和船舶阻力的相关内容，并建立了船．机．桨系统的数学模型。(3)在数学模型的基础上建立基于MATLAB／simuliIll(的仿真模型，并进行船舶典型工况仿真实验，通过与KONGSBERG软件运行结果的对比，表明本文所建模型可以反映船桨系统的动态特性。(4)分析了船舶运动系统和环境干扰力的特点，根据船舶运动学规律建立了船舶三自由度运动方程，计算了质量阵和阻尼阵，并将运动方程表示为状态空间形式，然后对设定推力情况时的船舶运动进行了仿真研究，对船舶位置和航向受干扰力的影响进行了分析。本文建立的船．机．桨模型可以为电力推进系统基于dSPACE的硬件在回路仿真研究提供参考，船舶三自由度运动模型可以在一定程度上反映船舶的运动规律，是船舶和海洋平台动力定位研究的探索。最后，对本文工作和存在的问题进行了总结，提出了下一步工作设想。关键词：船舶运动模型，仿真研究，螺旋桨特性，MATLAB／Simulinl(\n武汉理一l：大学硕十学位论文AbstractMoV锄entmles锄dcontr01methodsofShipscallbe锄a1)，zedthrou曲shipexp嘶m锄tsatsea，howeV％theseexp耐melltsareofhi曲cost，longcycle，柚dsometimeshaVesome—sks．IIlstead，simulationexpenmentsofshipmotionmodelcould0vercomemesedisadvaIltages，andtoacertainextent，theyc舳reflecttlleshipmoVementnlles，锄dr印lacesomeoftheseaeXp甜meIlts．TherefIore，s觚蛳ngforce狮dmath锄aticalmodelsofshipsnotonlyhaLs伊eatsignificancetoshipmotioncontl讲a11ddyn锄icpositioningofoff．Shoreplatfo册，butplaysaVeryimportalltroletothedeVelopmeIltofaVarietyofshipsimulator．Basedontheanalysistoforceandthelawofkinematicsofsystenlcomponentsofships，tllispaperestablishesShipmathelnaticalmodelinthreedeg聆esoff沁edom，锄dconsiderstheenViro姗entaldisturballceforceontheshipmoVelllellt，a11dthellrelatedsimulationeXp甜meIltsaredonewhilepoSitionandheadingchangesoftheShipmotionareaIlalyzed．(1)T11ispaperintroducesthecoordinatesyst锄oftheshjp，V撕ollSfo册sofforceitsu行打s，thefactorswhichimpactthepropellerthrust锄dtorque，aIldtlleinteraCtionbe帆eeIltheshiphullaIldpropellermoV锄ent．(2)Four-quadrantpropellercharacteristicsanditsanal”icalfo肌aresnldied，锄d硪．ectiVepropellerthmstandtorquecalculationmethod，addedmassoftheshipandrelatedcontentarediscussed，aswellasthemathematicalmodelofship—motor-propellersystelnisbuilt．(3)onthebasisofthemathematicalmodel，tllesimulationmodelisbuiltwithMATLAB／SimuliIll(，锄dmecorrespondingsimulalionexp甜mentiscompleted．CompaIIedtotheKONGSBERGru衄ingresults，tIlemodelinthisp印erC0uldreflectdynamic6h撇ct“sticsofthepropellersySteIll．(4)111echaraIct舐sticsofshipmotionsyst锄觚dthee11Viro姗eIltalint晌cepowerareanaly别，equationsont111．eede乎优sof骶edomofmotionarecreatedaccordingtomeshipkineInaticslaw，andthemassanddampingm嘶xarecalculatedwhiletllemotionequationisexpressedinstatespacefo册，aIldmeIlthesimulationeXperimentswithatllruStsetiscompleted．AfIermat，theimpactoninterf．ereIlceforCe\n武汉理工大学硕十学位论文forshippositionandcourseisdlscussed·Theship．motor-propellermodelherecouldact弱aref打encef．orele碱calpropulsionsystembasedondSPACEhardwareintheloopsimulation，meshipmodelontllree．degreeoff诧edom，tosomeextent，renectstheShipmovementlaw，whichisauthor’seXplorationresearchind)rIl锄icpositioningofshipsando仟Shoreplatf．o肌．Finally，themaincontelltsandmeexistentprobleIIlsaresumm撕zed，锄dmef沮ureworkisp∞posed．Keywords：Shipmotionmodel，Simulationstudy，Propellercharact舐stics，MATLAB／Simulinkl玎\n独创性声明本人声明，所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得武汉理工大学或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。签名：盔堡主虽日期：21f旦!兰：12学位论文使用授权书本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权武汉理工大学可以将本学位论文的全部内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存或汇编本学位论文。同时授权经武汉理工大学认可的国家有关机构或论文数据库使用或收录本学位论文，并向社会公众提供信息服务。(保密的论文在解密后应遵守此规定)研究生(签名)：备锅；虽导师(签名)否蝴跏／p．芗．，尹．\n武汉理上人学硕士学位论文第l章绪论1．1选题的背景及意义世界经济的快速发展和贸易的不断扩大给海上交通注入了活力，造船、航运和港口物流业等产业抓住了难得的机遇，得到了蓬勃发展。船舶呈现出专业化、大型化、多样化和高性能等特点。不同船型，如集装箱船、巨型油轮、拖轮、工程船舶等的运动各有特点，操纵复杂程度和难度也越来越大。船舶的数量不断增多，航速不断提高，航行密度加大，使港口交通变得更加拥挤，船舶操纵控制难度加大，船舶出入港的时间增加。尽管科研机构和企业不断将新技术应用于船舶，仍然避免不了碰撞等海上事故的增加，降低了船舶营运的效率，造成了人员伤亡、经济损失和环境污染【lJ。海运的发展要求海上交通安全与管理更加严格和规范，国际海事组织不断地提出关于船舶操纵性能的新要求。早在1985年，国际海事组织就提出了估算船舶操纵性能的“初步指南"【2J'规定了船舶操纵性的基本要求。1993年，IMOA75l(18)决议又通过了“船舶操纵性暂行标准’’【3】，更加详细地阐明了船舶设计应当满足的回转能力和偏航纠正能力指标，对停船过程也提出了操纵要求。值得一提的是，这个标准里提出在船舶初始设计阶段可以用小型船舶模型或船舶操纵运动的数学模型进行计算机仿真预测船舶的操纵性能，只要船模实验结果或船舶操纵运动数学模型仿真的结果符合有关规定，就认为新设计的船舶符合船舶操纵性的暂行标准。从此，新建造的船舶就不再像以往一样必须进行实船海上实验。这是第一次明确规定可以用数学模型通过计算机仿真计算预报船舶的操纵性【41。这一规定是船舶运动数学模型发展的结果，也为其预报船舶操纵性能提供了更加广阔的应用空间。当然，“标准”也对计算预报的精度提出了很高的要求，迫使人们对数学模型投入更多的精力和财力进行研究，才能够得到符合要求的仿真结果。目前，在船舶初始设计阶段预报船舶操纵性能仍然是数学模型的一个主要用途，它可以演练船舶进出港的过程，分析其受力状况和运动规律，能够指导新泊位的设计和港口的规划，有利于增强船舶航行与营运的安全性，从而提高经济效率，比实船海试在某些方面具有很大的优越性。船舶运动模拟的另一个重要用途是研制航海模拟器。国际海事组织在其颁布的sTCW78／95公约中强调了研发适用的航海轮机模拟器的重要性，并要求将\n武汉理T大学硕士学位论文其推广应用。明确要求，在航海教育培训过程中必须有实际操作模拟器的项目【51。航海模拟器要为操作者提供尽可能逼真的操作环境，这就必须为船舶运动建立较精确的数学模型，它是分析船舶运动的基础，其准确性是模拟器成功开发的关键。航海模拟器可以使受培训人员在上船之前掌握必须的知识和专业技能，为现代航海提供了符合条件的大批合格船员。由于当今社会是一个知识爆炸的社会，一个信息化时代的社会，技术更新加快，特别是计算机技术，自动化技术等将会以很快的速度应用到船舶行业，科技人员研发出了越来越先进的导航和自动化控制设备，并将其装备在新建的船舶上，因而，现代科技的进步给海员各方面的素质提出了更高的要求，一名合格的现代海员必须不断学习新知识、新技能才能胜任操纵管理现代化船舶的工作。航海模拟器也必须不断更新换代才能够逼真地模拟各种新船型和新设备，满足船员对新知识和技能的需要，满足IMO相关规定的要求，所以，航海模拟器仍有很大的发展和改进空间。目前，海运发达国家仍在不断地升级现有模拟器和研发更加先进的产品，其他国家的科研单位和高校在引进吸收先进模拟器技术基础上自主开发新的模拟器。这些模拟器的开发呈现出两种发展趋势：第一种趋势是开发功能更加强大，系统更加复杂，数学模型更加能够反映真实海况和实船情况，专门用于海员培训的模拟器，这种模拟器是一种大型的装置，它具有多种典型船型并根据发展情况不断增加新的船型；另外一种趋势是新开发的模拟器有很强的针对性，以科研为目的，希望能够通过模拟器的研究开发出性能更加优越的现代化船舶，实现更高水平的自动化，人员生活和工作更加舒适等。美国国家海事科学院以开发新型的驾驶台、海上避碰研究和港口安全航行为目的，开发了一台综合性很强的计算机仿真研究装罱。该装置系统复杂，功能强大，用途非常广泛。日本石川岛播磨重工开发的模拟器主要用于船舶设计，对新设计船舶操纵性进行预报，并对船舶、船舶操纵人员和操舵机械构成的综合系统特性进行分析。瑞典国家海事研究中心的产品与上述两家有不同特点，其模拟器尺寸比较小巧，但用途广泛，可用于分析工程船舶在港口内的运动，也可以用来研究船舶在限制航道内的操纵【4】。无论上述哪种模拟器，都是建立在船舶运动数学模型的基础上的，建立适用的船舶运动数学模型是模拟器成功设计的关键。一般而言，船舶模拟器中数学模型的准确性直接决定仿真的效果，是开发中首先要考虑的问题；另外，视景技术对仿真装置外界环境的模拟也会影响仿真器的效果：再次，计算机的性能、仪器仪表的仿真效果，组态软件的界面等都很重要。目前，国内外在航海模拟器的研制方面进行了不少研究，已经具有2\n武汉理．1：大学硕士学位论文了多种推进方式的船舶运动数学模型，但仍需要对其进行完善，尽量建立更多的类型，从而逼真地模拟各种类型的船舶。例如，有些船舶采用吊舱式电力推进，将发电装置布置是船上，而推进系统采用吊舱，采用这种推进方式便于船舶设备和舱室的灵活布置，增大了有效载重空间。目前，这种推进系统在潜水作业供应船、海洋平台、补给船、港口工作船和游轮等船舶上应用较广，在军用舰艇上，吊舱式电力推进系统发展潜力也很大。各造船大国和研发和生产电力推进装置的企业在该领域投入了巨大的人力和财力，使得吊舱式电力推进技术不断进步，取得了很大成就。在短短的十多年间，国外在吊舱式电力推进器的研发和实际应用方面不断突破，而我国对吊舱式电力推进器的研究还没有太多的实践经验，还没有得到普遍应用，因而亟待尝试对其进行深入研究，采用仿真分析就是一种较好的方法。在仿真研究中，数学模型有多种形式和分类方法，按照不同的标准可以划分为静态模型和动态模型，确定性模型和随机性模型，连续模型和离散化模型，线性模型和非线性模型等。船舶运动数学模型一般从实际应用角度分为线性模型和非线性模型【4】。线性模型把船舶运动系统看成线性系统，按照线性系统的方程式对其进行仿真分析。船舶运动线性模型主要应用于船舶自动舵和中等以下强度的船舶操纵控制器的研发中，在船舶与海洋工程的动力定位装置的设计中也有广泛用途。此外，线性模型还用于船舶运动稳定性的分析，精度要求不太高的船舶运动仿真计算等。在预报船舶操纵特性方面，非线性模型比线性模型更加精确，一般采用状态空间型的表达方式。在非线性模型中，系统的输入一般为船舶运动时所受各种力，不仅考虑主控制力，还对外界环境干扰力，如风力、浪力、流力，建立相应的数学模型进行模拟研究，各种干扰力的模型越能真实反映真实海况模型的逼真程度就越高。非线性模型在预报船舶操纵特性和各类航海模拟器的设计中都被广泛采用。现阶段，船舶推进的主要型式是以柴油机为船舶主机直接或间接驱动螺旋桨的机械推进系统，对这种推进方式进行的分析研究也开展了很多工作。此外，电力推进在各种工程船舶上也是应用较广的船舶推进方式。采用电力推进的船舶以电动机作为船舶主机驱动螺旋桨【6】。船舶采用电力推进方式在很多方面优于柴油机做主机的推进方式。这种船舶启停迅速，多配备全回转推进器，可根据需要调整推力方向，在必要时可以做侧推。柴油机只用于发电，与螺旋桨之间无硬性连接，发电柴油机转速不受螺旋桨转速限制，可选用中高速机并在恒定转速下工作，避免柴油机的低负荷\n武汉理．J：人学硕十学位论文使用。同时柴油机可以灵活布置，用多台中速机代替大型低速机，这样既方便了对电力推进装置的维护工作，又提高了船舶的技术经济性能，显示出采用电力推进方式的船舶极强的生命力。另外电力推进在制动时能通过励磁电流转化为电抗性电流来实现，也可通过变换推进器方向来实现，制动性能好，因此电力推进得以在多种船舶上应用，受到人们的欢迎。电力推进还在提高全船自动化程度，减少船员，以及全船电子设备的扩展应用等方面显示出良好的发展前景。不论哪种推进方式，都是原动机直接或间接地驱动推进器，整个动力系统的性能取决于船舶主机的特性和负载的特性。对整个船舶而言，要获得较高的效率要求船体与动力系统配合得当，这就需要研究推进主机和螺旋桨的自身性能和配合要求，对其进行分析和建模是建立整个船舶的数学模型的基础，对整个船舶运动建模和仿真研究也非常重要。在设计电力推进装置时，必须使推迸电机和螺旋桨等部件满足各自性能指标的要求，这就需要对电力推进动力系统实验，进行带桨考核。当然，在动力系统带桨实验之前很有必要用仿真的方法进行分析，当前，已经进行了一些关于船舶推进系统的仿真研究，并取得了一些成绩，但距离实际的电力推进系统还有不少差距，在很多方面需要改进和完善才能更好地反映动力系统运动性能。在实验室条件下，能否提供较为接近实际的螺旋桨负载特性，成为很多研发人员关心的课题，同时，研究者也对其可行性进行了论证，认为用实际的螺旋桨或用电机模拟螺旋桨进行相关研究是科学的，可以进行相关分析和研究系统的静态和动态性能，对系统的运行进行预测。国内外对船舶电力推进技术都很重视，越来越多的研究机构、企业和高等院校都已经或筹备建设专门的实验室，2007年，舰船综合电力技术国防重点实验室成立，实验室主要依托海军工程大学和中国船舶重工集团第七一二研究所，研究综合电力技术在舰船上的应用，对舰船动力系统、舰船总体结构等的优化具有重要意义，涉及舰船发电技术、电力推进技术等领域。但关于螺旋桨负载仿真的研究成果还不多。对螺旋桨负载特性的研究可以将实际的螺旋桨放在蓄水池中进行物理模拟，也可以利用知名机构关于螺旋桨敞水试验的数据，利用机械的装置，或者电气和机械相结合的装置构建仿真系统模拟螺旋桨。物理仿真要求条件较高，受资金、设备、实验条件等因素限制，还会产生较大噪声，一般的科研人员和研究机构不具备这样的条件，因此这种方法不能得到广泛的应用。后一种研究方法可以不受实验水池等条件的约束，在实验室就可以搭建起仿真系统装置，一般的研究机构都具备这样的实验条件，因此被很多研究者4\n武汉理+r大学硕十学位论文采用【7】【引。武汉理工大学系统仿真及控制工程研究中心在船舶轮机模拟器方面已经进行了长期的研究，建立了多种船型的轮机模拟器，在国内轮机模拟器研究方面处于领先地位。中心的船舶电力推进实验室在船舶电力推进方面丌展了不少研究工作，涉及对推进系统进行建模、监控、推进电机的调速控制等方面。随着电力推进技术应用的增多，开发电力推进的船舶模拟器对于培训在这种推进方式上工作的船员，对水上专业的学生认知采用电力推进的船舶均有重要意义。系统仿真及控制工程研究中心在船舶动力定位方面也开展了研究工作，希望通过对电力推进船舶运动规律和多推进器的推力分配的研究为海洋平台的动力定位研究奠定基础和积累经验。本文通过对船舶的受力分析和船舶运动特点，建立电力推进船舶的船．机．桨系统的数学模型和仿真模型，对电力推进船舶的运动规律进行研究。本文选用仿真工具MATLAB／Simulillk，主要考虑到今后对负载模拟电机的控制要采用德国dSPACE实时仿真系统，基于MATLAB／Simulink的模型可以通过dSPACE系统的RTl(Real．TimeIntemce)和RTW(Real-TimeWorkshop)自动生成实时代码，并下载到系统硬件，不需要手写程序代码，极大的减轻了开发者的工作强度，节约了整个过程所需的时间【9】1101。1．2国内外船舶运动数学模型和船机桨特性研究情况1．2．1国内外船舶运动数学模型研究情况船舶运动数学模型的研究始于20世纪30年代。1920年，陀螺罗经被用于船舶导航，使航向测量精度的量级达到了lo，为自动舵的诞生准备了条件。1940年，流体力学的发展统一地解释了船体、螺旋桨、舵等产生流体动力的机理，为建立船舶运动数学模型奠定了理论基础。到1946年，DaVidson深入研究了船舶的回转性和航向稳定性，并用数学方程表示出船舶的操纵运动，由此，关于船舶操纵的研究在理论上取得了突破。20世纪60年代，造船和航运界出现了VLCC船舶，对其操纵特性的研究使船舶运动数学模型得到改进和发展。1957年，野本谦作开始将船舶看作一个动态系统应用经典控制论进行分析，线性数学模型出现并得到认可。1965年，Cllisl甜等人分别用数学模型和缩尺船模进行了相关实验，两者结果非常接近，证实了船舶操纵数学模型的应用价值，鼓舞了当时的研究人员。20世纪70年代，船舶运动数学模型的研究中开始运用现代\n武汉理下大学硕：仁学位论文控制理论和系统辨识技术，通过实船或船模试验得到相关的数据作为数学模型的已知条件，以求得方程中的导数，从而得到确定的数学模型，这种模型可以根据外界航行条件的变化，通过计算得到方程中导数，基本做到了实时辨识，使船舶运动数学模型得到进一步的发展lJ】。在船舶运动数学模型有整体型模型结构和分离型模型，发展整体型模型结构的学派是欧美学派，是Abkowitz在60年代初提出的，此外，瑞典的Non七in提出的整体型模型在早期的模拟器中也得到了应用；发展分离型模型结构的学派是同本学派，分离型模型结构是同本拖曳水池委员会(JTTC)提出的，通常称为MMG学派(ManoeuvringModelGroup)。整体型模型结构把船舶看作一个整体，不考虑船舶各成部件之间的流体动力干扰，研究船舶所受的外力和力矩，可表示为』萎乞邓：％一(1-1)【艺MD=M+MD式中，∑户(∑露o)即为船舶所受的外力和力矩；户(厨)代表船舶所受的所有流体动力(力矩)，元(砑D)代表外界环境干扰力(力矩)，包括风力、浪力和流力。船舶所受的总流体动力和流体动力矩数量上与很多因素有关，针对特定的船舶，其受到的力和力矩可以表示为r一一一二一二{儿邢，0Q，譬如)(1-2)【竹=M(矿，矿，Q，Q，万，疗)其中矿一船舶航速，旷一加速度，壶一角速度，矗一角加速度，艿一转舵角度，刀一螺旋桨转速。由于船舶运动非常复杂，到目前为止，一般采用约束船模实验的方法，用理论方法计算函数户和砑的难题仍然没有得到很好的解决。把总的流体动力尹和流体动力矩府的分量分别表示为“，’，，w，五，帝，伽，p，g，，．，声，口，户，万，以的函数，在此基础上，再应用Taylor级数将各函数展开，展开式中将出现一阶、二阶、三阶，甚至更高阶的流体动力导数。流体动力采用整体化方法建模，由于导数取的多，精度也很高，不必考虑船舶各部分之间的干扰，被较多具有精良实验手段的研究机构采用。但是，很多高阶的流体动力导数不具有明显的物理意义，试验结果的通用性差，无法解释船模和实船之间的相关性，整个试验过程和实验设备昂贵，普通的研究人员6\n武汉理1：入学硕士学位论文很难采用。70年代，在日本拖曳水池委员会组织下，船舶操纵运动数学模型研讨小组(ShipManoeuvnngMath锄aticalModelGfoup，MMG)成立11l】。研讨小组提出了～套船舶运动数学模型，用来预备船舶的动态响应和开发相关的模拟器，MMG模型将作用于船舶上的流体动力和力矩进行分解，分别对船体、螺旋桨和舵的受力情况进行分析，并研究了三者之问的干涉。同本还成立了低速浅水域船舶操纵运动数学模型研究专门委员会(MSS)，80年代末，专门委员会得出了考虑低速和浅水影响的操纵运动数学模型。随着各种船模试验资料的增加，逐渐提出数学模型中各种水动力导数的回归公式，使得船舶操纵性仿真预报可以不再仅仅依靠船模试验，这些都是数学模型发展的成果【眩】。MMG模型将理论分析和试验研究相结合，可以利用以前研究者的试验数据和经验公式，建立自己的数学模型，进行相关的仿真研究。目前，整体型和分离型船舶运动数学模型都在进一步的完善中，并且两种模型结构也在相互借鉴对方的优点。Abkowitz的工作中也将桨和舵的效应进行了单独考虑，MMG学派有时也将船、桨和舵三者或其中两者组合起来进行实验。1998年，韩围的Ho．YongLee在贵岛的模型基础上，做了PMM试验，实验使得MMG分离型模型进一步完善【13】。2003年，MARSIM会议在日本召开，贵岛在其模型中加入了考虑船舶尾形系数影响的估算式，进一步提高了对操纵性预报的精度IJ4】。最近几年，对数学模型的研究主要表现在针对特殊的实际问题进行研究，例如，Senda和Kobayaslli对船舶减速、停船工况进行了建模和控制算法研究。BeIlvenuto等人建立了推力系统的仿真模型，并与实船实验进行了对比研究Il引。由于各方面的原因，我国在船舶运动数学模型的研究方面起步较晚。为研制自主知识产权的仿真训练系统，国内航运和船舶领域的研究者逐渐认识到这一领域的重要性。周昭明等人较早地在国内进行了船舶操纵性仿真预报方面的研究，他们还得出了井上试验数据中非线性水动力导数的回归计算公式。李美箐，乐美龙等人进行了考虑风、浪、流影响以及浅水域、变工况操纵性预报【5l。杨盐生、李殿璞、陆惠生、蒋维清、董国祥等人都为我国船舶数学模型的发展做出了一定的贡献。我国开展这方面研究的单位也比较多，海军大连舰艇学院较早的开展了操纵运动仿真训练系统的研究开发，大连海事大学、哈尔滨工程大学、上海海事大学、集美大学和河海大学等高等院校也开展了相关的研究。中国知名的大型\n武汉理工人学硕士学位论文航运公司，如中国远洋运输集团、中国海运集团等，研究机构，如上海船舶运输科学研究所等单位都相继引进、研究、开发并配备了船舶操纵模拟器。目前，大连海事大学研制的航海模拟器已经比较全面，他们已经建立了固定螺距螺旋桨推进、可变螺距螺旋桨推进、喷水推进、直翼推进等推进方式的推进器数学模型。海军装备研究院和上海交通大学对吊舱式电力推进器水动力性能方面的研究较早。张庆文提出了估算吊舱推进器敞水性能的方法，通过对MAu型桨√屏一万图谱的计算，得出了相应的回归系数。马聘对吊舱式电力推进器定常水动力性能的势流理论计算方面进行了研究【I61。1．2．2国内外船舶电力推进船机桨特性研究情况随着电力推进技术的不断进步，其在船舶上的应用日趋广泛，迫切需要对其进行更深入更全面的研究，利用负载模拟装置对船．机．桨系统进行实验分析的方法被较多采用。哈尔滨工程大学采用直流电机模拟螺旋桨，利用计算机控制技术，通过控制直流电机的电枢电流，实现了电机转速的控制，可以模拟螺旋桨实际工作时的负载特性f17】f阍。负载电机选用直流发电机，推进电机选用直流电动机，转矩和转速的测量分别选用转矩传感器和转速传感器，转矩给定值通过所建船．机．桨模型给出。这种实验装置的动态响应和船舶实际系统的响应曲线比较接近，可以反映船舶起航和倒退时螺旋桨的工作性能。大连海事大学船舶电力推进实验室开发了螺旋桨特性模拟装置，该装置选用直流发电机模拟螺旋桨，与变压器等共同组成基于DSP的转矩与电流两个闭环调节的转矩伺服系统，DSP控制系统又由船桨模型、转矩调节器、电流调节器等组成【7J。实验过程中，直流发电机作为推进电机的轴负载，负载轴上的转矩和连接轴的转速用转矩转速传感器实时测量，将测得的值送给DsP，与船桨模型计算得到的转矩值进行比较，再将两者差值送给转矩调节器，用电流调节器的输出控制晶闸管的触发电路，控制负载电机的电磁转矩，使负载电机轴上的转矩和模型计算的转矩值一致，从而实现负载装置的模拟。该仿真装置可以仿真船舶稳定航行和不稳定航行时的螺旋桨工作性能。上海海事大学以一艘液化船为原型开发了双三相半实物电力推进仿真系统，母型船采用双机双桨吊舱式推进系统，推进电机为一台低速永磁同步电机。负载选用低频多极三相交流异步电机以模拟螺旋桨，负载电机通过机械轴直接与推进电机刚性连接【19J【20】。在仿真实验中，负载电机转速由推进电机决定，转矩由所建数学模型计算得到，然后，转矩调节器按照这个转矩调节控制负载电机的变频器，从而实现负载电机的转矩控制，复现螺旋桨的特性。\n武汉理T大学硕士学位论文国外从事这方面研究的单位主要有Nome季aIlUniversityofScience锄dTechnolo影，ABB，sIEMENS等。其中，No俐蟛allUnivers时ofSciellceaIldTechnology在研究螺旋桨负载特性的时候选用了WageningenB—Screl)IrS嘶es试验图谱，用傅立叶分析进行拟合。设计了控制器对螺旋桨进行扭矩和功率控制，并进行了相关实验。1．3论文主要研究内容本论文建立了船．机．桨系统的数学模型及其仿真模型，并建立了船舶三自由度运动的数学方程及其仿真模型，考虑了环境干扰力的影响，并进行了相关实验。本文主要工作为：(1)查阅了关于船舶运动数学模型和电力推进船．机．桨模型研究的相关文献，并详细分析了船舶在外界干扰下运动的坐标系统和受力情况；(2)为得到船舶运动的推力，分析了螺旋桨的结构参数、敞水及装船后的工作特性，建立了船．机。桨系统的仿真模型，然后进行了相关实验，并将实验结果与挪威KONGSBERG软件运行结果进行了对比，以验证模型的正确性。(3)根据船舶运动时动力学和运动学原理，建立了船舶三自由度运动的数学模型，并考虑了低频环境干扰和高频环境干扰对船位的影响，搭建了基于MATLAB／SimuliIll【的船舶运动的仿真模型，在此基础上进行了仿真实验，结果表明本文所建模型可以在一定程度上反映船舶运动的规律，但仍需改进；(4)对本论文工作进行小结，对本文不足和今后的研究工作进行展望。9\n武汉理T大学硕十学位论文第2章船舶运动基础和螺旋桨特性船舶运动的仿真研究需要建立复杂程度适宜，能满足实验需要的数学模型，而建立数学模型的基础是掌握系统各组成部分的基本知识。本章首先介绍了船舶运动中的坐标系统，分析了船舶所受的各种作用力，然后介绍了螺旋桨的主要参数和工作特性，船体和螺旋桨的相互作用等，为后续章节数学模型的建立和仿真实验提供理论基础。2．1船舶运动坐标系2．1．1惯性坐标系和附体坐标系研究船舶运动数学模型，首先要定义坐标系。正常情况下，船舶在风浪中的运动具有六个自由度，一般定义惯性坐标系和附体坐标系这样两个不同类型的坐标系，如图2—1所示。惯性坐标系也称为大地坐标系，作为系统研究的基准，一般用D。吒y。z。表示，并且规定艺轴正方向为正北，只轴正方向为正东，乙轴竖直向下指向地心。附体坐标系将原点取在船舶上某指定点o，D点一般取作船舶重心或船舶满载水线面的几何中心，用n班表示，规定x轴正向指向船首，y轴正向指向右舷，z轴指向船体龙骨【4】。在船舶运动时，附体坐标系在空间作任意的运动，是非惯性的坐标系统。or以i7Z．(a)惯性坐标系(b)附体坐标系图2．1船舶运动坐标系在分析船舶与流体的绝对运动或两者的相互作用时，～般在附体坐标系n彬内进行，这样有利于简化惯性力和流体动力的计算。在附体坐标系内得到的动力学方程与在惯性坐标系内得到的数学方程实质上是一致的，只是表现形式上有所不同，两个坐标系中的变量满足相应的变换关系。lO\n嘞横倾(a)方位示意图．j：j一／差＼G，1目7、---__一。～一，／》屯_rZw表示垂侦鬻纵翁用p咭以㈣晰啪图，瓶意度抽襁娥脚标进Ⅻ一惦蛳黼鄙一懈面示“f．矽硒赫‰．一叫丑，埔那函之用已JJ翰咖溉睡阻隧淼氟船标讶蛳菇在激㈨虢标㈨表用嘲撕附淑搬腔蹶触目膊嚣席一’U刚．勿、麓～¨雾\n武汉理工大学硕士学位论文在惯性坐标系内，可以用附体坐标系坐标原点D在惯性坐标系内的坐标无，儿，乞表示船舶的位置，若三者的变化率分别用【，、y、形表示，则有，克=u，丸=矿，之。=∥，并且％=睨+绕+眠(2—3)船舶的姿态指的就是附体坐标系和固定坐标系之间的方位关系，用方位角{f，，横倾角矽和纵倾角口表示。2．1．2两个坐标系运动学物理量之间的转换船舶的运动可以在附体坐标系内用速度向量“，’，，w和角速度向量p，g，，．表示，也可以在惯性坐标系内用位置向量的导数免，见，乞和姿态向量的导数矿，痧，多描述，采用哪种描述方式根据分析的具体问题而定，两者在实质上是～致小豳协4)唬●见●中，H=％lgl(2．5)H上述两式中乃、瓦为两个坐标系之间的变换矩阵，分别可以表示为lCos秒cos∥sin痧sin口cosy—cos矽sin少C0s妒sin9cosy+sin≯sin缈I乃=lCospsin沙sin≯sinpsiny+cos矽cos矿C0s≯sin臼sin缈～sin声sin缈l(2·6)l—sin秒sin≯cos秒cos矽cos秒Il1sin矽tan秒C0s矽t勰秒l％=locos矽一sin口I(2—7)losin矽sec9cos≯sec臼l2．2船舶所受的作用力现在分析在已经定义的坐标系内作用在船舶上的力。船舶的重力与浮力大小相当，方向相反，是一对平衡力，在船舶航行时可以不考虑。作用于运动中船舶上的力可以分为主动力、外力和流体动力。主动力中，螺旋桨的推力戽，舵的转船作用力毒，侧推力戽是主操纵力。除此之外还包括锚链张力和缆绳张12\n武汉理‘J：人学硕士学位论文力等，这些由船上专门的控制设备产生，用于控制和操纵船舶的运动。船舶在海上航行时受力情况受海况影响很大，许多事故往往发生在狂风暴雨的恶劣天气，这些外界环境的干扰力主要表现为船舶所受的风力，浪力和流力。地球表面的温度差引起大气压力变化，风是这种大气的压力差引起的空气流动。风作用于船舶的上层建筑，而上层建筑的大小主要取决于船型，所以，分析风对船舶运动的影响首先看船型，此外，风力大小还与视风强度及风舷角等因素有关。充分了解风力对船舶运动的影响，就可以采取有效的措施，如避开大风环境航行等，尽量避免事故的发生。此外，还可以利用风力，尽量做顺风航行。水受到扰动时，例如在水面受到风的作用，在水底受到地震波或者潮汐力等作用，水面上就会产生周期性的高低变化从而形成波浪。波浪会引起流体中压力在垂直分布上发生变化，形成波浪干扰力。波浪变化十分复杂，一般需要简化对它的分析，只考虑一阶或二阶的干扰力。按照不同的标准可以把流分成不同的类型，从时间上，可以分为定常流和非定常流，而从地理空问上，又有均匀流和非均匀流之分。在船舶运动数学模型研究中，基本上都把流简化为定常、均匀的流，这种假设适用于海洋上的船舶运动，但在港口，狭窄航道等受潮汐、风力、水底形状、海岸线形状、水中的湍流运动影响较大时会产生不定常和非均匀流。船舶在水面运动，同时受到主动力和干扰力作用，水面以上会受到风力作用，水面以下会在水与船体接触表面上产生流体动力。流体动力是作用于船体表面的正压力和切应力。按流体动力产生的原因，可以分为流体惯性力和粘性力。当船舶在流场中作变速或旋转运动时，会迫使船舶周围的流体做加速或减速运动，流体会施加反作用于船舶的力，这就是流体惯性力。流体惯性力在本质上是作用于船体表面每一微元处的流体压力的合力，可以用势流理论计算。由于流体惯性力的作用，物体的质量和惯性矩好像增加了一定的数值，这就是常说的附加质量和附加惯性矩。船舶在流体中运动的时候，由于流体的粘性，船舶会受到与来流方向垂直的升力和与来流方向一致的阻力的作用，这两个力可以看成是流体粘性力的分力。综上所述，作用于船舶上的力可以表示为∑F=最+层+易=E+％+耳+6+辱+‰+k+C。一(2．8)式中，戽为流体动力，戽为主动力，元为环境干扰力，丘为流体惯性力，元\n武汉理工大学硕十学位论文为流体粘性力，戽为螺旋桨推力，只为舵的转船力，耳为侧推力，屯为风力，瓦。为浪力，元～，为流力。作用于船舶上的力矩的表达式为∑而o=亟F+勋c+薅D=勋l+勋H七碗P+蔬R七面r+疏痢d七豌一七勋～(2．9、)式中，厨F为流体动力产生的力矩，厨c为主动力产生的力矩，露D为环境干扰力产生的力矩，皿为流体惯性力产生的力矩，厨珂为流体粘性力产生的力矩，厨P为螺旋桨推力产生的力矩，厨足为舵力产生的力矩，厨r为侧推力产生的力矩，厨。加d为风力产生的力矩，厨一为浪力产生的力矩，露一，为流产生的力矩。2．3船舶推进器2．3．1推进器的类型推进器是船舶的重要部件，它把船舶主机提供的力转化为推船运动的力。船舶推进器的种类较多，主要有风帆、明轮、直叶推进器、喷水推进器和螺旋桨等，下面逐一作简单介绍。风帆：19世纪初以前，船舶主要的推进器是风帆。风帆推进器利用风力，成本低，但采用风帆做推进器船舶的推力依赖于风力和风向，船速和操纵性易受到限制。目前主要应用在游艇和帆船运动中。科技高速发展的今天，化石燃料日趋紧张，提倡能源节约和利用可再生资源，出现了采用风帆作助推器的风帆助航节能船。明轮：明轮推进器的局部没入水中，其水平轴沿船宽方向置于水线之上，轮的边缘装蹼板。在操作时，蹼板拨水向后，而自身受到水流的反作用力推船前进。明轮有定蹼式和动蹼式两种，定蹼式明轮的蹼板沿径向固接在轮辐上，结构简单，造价低廉。其缺点是蹼板入水时产生拍水现象，出水时产生提水现象，因而效率低。动蹼式明轮可以借偏心装置控制蹼板，以调节出水和入水的角度，消除了上述缺点，故其效率较高。明轮曾广泛用作海船的推进器，但由于本身的机构十分笨重，且在波涛中不易保持一定的航速和航向，且蹼板易损坏，目前己很少使用。直叶推进器：通常由4叶到8叶垂直的叶片组成，叶片等问距的布置在圆盘上，放置于船体尾部船底，可以绕竖直的中心轴旋转，圆盘旋转时，通过叶片与水的相互作用产生推力。推进器上装有偏心装置，用于控制叶片角度，进14\n武汉理工人学硕士学位论文而控制推力的方向。船舶采用直叶推进器可以获得较好的操纵性，船舶后退航行方便，还可以较好地适应在大风浪海况下的工作。但是整套推进装置较复杂，叶片容易损坏。喷水推进器：喷水推进器是利用装在船上的水泵从船底吸水，喷向船尾，依靠喷出水的反作用力产生推力推船前进。螺旋桨：19世纪，螺旋桨作为船舶推进器逐渐得到了广泛应用，在实际的设计中，螺旋桨结构和效率上都有很大提高，直到今天，仍然是船舶上应用最广的推进器。采用螺旋桨推进器的船舶，主机产生旋转机械能，通过轴系把能量传递给螺旋桨，螺旋桨把旋转机械能转化为推进船舶前进的机械能。表2一l列出了几种推进器的效率及重量的大致范围，可以进行对比研究【211。表2．I几种推进器的效率及重量推进器类型推进器效率轴系传送效率推进系数推进器重量(kg理1p)明轮0．40～0．600．70～0．85O．30～0．50l≯30直叶推进器0．5孓加．700．85～0．950．45一加．604～8喷水推进器0．55～0．600．90～0．950．5啦加．55螺旋桨0．60～0．750．95～0．980．50～0．700．弘2．02．3．2螺旋桨几何学螺旋桨是目前船舶上应用最广的推进器，在研究螺旋桨的水动力特性之前，先来了解一下螺旋桨的几何特性。螺旋桨的基本结构如图2．3所示f22】f231。图2．3螺旋桨15\n武汉理．r大学硕}学位论文下面来介绍几个重要的螺旋桨参数：螺旋桨直径(半径)、毂直径(半径)：螺旋桨旋转且无前后运动时，叶梢所划过的轨迹是一个圆，称为梢圆。梢圆的直径就是螺旋桨直径，用D口表示，半径称为螺旋桨半径，用R。表示；桨毂一般是锥形体，取其平均直径称为毂直径，用drr表示，半径称为毂半径，用名r表示。螺旋桨的盘面积、叶面积和盘面比：梢圆的面积称为螺旋桨的盘面积，以4．n2表示，4=竺2；螺旋桨的全部叶面伸张轮廓所包含的面积总和称为伸张面积，。4它是全部叶面的真实面积，不是投影后的面积，用以表示；螺旋桨叶面积与圆盘面积之比，用4／4表示。螺距和螺距比：桨叶的叶面通常是螺旋面的一部分，等螺距螺旋面是某一线段绕与之成固定角度的轴以等角速度旋转的同时以等线速度向上移动得到的，这个线段称为母线，母线绕行一周在轴向前进的距离称为螺距，以Ⅳ表示；该螺距与螺旋桨直径之比，称为螺距比H／D。。进程：若螺旋桨在刚性介质中运动，就像螺钉在螺母中运动一样，那么旋转一周在轴线方向的前进距离等于螺距何。在流体中，螺旋桨旋转一周的前进距离小于H，其实际前进的距离称为进程，用^。表示。若螺旋桨的转速为，z，螺旋桨在水中实际前进速度为K，那么螺旋桨旋转一周在轴向所前进的距离为JIl，=巧／靠。进速系数(进速比)：螺旋桨进程的相对值是螺旋桨的一个重要参数，称为进速系数，进速比，用，表示【241。／：生：旦：(1一s)旦(2．10)DPnDP、’DP式中S为滑动系数，它表示进程JIl。与螺距何的差异大小S：必(2．11)月当螺旋桨正车旋转时，由船后向前看所看到的旋转方向为顺时针者称为右旋桨，为逆时针者称为左旋桨。装在船尾两侧的螺旋桨，在正车旋转时，螺旋桨上部朝船的中线方向转动者称为内旋桨，反向中线方向转动者称为外旋桨。16\n武汉理]：人学硕十学位论文2．4敞水螺旋桨的推力和转矩2．4．1敞水螺旋桨的推力和转矩螺旋桨在敞水中运转时产生的水动力和力矩，与螺旋桨直径DP、进速巧等参数有关，还与螺旋桨的转速聆、水的密度p、水的运动粘性系数y和重力加速度g有关，可以用数学式子表示它们之间的关系，用尸或r表示推力，用肘或Q表示转矩。P=石(啡，n，咋，p，y，g)M=Z(砩，刀，咋，p，y，g)(2．12)(2．13)获得螺旋桨推力的方法主要有两种，一种是利用力学知识进行理论计算，另一种是进行试验测量。但是，理论计算的方法非常复杂，现在还不完善，所以，一般采用试验方法。螺旋桨的推力P(转矩M)可以表示为尸=p矿D；砟，M=册2霹“或砗=高篆，“=之％式中，KP为推力系数，“为转矩系数，它们是螺旋桨几何参数，咋／，4，，zD；／y，，12p；／g：DP的函数。各无量纲变量的意义为：巧／加。表示螺旋桨进速比，，进速比相同，则螺旋桨与其模型在对应流体质点的速度方向相同，比值为常数，行迹相似，满足运动相似的基本条件；，o；／y表示雷诺数R，螺旋桨与模型雷诺数相同，则满足粘性力相似条件；疗2D；／gDP表示傅汝德数E=刀，婢／√gDP，若螺旋桨与缩尺模型只相等，则螺旋桨和缩尺模型满足重力相似。C与水面兴波有关，当沉深^，>O．625D，时，兴波的影响可以忽略，螺旋桨的流体动力性能仅取决于进速系数J和雷诺数R，即：砗=Z(J，足)(2-14)％=五(／，R)(2—15)在螺旋桨的模型试验时，满足进速系数和雷诺数同时相等会导致螺旋桨模型的转速和进速过高，推力过大，会给测量带来不便，所以，在敞水试验中，通常只要求进速系数相等，雷诺数仅要求超过临界雷诺数R。，此时，螺旋桨的流体动力性能表示为：群=石(-，)(2一16)17\n武汉理jlj人学硕士学位论文“=Z(，)(2一17)由上述两式可计算出推力系数砟和转矩系数％，再由推力和转矩的公式计算出推力和转矩。2．4．2螺旋桨敞水特性螺旋桨未安装到船上之前，在开放环境中的特性称为敞水特性，它是螺旋桨模型在试验水池中实测得到的。整个螺旋桨的推力P和转矩M随进程k改变，其函数关系尸=P(砧)，肘=M(砟)如图24所示。‘≥O，‰>O。在动态工况下，螺旋桨的工作点一般会超出第一象限特性的范围【251。图2．6给出了K尸(，)曲线四象限的情况，，的取值范围为一2～2【261。足I5K谨惫荔缪多k，一麓j澎I蕊l、0i淤$，．．，～州√州i心’淑饼t，二O2‘渤．㈨‘一·n-、＼n'11、阏嶷§渤终戆＼&遵溅怨．2．I么蹇荔黧瓢N∥缈窀乡彳、潜I蜷q，锄纷．印V；，：势，jp．，f．斤’兹蚴一I．O暑∥‘滞毽lN㈣。。，l图2．6四象限KP(／)曲线图2．6中走向从左上到右下的曲线族是螺旋桨正转时的特性。其中第一象限内表示船舶航速为正，船舶在螺旋桨推力作用下向前航行；第二象限是船舶航速为负，航速为负时的特性；第四象限是船舶向前运动时又有外力推船前进的特性。图2．6中走向从右上到左下的曲线族是螺旋桨反转时的特性。第四象限内表示船舶航速为负，船舶在螺旋桨负的推力作用下倒航；第三象限内船舶向前运动，相当于减速停航工况；第一象限内船舶航速为负，并有拖轮拖着船舶向后退【271。两族曲线在／=卸．2—一O．5范围内变化很大，此时船舶向后运动，而螺旋桨19\n武汉理r大学硕士学位论文正转，或船舶向前进运动，而螺旋桨反转。这两种不稳定工况中，叶片上有漩涡和室泡，水流冲角最大，使推力系数变小。图2．6虽然显示了螺旋桨在四个象限的特性，但进速比的范围仅为一2～2，只是航行过程中螺旋桨的部分特性曲线，没有显示进速系数在(—oo，佃)范围内的特性。如果把横坐标改为专，并定义％=芴刍虿，％=面舞，则有b=笋，‰=笋，从而可得四象限的螺旋桨孙～专，K删一专曲线眨61。X。¨I＼{t》．3^，：．1，∥“小7。嬲‘琊、．7’擘斜，．一善I一现M02J—k．＼Xll‘．1|_＼、状心．．yi·口：毪}f’?＼，，’，，‘-＼Ol＼、∑§}㈣f，＼o4巡／∞、＼遵终鹾篷托述＼忑=SjL一》‰臻蕊薄飞■__●一—，，装乏易镰·OImj、一咱S夕形t髓W。√，||l；／。一‘开‘一冀钐，t6＼‘川曲2／。∥iN．叫1．6“-o．3图2·7四象限螺旋桨如一专特性2．4．4进速比不变时螺旋桨的工作特性对于某固定的螺旋桨，在图2．6的曲线族中，有一条正转的特性曲线和一条反转的特性曲线与之对应，当J固定不变时，K，是一个常数，所以推力P与螺旋桨转速的平方刀2成正比，转矩肘也是如此，即P=KP加；，12(2．20)M=如群，12(2．21)此时，若取不同的进速系数值，将得到不同的K，常数，进而得到P～力曲\n武汉理T大学硕士学位论文线，如图2．8所示。必～以曲线走向与此相似，只是系数不同【231。在图2．8中，不同的进速比，值提供的推力不同，对应不同的船舶推进状态，’，=O时，螺旋桨不对船舶提供推力，即船舶处于系缆状态；，>0对应船舶向前航行且螺旋桨正转，或者船舶倒退且螺旋桨反转；J0玎0嚣<0系数推力转矩推力转矩％O．27190．02479—0．1400—0．01954口l—0．268l叫0．02493—0．2530—0．02821d2—0．1194一O．01385O．079690．01272口3—0．01780—0．003718—0．02346一O．002863口．0．0052860．002004—0．0。3416—0．001344如O．04825O．003268O．04872O．005810％—O．02279—0．000305O．017730．001506哟0．019100．001806O．013580．00279l口80．012900．000850．01092—0．001643\n武汉理一l=大学硕士学位论文根据前面的方法，将ChebysheV多项式转换为普通多项式，推力系数和扭矩系数表示为：^，，’(，。)=‰P+岛尸／’+如P(，’)2+岛JP(，。)3+么尸(．，’)4+⋯⋯+吃P(，’)”(3一14)％。(，’)=％．|l，+包M，’+62^，(，‘)2+6§P(，’)3+玩P(，’)4+⋯⋯+吃^，(／’)”(3—15)上两式中，系数60P～68P的数值由a。～魄的数值和兀(x)～墨(工)的多项式展开计算得到。利用上述方法求得的推力系数和转矩系数只适用于盘面比以／4=o．45，桨叶数为4的螺旋桨，而本文所研究船舶的螺旋桨盘面比为O．8，为求得所需的推力系数和扭矩系数，需要用下式进行修正：jK；2口K尸(3．16)【如=口如式中，口为换算系数，K；、K：：，为实际仿真中需要计算的推力系数和转矩系数；Zo、z分别为图谱和所求螺旋桨桨叶数，(以／A)。、以／几分别为图谱和所求螺旋桨盘面比。本文中口=3．3船机桨系统数学模型船舶前进运动和倒退航行时，船一机．桨系统遵循以下运动学方程【371。(川m)警=￡一尺由式(2一19)可得巧=(1一国)K，所以J一：L一一一g二生匕廊五劳一万i研五帝(3．17)(3．18)式中m(堙)为船舶的质量；锄(堙)为船舶运动附加质量；咋(所／s)为螺旋桨的进速；圪(，，l／s)为船舶的航速；只(Ⅳ)为螺旋桨产生的有效推力；只(Ⅳ)为船舶运动时所受的阻力。3．3．1船舶I渤口质量船舶运动时，因为水有粘性，船舶周围会有一股水流跟随船体运动，这股跟随船舶运动的水流的质量称为附加质量，它的作用相当于船舶的质量增加了。\n武汉理‘L=人学硕j卜学位论文附加质量的计算需要求解船体表面到无穷远处拉普拉斯方程的解，但由于船舶形状复杂，只能采用数值计算方法进行近似估算，理论上还不能做到精确的计算。关于附加质量的近似计算常采用的方法是基于流体力学理论的方法，有基于椭圆回转体的修正计算法和切片法。而较精确地确定船舶附加质量的方法是试验法，主要采用的试验方法有振荡试验法、冲击试验法和平面运动机构试验法。周昭明和Clarke提出了两种计算船舶附加质量的回归公式，周昭明等计算船舶附加质量的公式如下：鲁=志[0．39⋯∽7哪n73扣舯G扣¨3争+。．·75Gc考，2ct+。．54·丢，一¨。7去昙]鲁=。．882一o．54G(1—1．6丢)一o．156去(1一。．673G)(3．19)+。．826丢考c-一。．678丢，一。．638G妥去c·一。．669丢，BB、B。‘BB、B。争=志[33—76．85Gc，一。．784G，+3．43去c，一。．63G，]式中，L为船长，B为型宽，d为船舶吃水，G为船舶方形系数。1981年，Clarke等人经过对大量平面运动机构的试验得到了如下的回归公式：％=圭prd{万兰[，+。．·6c：詈一5．-(兰)2])一篇犁)b删耳=三∥dH嘶7扣啷3(剁矾=圭prd{一万兰[·．·詈一。．04·詈])式中，厶、口、d、e与式(3—18)相同，夕为海水的密度。式(3—19)中没有给出他的计算方法，由于船长￡远大于吃水d，附加质量相对于质量较小，可以近似取％=(o．03～o．06)聊(3．21)\n武汉理t人学硕士学位论文3-3．2螺旋桨的有效推力和转矩由2．5．1节关于伴流系数的介绍，若已知伴流系数国，螺旋桨的进速咋=(1一功)圪，螺旋桨的推力P=K；加；(嘭+D；，12)。根据2．5．2节关于推力减额的介绍，螺旋桨有效推力和转矩为￡=(卜f)尸=(1一f)K；加；(哆+珥万2)=(卜f)群JD磷[(1一国)2曙+D；玎2】：!!二!!竺垒丝；堡：!!二塑垒2垡哑二竺!鲨!(3．22)=———————————：————JI—√o=——————————————————————————————；一～’。，／J(J。)2(‘，。)2M=硝p球(哆+D；以2)=垡叠星垡竖一垡曼壁垡【坠·型鲤j(，’)2(‘，‘)2(3．23)在船舶运动的仿真研究中，缺乏试验条件，系数的选取可以参考下面的经验公式㈣，推力减额系数可按下式计算f=0．33f=一0．33n／心f=O．13拧／％f=O．13l缈=oK≤o{缈=o．22屹／圪o≤K≤圪(3-25)I【功=o．22K≥吃3．3．3船舶所受的阻力船舶以一定的速度航行时受到水和空气对它的阻力，其方向与船舶的运动方向相反，船舶若要前进，螺旋桨的推力必须大于等于阻力。在船舶稳定航行时，推力和船舶所受阻力大小相等。对于上层建筑不大的船舶，在风浪不太大的海况下，由于空气的密度很小，对船舶的阻力很小，一般情况下只研究水对船舶的阻力。而对于上层建筑较大的船舶，空气的阻力也应当加以考虑。按船舶周围的绕流运动情况和阻力产生的原因，船舶阻力主要可分为摩擦阻力、粘压阻力和兴波阻力。摩擦阻力是因水的粘性引起的，在船体与水接触的地方会形成边界层，使船舶在运动时受到粘性切应力的作用。船舶运动时在船尾产生旋涡，使得压力下降，改变了船体表面的压力分布，41、I3O<心％n<吨如耿％<他<一^I露一0以\n武汉理：J二人学硕-}：学位论文导致船体前后压力不平衡而产生的阻力称为粘压阻力。船舶运动时产生船行波，船行波改变了船体表面的压力分布，使船首压力大于船尾压力形成阻力，这种阻力是由船体运动产生的波浪引起的，故而称为兴波阻力。按照流体作用力的方向，摩擦阻力是沿着船体表面切向的力，兴波阻力和粘压阻力是垂直于船体表面的压力。船舶阻力的大小受多种因素影响，主要是航速、船型和外界条件。航速对船舶阻力的影响较大，阻力随航速变化的曲线称为阻力曲线，对于船速较低船舶(傅汝德数c=与簧墨\n武汉理上大学硕十学位论立整个起动过程中．螺旋桨转矩的变化曲线如图4一14所示200015001000050100150200叫』1|tsJ图4．13O．200s时间段螺旋桨转矩一时问曲线15001000500季o02004∞6008001000州闸l(s)图4_14螺旋桨转矩．时问曲线从图4-10一图4-14可以看到，仿真开始时，螺旋奖转速和船舶航速都为O，此时船舶尚未发出起航命令。20s时，船舶发出起航命令．并且在10s内转速运到最大值242r／J，螺旋桨转矩迅速增大，309时转掉逃到最大值1755．4^^h，然后，螺旋浆转速稳定在242r／5，船舶逐渐加速，螺旋桨转矩逐渐减小，在400s之后，船舶航速逐渐稳定在lO．74m／s，螺旋桨的转矩也逐渐稳定在ljl0女№。在直接J下车起动的仿真过程中，螺旋桨轴在加速过程中出现了严重过载的问题，会对设备造成极大的损害．在实际过程中是不允许的。(2)分缴起动现在把起动过程分为三个阶段，推进电机和螺旋桨轴的转速变化如表斗3所示。|(E三一d上骚等※型\n武汉理l：太学硕t学位论文袁4_3分级起动过程螺旋桨转速变化情况序号时间(5)转速(r，5)备注1m一200推进电机尚未起动22m一22o_—0484缓慢起动，加速322——2000484稳定在O484r，j420m一204O艚4—1．452二级加速520年———缶001452稳定运行6600_—-6041052_一242三级加速7604—1000242稳定运行宴验的仿真结果如图4．1s一图4一19所示。3童z{婆，粼耋萋oO20040060080010001200时叫t(s)图4一15螺旋桨转速一时间曲线O20040060080010001200时间l(s)图4．16船舶航速一时|百J曲线2086420^∞暮一∞>捌疆器囊\n武汉理工A学硕士学位论立交O．．．⋯⋯美O200400图4一17螺旋桨转速一时问考A竣辑张垲鬻1000时Mtfs)(带圆点)船自自航速一时问fI}|线0200柏0600800100012∞时|百|Ifs)图4．18螺旋桨转矩一时间曲线1500E11000＆h茁2500掣西～0550600650700750叫叫I‘s)图4．195505，750s螺旋桨转矩．时间曲线在图4_1s一图4．19的仿真结果中，205之前，船舶处于静止状态。在20sl对，Jr始第一级起动，螺旋檠轴的转矩也较小，航速盯始加大，到2005时，船舶加速过程放缓，逐渐进入稳定低速航干I工况，此时，开始第二．级加速，转速经过\n武汉理J：大学颤士学值论文4J达到1452r／s，螺旋桨轴转矩增大，船舶开始第二．级加速，到6005左右，航速逐渐稳定r柬，加速过程放缓，届时开始弟三级加速，转速经过45达到虽大转速242r／5，转矩又增大，船舶航速也丌始增大，到11005左右。航速最终稳定在1074r／5，螺旋桨转矩在1000s之后遂新稳定在1110t№f。与直接起动相比．分级起动时螺旋桨轴的转矩变化较小，没有出现严重的过载现象．所以，实际的船舶起动过程都采用分级起动的方式。下面在KoNGsBERG软件中模拟船舶正车起动过裎船舶运行工况，推进电机转速设定为1388r，mtn。控制位簧选择驾驶台控制，控制界面如图4—20所示，可以在图4—21所示豹监控界面中看到各个参数的变化，经过一段时间后，推进电机转速达到1387r／删n左右稳定运行。实验的仿真结果如图4—22一图4_27所示。羔型』兰鱼j!!-!鳇曼!堕型!!型I望⋯『品。嚣l}‘■=慧l兰三===i====—J————————————===二——————————J一＼，”蘸瓣罔4—20KONGsBERG软件巾船】jn操纵控制界面型羔剑型Q!!唑l业坠蜘——一堋图4_2】KoNGsBERG软件中船舶推进系统监控麓区琴l|i一翁刭～\n武汉理L大学硕十学伉论立·EE目嘲___●__㈣⋯⋯m⋯·日E2E岛■目■■■■一d岫陶4．22KoNGsBERG软件巾螺旋桨转速监控曲线、t⋯JIr-口T‘0^，m‘r。lf'I”¨DL。r●pt-●“‘n_H々hr、⋯●“●’；●●15¨●。r一——一’5¨I-1t．．、’4⋯。厂～⋯，o‘-o¨⋯o图4．23KoNGsBERG软件中船舶航速监控曲线由图4—22可以看到，实际船舶起动时采取了两级起动：第～缴起动在lmin左右的时问内把推进电机的转速由0起动到额定转速的70％(103r，mm)左右，可见，起动过程是缓慢的，这需要起动程序实现控制：第二级起动是在电机稳定运行后丌始的，加速过程更加缓慢，经历T6min左右，这是因为此时电机已经在较高转速下运行，这样缓慢的加速对电机的保护很有帮助，最后转速稳定在13860，，min左右。从图4-23可以看到，船舶的航速与推进电机转速变化相比更平缓，在12mln之后接近稳定运行，航速达到2065knol3。将螺旋桨转速和船速绘制在同一个图中，绘图时间选择3mln，可以看到船舶起动初始阶段的曲线如图4．24所示。\n武汉理r大学项十学位论文·E==Ⅱ曩_■●■■麓焖⋯～_：置====：嚣====图4-24第一级起动时螺旋桨转速、船舶航速蕊榨曲线、J^J⋯’T●●n●¨v●_-_uH口。’{“～。●‘“”·r⋯—=一”“·1⋯“ol一’''-●’，_⋯。1一⋯‘●⋯H-r～⋯一一⋯“¨●⋯目『⋯——∞Ⅲ⋯⋯●图4之5螺旋桨转矩监控曲线从图4．25可以看到，在第～缴起动和第二级加速过程中，转矩都有波动，但其变化比较平缓，没有出现圈4_13，图4-14所示的严重过载情况，在10min之后，转矩稳定在1081．9胁左右。图舢18变化规律与图4—25所示接近，可以用于要求不太高的仿真实验．但要真实反映船舶推进_f乜机起动工况，本文所建模型仍需进一步优化。在图4．25中，仿真丌始时转矩的值不是从零，F始的，这是因为在仿真实验丌始时，螺旋桨转速已经为零，但船舶有一个较小的速度。将螺旋桨转速、船\n武救理1．人学硕士学t；)：论文触航速、螺旋桨推力和转矩绘制在一个图形内，在仿真时间段5min585开始的3TIlin内曲线的变化趋势如图4．26所示，整个起动过程各变量的变化曲线如图4．27所示。．釜蒜．|：=。。=“：昌=====：器===图4．26稳定运行之前3蛐n内转速、航速、推力和转矩的变化⋯⋯⋯⋯■●一～’m·￡=j匿2i日⋯i栅啊群一I_‘_·匠2墨茧赢一一日I-m帅一·E!Z口；蜀⋯⋯_皿’㈣·E!当5圈Ⅱ一一一_耻一-匠=Z蕊口㈣：。m趟_z一一图4—27起动过程转速、航速、转矩的变化曲线将本文搭建的基于MATLAB／sl而词iTll【的模型实验结果与KONGsBERG软件中的实验结果对比，两者转速、船舶航速、转矩的曲线虽然有些差别，但变化趋势、关键节点和结果数据都比较接近，证明在MATLAB，sⅡnullll】c中所的建模型可以反映船舶正车起动时的动态特性。\n武汉理『。_^=学硕七学位论文432船舶倒车工况从船舶正车起动的实验可咀看出，分级起动时螺旋桨转矩变化幅度较小，这样就对船舶设各损害较小。现在把船舶倒牟过程分为两个阶段，进行分级倒车宴验，推进电机和螺旋桨轴的转速变化如表4—4所示。表44分级停车过程螺旋桨转遮变化情况序号时间(s)转速(，／5)备注1仙———_200船舶停航状卷22m一25m—一07一级倒车3．07转速稳定460m—605二级倒车5一l38全速倒航实验的仿真结果如图4—28一图4．29所示艇鞭＼电o”4”褊l(字1“1“1“图4之8螺旋桨转速．时问(带圆点)、船舶航速．时问曲线一O￡Z=200e上400“Ⅷ、!蛮80002004006。0800100012。。1400H”ls一目4—29螺旋桨转矩一时间曲线由仿真曲线可见，随若螺旋桨转速的增^，螺旋桨的转矩迅速增大，在606s时，达§Ⅱ转矩负的最大值。664^Ⅳ卅，在1000j之厉，稳定在一s984tⅣ，n。船舶航0O1^芒)|c蜊拿睾^∞宅)|*>罩5箍\n武汉理『：人学硕士学位论文速在1200s之后稳定在．1821Ⅲ，j，为船舶倒航的最大航速。F画在KONGsBERG软件中模拟船舶倒车过程船舶运行工况，推进电机转速设定为．828r／mln，如图4—30所示，经过一段时问后，推进电机转速达到一828r，mln稳定运行。二!到量副啊“f品Brldgecont吲PaneII嚣窝丽蕊自凿到霸^一5¨⋯一r目目“。：吾一一一I到翳到剧到【厣。j髓嘲H4—30J}；}航倒车I况KONGsBERG软什中推进屯机转速设详●一⋯●Ⅲ--●、_n一～、⋯日__-_tH●一、⋯'¨w__·{、!■‘⋯‘’”⋯d————一⋯JⅧj⋯⋯图4．3l船舶倒车转速、船舶航速、转矩变化曲线在国4．31所示的监控界面中可以观察船舶推进电机的转速、船舶航速和螺旋桨转矩的变化情况，船舶航速比转速增加要慢，经过较长一段时问后船舶航速稳定在一363knots矗右，螺旋桨的转矩在-59l2№左右。将基于MATLAB，slmulink的仿真实验和KONGsBERG软件中的实验结果图瞬圈■—圈■■■兰兰竺鳖兰望熹I!|兰蕙趋\n武汉理]‘大学顿+学位论立对比可以发现，两者虽然有些差别，但变化趋势接近、转速和转矩变化节点规律和结果数据非常接近，证明在MAl’LAB，simu】jnk中所建模型可以反映船舶倒车的动态特性。4．3．3船舶正车起动后拉倒车工况船舶正向航行的过程中如果出现特殊情况，驾驶员不能确定是否存在安全隐患时需要使船舶减速、停航或者倒航，或者在狭窄航道为了避免碰撞事故的发生，也需要在船舶j：|=：向航行时拉倒车。所以，有必要研究船舶正航时拉倒车使船舶最后稳定在最大航速倒航时船舶的运动特性。这里主要研究螺旋桨转速由正转变为倒转，船舶由正向航{亍到倒航的过程。推进电机和螺旋桨轴的转速变化如表4．5所示。表4．5船舶正车航行拉倒车后螺旋桨转速变化情况序号时间(5)转速(r／J)备注11604—_22000484螺旋桨以较小转速正转22200_——{2lO由正转过渡到反向旋转的过程322lm一2800．07转速稳定4280m———之805反向加速5280}—4000．138反向以最大速度转动实验的仿真结果如图4—32一躅4．35所示。主要绘制了螺旋桨转速、船舶航速和螺旋桨轴转矩随时间变化的曲线。；o，。～∞⋯一薹t⋯⋯～。50010001”¨毒咖5)2500“”4“图4_32螺旋桨转速．时问(带圆点)、船舶航速．时『日J曲线．一～，～_～；!c磷#^兰三\n武汉理r大学硕十学竹论文2’0022。o2300240025。0260027∞1__”JIs’圈4_332loo卜2700j螺旋浆转速一时问(带圆点)、航速*时问曲线o””。””¨。j?吧，2””o””4“图4．34螺旋桨转矩一时间曲线4UU3。0：200}100=0i?=1∞攀{0015∞16。0170018。0’9002uO。210022∞230024∞2500『．⋯1s}图4-3515005—2500s螺旋桨转矩．时间曲线从{矗真的结果可以看到崩}舶正车起动后拉倒车过程航速、螺旋桨转矩随转速的响应曲线。在2204J时，转速由正转为负，而船舶航速由于响应较攫，在2425j时爿由iF转为负，即船舶]1_始倒航。螺旋桨转矩在1602j变为负值。随着螺旋桨的反向加速，在2805j，螺旋桨达到反向旋转的晟犬值一138r，s．船舶倒航迓度逐渐增太，在3000s之后基本稳定在最大倒航速度一l82删，s，螺旋桨转\n武汉理】．大学硕七学位论文矩稳定在_6189^Ⅳm。434船舶正车起动一拉倒车一停航工况现在研究在433节研究的基础上，再把船舶}h倒航稳定航行工况停航的过程，这样就实现了船舶山静止状态一正车起动-正向最大航速航行啦倒车一最大航速倒航．停船的整个过程。在433节基础上，船舶由最大航速倒航到停航的过程中，推进电机和螺旋桨轴的转速变化如表4—6所示。表4—6船舶正车起动、拉倒车、停航过程螺旋桨转速变化序号时间(j)转速(r，j)备注12805—3000-138最大转速反转2300¨3005-l3}一O．7一级减速33005———_3200一07转速稳定43200_—一3205—07—O二级减速5320}——40000螺旋桨停转将螺旋桨转速一时间曲线和船舶航速埘问曲线的实验结果绘制在同一个图中如图4．36所示，螺旋紫转矩随时间的变化曲线如图4．37所示，对于实验结果的分析与前面实验类似。罢10：8嚣604’i：，一，⋯乙、一t⋯。一⋯一墼t··_叶掣O500'O∞150020002500300035∞4000时佃】t(s)图牟36螺旋桨转速．时间(带圆点)，船舶航速一时问曲线\n武汉理『人学硕士学位论文考n裂臻垲簪o5。。⋯⋯Ⅲj咒，2”o⋯“o4“图4．37螺旋桨转矩．时间曲线从图4．36一图4．37可以看到船舶『F车起动、拉倒车、停航整个过程的运动状态。仿真结果表明本文建立的模型能够反映船舶运动系统工况，可以作为丌发电力推进模拟器时船舶运动模型和负载电机控制方面的参考。4．4本章小结本章首先简单介绍了本文要用的MAllAB语言和其可视化仿真工具箱shd扯，然后，根据各子系统和计算模块的数学模型，建立了基于M肌AB，siIn龇的船．机．桨系统的仿真模型，最后，对船机桨系统在典型工况下的实验，通过实验结果与KONGsBERG软件运行结果的对比，证明本文建立的模型具有定的准确性。喜|∽垂|。垂|\n武汉理T大学硕十学位论文第5章船舶运动建模与仿真实验前面几章主要研究了船舶运动动力系统，建立了基于MATLAB／Simulinl(的船．机一桨系统的数学模型和仿真模型，并进行了仿真实验。本章在前面章节的基础上展开对船舶运动方面的分析，建立船舶三自由度运动的数学模型，分析环境干扰力对船舶位置和方位的影响，建立相应的数学模型，在此基础上尝试进行仿真研究。5．1船舶三自由度运动数学模型5．1．1低频船舶运动的数学模型船舶在推进器和风流浪等环境干扰力作用下产生纵荡、横荡、升沉、横摇、纵倾和艏摇六个自由度的运动，这六个自由度的运动都是低频分量和高频分量的合成的，表现为船舶在惯性坐标系内船舶的位置和姿态。高频运动的作用主要影响船舶振荡，改变船舶运动过程中的姿态，使其产生升沉、横摇和纵倾等运动，这些只是影响船舶姿态，并不影响船舶的位置。在船舶运动和控制领域，人们首先关心的是船舶航行的轨迹和船舶运动时的航向角，考虑船舶在水平面内的运动，这时船舶主要的运动变量是前进速度“，横移速度v，转首角速度，．，于是六自由度的船舶运动简化为只考虑纵荡、横荡和艏摇三自由度的运动。参照2．1节内容，建立船舶运动系统的坐标系，坐标系统由惯性坐标系和附体坐标系组成，参照式(2-4)、(2．5)船舶在附体坐标系中的速度矩阵可以表示为y=[“，y，r】7(5—1)船舶在惯性坐标系内的位置我方位角可以表示为刁=[石，y，沙】1(5—2)根据船舶运动学和动力学知识，船舶平面运动三自由度的数学模型可以用下述两式描述【42】【43】矛=．，(刁)y(5-3)M矿+Dy=f+．，7’(刁)6(5．4)式中，f是推进系统提供的力和力矩向量，J(77)是转换矩阵，在式(2．6)、(2．7)55\n武汉理‘【：大学硕七学位论文中，只考虑三自由度时，取口=声=o，％变形为单位矩阵，砌川㈣=胃引Z成为如下形式(5-5)在傅汝德数较小的情况下，船舶运动时，流体动力作用产生的附加惯性矩阵M描述如下：lm一疋oIM=lo聊一K，埘6一影I(5—6)Lo，，％一Mt—Mj式中，朋为船舶质量，，．是船舶运动关于z轴的转动惯量。船舶在一般的直线稳定航行时，由于流体的粘性，船舶表面会受到摩擦力的作用，D是一个严格的证阻尼矩阵，可以描述如下：r_以oolD=Io—E—Fl(5—7)l-o一玑一Ⅳ，J5．1．2缓慢变化的环境干扰力数学模型在5．1．1节式(5．5)中，6描述的是缓慢变化的环境干扰力和力矩，主要包括以下几项：1)风引起的力和力矩2)海流引起的力和力矩3)二阶波浪力及其力矩4)所有未建模外力及其力矩5)系统误差在船舶运动控制研究中，低频环境干扰力和力矩一般用下式描述：占=一丁一16+缈，l(5．8)式中，，l为零均值高斯白噪声，r是一个对角时间常数矩阵，y是一个描述刀振幅的对角矩阵。5．1．3高频波浪干扰数学模型波浪干扰力是一种非常复杂的环境干扰力，～般可以分为高频波浪干扰力和低频波浪干扰力。高频波浪干扰力～般是指一阶波浪干扰力，认为波浪为微\n武汉理T大学硕七学位论文幅波，船舶受到的波浪力与波高成线性关系，与波浪同频率，船舶的摇荡不大。低频波浪干扰力一般是指二阶波浪力，或者波浪漂移力，它的大小与波高平方成正比。线性波浪干扰力及其力矩对船舶运动的影响可以描述为孝=Q孝+∑w(5—9)，7。=r手(5一10)式中，{、w、Q、∑、r都是一定维数的常矩阵，一阶波浪干扰力可以描述为很多线性干扰项的叠加，w为零均值高斯自噪声干扰信号，那么，在高频波浪干扰力和力矩作用下，船舶运动位置的波动可以表示为77。=【k，J，。，缈。】’(5—11)5．1．4实测船位和航向数学模型船舶运动时，如果只考虑低频环境干扰力和一阶波浪干扰力，不考虑更高阶的波浪干扰力影响，由前面的分析可以得出，船舶运动中实际测量位置和方位角为y=矽+巩+y(5-12)式中，，7为船舶在低频干扰力作用下在惯性坐标系中的位置和方位向量，仉为高频波浪力对船舶位置的干扰，1，用来描述系统误差和测量误差，一般为零均值高斯白噪声信号模拟。5．2船舶运动仿真模型5．2．1推力分配子系统在船舶三自由度低频运动方程(54)中，船舶运动的推力和力矩r可以用下式描述f=吃”(5·13)式中，甜是推力和力矩的输入，根据船舶的实际推进系统设置，置．是一个描述控制器设置的常矩阵，根据实验需要进行设置。螺旋桨的推力和力矩向量“可以用一个子系统表示，其推力和力矩的数值为4．3．1节模型所示方法计算得到的推力数值，力矩为附体坐标系内船舶绕z轴的力矩，是使船舶转艏的力矩。推力分配子系统的模型如图5．1所示。\n武汉理IT大学硕十学位论文图5．1推力分配子系统模型5．2．2低频环境干扰子系统由5．1．2节的分析，低频环境干扰力和力矩可以用数学式子占=一r’6+妙刀描述，根据此数学方程可以建立其仿真模型如图5．2。Oainl8S∞pe21Scope8图5。2低频环境干扰子系统模型型5．2．3高频环境干扰子系统由5．1．3节分析，高频环境干扰力及其力矩对船舶的姿态有一定影响，根据数学式子(5．9)一(5．11)，高频环境干扰力和力矩对船舶运动的干扰模如图5．3。SBand-Lim．tedS∞pelToWO把pa饨WhiteNoise'图5．3高频环境干扰子系统模型58\n武汉理．I：人学硕士学位论文5．2．4低频和高频共同影响时船位和方位根据5．1．4节分析，船舶在低频和高频环境干扰力共同作用下位置和航向方位可以用数学方程(5-12)描述，即y=刀+玑+v。在5．2．1节o．2．3节的基础上，建立船舶运动实测位置和航向的模型如图5．4。Subs时em—抽。图54低频和高频环境干扰共同作用时船位和航向模型5．3仿真实验及结果分析5．3．1质量阵和阻尼阵的计算本章选取泰安口号半潜船为仿真对象，其主要参数见表5．1。表5．1泰安口号设计主尺度【5】船长156．00聊两柱间长145．00朋型宽32．20川型深10．00脚设计吃水7：50脚下潜吃水19．00掰方形系数0．728菱形系数0．738载重量18000Z航速14砌59\n武汉理]：大学硕十学位论文由式(3．19)一(3．21)可以计算出船舶运动时的质量阵膨，阻尼阵D可以根据如下的井上公式计算z一壶叫2巧=一(三五+，．4c-6兰)(，+。．67f’)《=三A(1+o．8r‘)(5-14)Ⅳ：=一A(·一。．27专)V=一(o．54A一名2)(1+o．30f‘)式中，S为船体浸湿面积，C，为船舶总阻力系数，G为船舶方形系数，名=2以／三，叱=(以+以)／2，以为船舶平均吃水，砟为首吃水，一为尾吃水，r’为无量纲吃水差，f。=(以一砟)／屯，L=允／(三A+1．4G兰)。按上述方法计算可以得到质量阵和阻尼阵肘：f2679F324施4蝴4‰．1l肘=Io32408846。4167406096Irl83290o]D=fO1276500一47200000i10—601060003809800000|5．3．2船舶运动仿真的状态空间表示在船舶艏摇角度缓慢变化且变化角度较小时，可以对式子(5—5)用小角理论进行线性化，按照线性系统理论研究，得到下式M矿+加=f+6(5．15)记为再将此式变形，得到．矿=(一D／肘)y+(1／膨)(f+6)(5一16)对状态量进行扩充，加上系统噪声和测量噪声，加入位置向量，系统重新\n武汉理J‘人学烦十学{6=论文。2一i+占(7+6)+“(5．17)y=Q+D(r+6)+v式中，矩阵x=【‘，，¨H，u，】；w为系统噪声；v为测量噪声；矩阵一和矩阵丑：矩阵c为6×6的单位阵；矩阵D为零矩阵。5．3．3仿真实验0l0．O04320O1O00010000210O一⋯叫。当，，：：O3123-O．0009O．0000700002在求取了状奄空削方程的基础上，设定低频环境干扰力可以根据5．22节计算得到，设定船舶受到推力的方向为附体坐标系中z方向，横向力设定为零，推力对船舶的力矩为零，船舶在横向的力仅来自于环境干扰，设定仿真时问f=1200s，分析船舶运动的特点。仿真结果如图5．5_一图5．9所示。Ⅷjmlm|01i1螂}{蛳吧．枷：2”p1109§。羹o#∞2∞图5．5Y方向低频环境干扰力镕#j／／：／i妊／■一j。H目(；)图5．6低频环境干扰时船位和航向估计值\n武汉理L人学硕十学位论文培彗自寝t。1卜葡—布瑟丁图5—7低频干扰时速度”v和角速度，⋯”fI_f1_：”s⋯⋯2”图5-8高频干扰引起的Y方向位移图5-9低频和高频环境干扰共同作用时船位和航向船舶在指定航向时的仿真实验结果说明了以下几个问题：(¨船舶在惯性坐标系中x方向位置：在给定船舶在附体坐标系x方向控制力时，随着时刚的变化船舶会在x方向产生较大位移，受环境干扰有波动，但^#口l自*E^{自w^I)《Ⅱ《g营v埘早《瞿\n武汉理T大学硕十学位论文趋势不变，船舶位置跟时间成正比关系。(2)船舶在惯性坐标系中Y方向位置：在惯性坐标系中，Y方向发生的位移很小，但并不是没有位移，Y方向的位移有时为正有时为负，即船舶有时向右舷振荡有时向左舷振荡，这是环境干扰的结果。(3)船舶航向角：航向角沙有时为正有时为负，仿真时间较长时可以发现，它总是在O位置附近变化，即航向角是收敛的，它的变化也是环境干扰力和力矩作用的结果。(4)船舶航速变化规律：船舶运动的前进速度“由0逐渐稳定在一个正的数值，这个速度的大小取决于控制力的数值；船舶横移速度v很小，但有时为正有时为负，它的变化规律跟首摇角速度，．的变化规律相似，它们的正负是环境干扰力作用的结果，都滞后于环境干扰力的变化。(5)船舶位置变化原因：船舶在X方向的位置与控制力的大小成正比；航向角的变化和船舶在Y方向的位置变化规律相似，都是跟随环境干扰力而变化，且航向角∥和的船舶在Y方向的位置变化不仅滞后于环境干扰力的变化，还滞后于横移速度和艏摇角速度。从实验结果可以看到，船舶航向与提供的推力方向基本一致，但船舶运动轨迹并不是直线，而是随环境干扰力的变化在左舷或者右舷有一定位移，环境干扰强时，船舶更难控制，这样不仅延长了航行距离，消耗了更多燃料，在狭窄航道时船舶的安全性也得不到保障，所以，必须设计合理的控制器对船舶推力的分配进行有效的控制，在这方面有待于更加深入的研究。5．4本章小结本章首先分析了船舶三自由度运动的特点，用数学式子分别描述了低频船舶运动的数学模型、缓慢变化的环境干扰力、高频波浪干扰力的数学模型和船舶位置及方位的数学模型，然后建立了整个系统的仿真模型，最后进行了仿真实验。从实验结果可以看出环境干扰力对船舶位置和方位的影响，需要为船舶设计控制器进行更加深入的研究。\n武汉理．r大学硕十学位论文6．1全文总结第6章结论与展望本论文针对船舶运动模型进行了研究，首先建立了船一机．桨系统的模型，该模型可以计算出船舶的推力，并可以得到船舶在不同工况下航速与螺旋桨转速的关系，然后建立了考虑环境干扰的船舶三自由度运动模型，实验结果表面，本文建立的模型可以反映船舶运动时的速度和位置情况，对今后船舶和海洋平台的动力定位研究具有现实意义。本论文的主要工作如下：(1)通过查阅资料掌握船舶运动数学模型和螺旋桨负载模拟装置的研究情况，分析了研究船舶运动时需要建立相应的坐标系统，船舶在运动时所受的各种形式的作用力，剖析了螺旋桨推力和转矩与螺旋桨转速等的关系，以及船舶运动时船体和螺旋桨的相互作用。(2)用解析的方法表示了四象限螺旋桨的特性，建立了船．机一桨系统的数学模型和基于MATLAB／Simulinl(的仿真模型，进行了船舶典型工况仿真实验，通过与K10NGSBERG软件运行结果的对比，证明本文所建模型具有一定的准确性。(3)分析了船舶运动系统和环境干扰力的特点，根据船舶运动学规律建立了船舶三自由度运动模型，然后计算了泰安口号船舶的质量阵和阻尼阵，并将运动方程表示为状态空间形式，在设定推力情况下进行了仿真研究，对船舶位置和航向受干扰力的影响进行了分析。本文建立的船．机．桨模型可以作为电力推进系统基于dSPACE硬件在回路仿真研究的参考。对船舶三自由度运动模型的研究是对海洋平台和船舶动力定位研究的探索。6．2本文的不足和后续研究工作船舶运动系统是一个极其复杂的系统，对其进行建模需要深厚的专业知识和扎实的数学功底，建立能够逼真模拟船舶运动规律的模型仍需在很多方面进行深入研究。由于本人知识面和时间的限制，未能对船舶运动系统进行更深入的研究，虽然本文所建模型在～定程度上能够反映船舶运动的规律，但还存在\n武汉理-T大学硕：卜学位论文很多不足之处。(1)船舶的性能和参数对仿真研究特别重要，今后的研究中，尽量搜集到比较完整的船舶实验报告和实船的各种资料。(2)本文建立的模型在有些计算中采取了简化方法，应用了一些经验公式进行近似计算，模型准确程度尚不高。(3)本文研究螺旋桨负载特性时采用了诺尔特斯特洛姆系列试验图谱，采用切比雪夫多项式进行了拟合。后续的研究中希望选用其他图谱，如瓦格宁根试验图谱，也可以采用其他曲线拟合方式，并对不同图谱和不同拟合方式的仿真结果进行比较，改进已有的模型。(4)今后工作中要对船舶运动控制算法进行更加深入的研究，在船舶运动模型中增加滤波器等，并分析不同滤波方法和控制器对船舶运动的影响。\n武汉理1=大学硕十学位论文致谢本学位论文是在导师陈辉教授的亲切关怀和悉心指导下完成的。作者在学士论文和硕士研究生期间取得的任何一点进步，都凝聚着陈辉老师的大量心血和汗水。导师渊博的学识、开阔的视野、敏锐的洞察力和严禁的治学态度都深深地影响着我。生活上，陈老师宽以待人，关怀备至，平日的谆谆教诲激励和鞭策着学生只能不停地进步方能报答无限师恩!在作者攻读硕士学位期间，高海波副教授倾注了大量的心血。高老师诲人不倦，言传身教，无论是在做学问还是在做人做事上都是作者学习的榜样。在作者攻读硕士学位期间，也凝聚了林志国讲师的心血和汗水。林老师严谨治学，废寝忘食，严格律己；生活方面，林老师给予作者细致入微的关怀。在作者攻读硕士学位及学士论文期间，得到仿真中心孙俊副教授、商蕾副教授、尚前明副教授、唐洪高工的大力支持与帮助，在此表示诚挚的谢意!感谢仿真中心刘芙蓉博士、余培文博士、罗彬、魏风波、师光飞、杨江、余宏锋、熊巍等师兄师姐和同学的帮助，与他们共同学习的日子作者将铭记终生!最后，感谢作者的家人在各方面对作者的支持，鼓励和帮助，正是他们的默默奉献，才有作者今天的成绩。\n武汉理1：大学硕十学位论文参考文献【l】薛彦卓．船舶操纵模拟与航迹规划研究[D】：【硕士学位论文】．哈尔滨：哈尔滨工程人学，2006．【2】IMO(IIltenlationalM撕timeo喀雏ization)．IIlt甜mgllidelinefor郎timatingmaneuv丽ngpe]晌册ancei11Shipdesi印．MSC，C硫．389，l985．f3】lMO(hlt锄ationalM撕timeO培allizati伽)．Int耐mst孤dards蠡MshipmaneuverabilityResolu“0nA．751(18)，1993．【4】贾欣乐，杨盐生．船舶运动数学模型．机理建模与辨识建模【M】．人连：人连海事大学出版社，1999：6．【5】梁新莉．PoD推进方式大型船舶的运动建模与仿触D】：【硕士学位论文】．大连：大连海事大学，2008．【6】何少华．船舶电力推进仿真与监控【D】：【硕十学位论文】．武汉：武汉理工大学，2005．【7】刘洪涛．船舶电力推进系统中负载仿真装置的研究【D】：【硕士学位论文】．大连：大连海事大学，2005．【8】李汉，林春熙．利用直流电机模拟海船螺旋桨的研究【J】．广州航海高等专科学校学报，2007，(02)．【9】杨涤，等．系统实时仿真开发环境与应用【M】．北京：清华人学出版社，2002．【10】dSPACEReal-TimeIIlt柏ce(咖aIldRTI-MP)ImpleIIl朋tationGuide-dSPACEGmbH(G锄l柚y)．2005．3．【ll】孙祥军．船舶操纵运动模拟和智能技术的应用研究【D】：【硕士学位论文】．武汉：武汉理工大学，2004．【12】田超．风浪流作用下船舶操纵运动的仿真计算【D】：【硕士学位论文】．武汉：武汉理工大学，2003．【l3】Ho-Yong【朊alldSang-SllJlgshin．ThePtedictionofship’sMaIleuV甜ngPerfo】胁anceinInjtialDesi印Stage．PracticalD鼯i盟ofshipsandM0bileUnits，l998：633_639．f14】K巧imK，SomeStlldiesontllePrIediction矗)rshipMaIleuverability．MARSIM’2003．[15】袁士春．船舶运动与主推进线性变参数联合控制的研究【D】：【博士学位论文】．大连：大连海事大学，2007．【16】马骋．POD推进器的水动力性能研究【D】：【博士学位论文】．哈尔滨：哈尔滨工程大学，2006．5．【17】张敬南，丛望，刘勇．螺旋桨负载模拟装置的可行性验证【J】．机电设备，2007，(05)．f18】周伟．螺旋桨负载仿真装置【DJ：f硕士学位论文】．哈尔滨：哈尔滨-』=程大学，2006．67\n武汉理．I：人学硕士学位论文[19】沈爱弟，黄学武，郑华耀，等．半实物吊舱式电力推进仿真系统的设计[J】．扬州人学学报：自然科学版，2005，8(1)：74．78．【20】杨晓丽．吊舱式电力推进系统的动态仿真的研究【D】：【硕士学位论文】．上海：上海海事人学，2004．f21】应业炬．船舶快速性fM】一匕京：人民交通出版社，2007：213-218．【22】张伟．船舶电力推进仿真研究【D】：【硕士学位论文】．武汉：武汉理上人学，2003．3．【23】J．ⅪeinWoudandD．Stal'ersma．DesignofPropulsion&ElectricPowerSupplySystems【M】．IMarEStLondon2003．【24】TadashiKashimaandJunTakata．A-IlOptimalCon们lofM撕nePropulsionSyst锄C0nsid商ngShipDyn锄ics【C】．P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