船舶运动控制综

船舶运动控制综述

摘要：船舶运动控制式一个重要的研究领域，其最终目的是提高船舶自动化、智能化水平，保证航行的安全性、经济性和舒适性。随着现代物流业的迅速发展,航运自动化水平的不断提高,对海上航运业提出了更高的要求,各种新的控制算法不断应用于船舶控制以提高营运的经济效益。船舶运动已经从手动发展到自动，从单个系统的自动化发展到综合自动化，从简单的控制装置发展成计算机化、网络化的体系结构；船舶运动控制已经成为一门独立的学科。船舶是一种有效的、经济的运输工具，但是还是运输充满危险（人为因素和自然因素），因此，如何科学地操纵和控制船，准时、安全地到达目的地非常重要。

关键词：船舶自动化运动控制

正文：

十八世纪产业革命带来了今天意义上的轮船，钢制船壳可以承载成千上万吨的货物，螺旋推进器于140年前投入使用，由动力驱动的操舵装置于120年前建成，110年前发明的柴油机取代了蒸汽机，1920年开始使用的陀螺罗经来进行船舶导航，1940年的流体力学的发展，统一解释了船体，浆，舵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。

船舶运输控制系统是对船舶运输过程的有关信息进行传输、接收、存取、变换和反馈，并不断对过程进行调整和优化的控制管理一体化系统，涉及航海、通信、计算机、机电、自动控制、运输管理、船货代理、码头港务、商贸、金融及保险等专业技术。船队控制系统主要由企业管理业务网和船岸通信网组成。单船控制系统是一个船舶自动化局域网，并通过全球海上遇险与安全系统GMDSS(Globe Maritime DistressandSafetySystem)，以单船作为一个节点，进入船岸通信网，实现船岸一体化管理。

船舶自动化系统是构成船舶运输控制系统的基础，主要包括无人值班机舱、集成驾驶系统、货运监控系统和船舶管理信息系统等。

1.无人值班机舱。包括主机遥控、机舱监控、柴油机工况监控、电站自动化、辅机调控及锅炉调节等。

2.集成驾驶系统。包括定位导航、电子海图、雷达标绘、自适应操舵及驾驶辅助决策等。

3.货运监控系统。包括液货装卸监控、冷藏船温度监控、船舶配载控制、船舶侧推控制、静电防护、火灾探测报警消防及甲板机械控制等。

4.船舶管理信息系统。包括动力监管、备件盘存、故障诊断及信息黑匣子等。

船舶运动控制可以认为是一种分层递阶式的人机控制系统，系统从上到下可分为任务规划、协调调度、控制策略、控制执行4层结构，通过信息反馈形成多个闭环，操作者用过人机界面可以监控或参与各层的行为。

船舶控制策略是船舶运动控制科学的主要研究对象。从二十世纪二十年代到七十年代自动舵的PID算法延续了五十年；70—80年代出现自适应控制并在自动舵商品化方面获得成功，产生了明显的经济效益；90年代开始控制论的全面繁荣为船舶运动控制系统设计提供了诸多控制算法，为船舶运动科学的进一步发展注入活力。

船舶通信与导航系统

一般船舶在海上所使用的通信方法计有:旗号通信、灯号通信、声号通信、手旗或手臂通信、扬声器通信、无线电话通信、无线电传电报通信、国际移动卫星通讯、卫星手机通讯、

电子邮件通讯、网际网路通讯等。

导航部分包括：

1、自主导航自主导航系统适于上述五种航路的任何一种，它基本上是一种单纯的导航系统，其主要特征是仅向用户提供位置、航速、航向和时间信息，也可包括海图航迹显示，不需通信系统。适应于任何海面、湖面和内河上航行的船舶，从大型远洋货轮到私人游艇。

2、港口管理和进港引导这种系统主要用在港口/码头的船舶调度管理、进港船舶引导，以确保港口/码头航行的安全和秩序。该系统需要双向数据/话音通信，以便于领航员引导船舶；港区情境/海图显示，以表明停泊的船舶和可利用的进港航线，避免冲撞。这种系统对导航系统的精度要求高，要采用差分GPS和其他增强技术。

3、航路交通管理系统这类系统与2类似，但主要用于近海和内陆河航路上的船舶导航和管理，通常需要卫星通讯系统支持，如INMARSAT等。

4、跟踪监视系统这类系统主要用于海上巡逻艇、缉私艇及各种游艇，特别是私人游艇以防盗。根据具体的使用对象，有些系统需要给出导航参量和双向数据/话音通讯，如缉私艇。而有时则不需要给出导航参量，如用于私人游艇防盗，仅需要单向数据通讯，一旦发生被盗，游艇上的导航系统不断把自己的位置和航向送到有关中心，以便于跟踪。

5、紧急救援系统系统也包括两栖飞机，直升机和陆地车辆。它适应于所有五类航路，用于搜寻和救援各种海面、湖面、内河上的遇险、遇难船舶和人员。这类系统需要双向数据/话音通信，要求响应时间快、定位精度高。

6、GPS/声纳组合用于水下机器人导航该类组合系统可用于水下管道铺设和维修（需要视觉系统），水文测量以及其它海下作业，如用于港口/码头水下勘测，以便于进场航道阻塞物清除，保证航道畅通，也可用于远洋捕捞，渔船作业引导等。

船舶遇到控制的研究内容还包括船大洋航行的自动导航；港区航行及自动离靠泊；拥挤水道或大洋航行的自动规避。

大洋航行的自动导航。航向保持控制，转向控制，航迹保持控制，航速控制都是其研究内容和热点。

港区航向及自动离靠泊。低速运动，风、浪、流干扰相对增大，信息量增多，操纵和控制更困难。

拥挤水道或大洋航行的自动规避。考虑多目标决策，避碰的最佳时机，最佳幅度，航行规则和法规。

船舶运动的研究方法。

1、建立船舶运动数学模型，其中建模方法包括机理建模和辨识建模，通常两种的方法并用。船舶运动的数学模型以牛顿力学为基础，考虑惯性力（刚体惯性力和因流体加速运动造成的流体惯性力）、船体粘性力、浆力、舵力、锚力、风浪流等诸多力的动力学平衡。

2、利用控制理论。建立控制结构图，构建自动控制系统。

3、进行系统仿真、分析控制性能（动态性能和静态性能）。

4、利用计算机控制系统的理论、技术，研究船舶运动控制系统。

船舶综合驾驶控制系统

在自动化领域，为了减轻劳动强度，实现节能，减少船员配额以提高经济效益，保证航行安全，产生了综合船桥（IBS）。认识上，提高了自动化程度，综合监控，提高了航行安全得到重视。技术上，计算机网络技术的发展，一人驾驶合系统在一位驾驶员的监视和控制下即可保证船舶安全航行。

另外，系统的网络化能通过网络将航海自动化子系统、轮机自动化子系统、货物装卸自

动化子系统、船舶运营管理子系统同意管理。

自动舵

自动舵是船舶运动控制中的重要研究内容，它是一个闭环系统，它包括：航向给定环节；航向检测环节；给定航向与实际航向比较环节；航向偏差与舵角反馈比较环节；控制器；执行机构；舵；调节对象—船；舵角反馈机构等。舵系统的性能主要是由控制器的性能决定。

船舶是借助螺旋桨的推力和舵力来改变或保持航速和航向，实现从某港出发按计划的航线到达预定的目的港。由此可见，操舵系统是一个重要控制系统，其性能直接影响着船舶航行的操纵性、经济性和安全性。自动操舵仪是总结了人的操舵规律而设计的装置。系统的调节对象是船，被调节量是航向。

船舶运动控制策略

当前产品化的控制策略包括PID自动舵，自适应自动舵。PID控制简单可靠，调试方便，物力意义明确，广泛应用于实际工程控制中。自适应控制能调节参数，适应被控对象的变化。

当前流行的控制算法和发展趋势有复合PID、各种智能控制和非线性控制。复合PID即复合PID+其他算法，具有自适应、模糊控制、自鉴定的特点，具有自动鉴定PID参数的控制算法。此外，还有自适应、神经网络、模糊控制、混合智能控制等各种具有自适应，自学习，自鉴定能力的只能控制算法，这些算法的特点包括环境和控制对象特性变化时能自动学习，调节控制参数、适应被控对象的变化而变化。非线性控制除了古典非线性控制方法（相平面法，描述函数法，逆系统法）外，现在还发展出了微分大叔控制方法、混沌控制方法和综合方法等。

船舶除了向更大、更快的方向发展外，更提出了许多新型船舶，包括贴近水面航行、必要时可升空飞行或降在水面上的大型冲翼艇。这时计算各种航态和海况下的波载荷，将遇到极大的困难。由于波载计算不准而导致在恶劣海况下失事，即使对现代的常规船舶也仍是屡见不鲜的。 80年代末至今已有十余艘船在北海失事。从流体力学的角度看，冲翼艇的困难主要在于有事先未定的自由表面，表面边界条件的非线性，波浪的随机性，水表层为湍流，以及流体与船舶运动相耦合等。

因此，对船舶运动控制的发展趋势提出了新的要求。船舶运动控制将会更加智能，船员劳动力将更加缩减，自动控制系统将进一步代替船员，达到更高的要求，完成更多的工作。随着计算机技术的发展，物联网的兴起，人机界面由早期的按键、旋钮、手柄发展成现在常见的数码管、发光二极管、键盘和触摸屏。在将来的发展中，人机界面将会向着基于一人驾驶合操作体制的综合驾驶台系统的人机界面的趋势发展。可以想象，人机界面将变得能智能触摸，多维显示，甚至科幻电影阿凡达里的场景（神经信号控制）也将变为现实。

另外，近期由谷歌开发的人工智能AlphaGo打败了人类围棋九段李世石，引起了多方震惊。最近有消息称AlphaGo将进军星际争霸（一种RTS游戏），这是对人工智能的更严格考验。这体现出了人工智能的快速发展和人工智能所能达到的高度。或许，在将来，人工智能能进行人类的思考和对环境进行人类的反应，加上其远远超出人类的优秀的处理能力和计算能力，高度智能的人工智能将完全替代人类对船舶运动进行控制，无人船舶时代即将到来。那时，非人员运输无人船舶的出现将会使人类安全进一步得到保证。

参考文献：

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[5]Lin C T, Lee C S G. Neural-network-based fuzzy logic control and decision system[J]. IEEE Transactions on Computers, 1991, 40(12):1320-1336.

(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

船舶舵机控制系统改进设计【文献综述】

文献综述 电气工程及其自动化 船舶舵机控制系统改进设计 引　言 设计船舶自动操舵系统首先要确定船舶舵机的数学模型和船舶航行动态模型。船舶舵机的传动机构主要有两类,机械传动和液压传动。随着船舶排水量和航速的增加,舵机上的转矩迅速增大。采用机械传动机构的舵机其重量和体积将变得很大,同时它的效率较低,电动机的容量势必很大。因而目前大型船舶均采用液压传动舵机,甚至中小型船舶也不例外。 船舶舵机 船舶舵机是能够转舵并保持舵位的装置。舵机的大小由外舾装按照船级社的规范决定，选型时主要考虑扭矩大小。船用舵机目前多用电液式，即液压设备由电动设备进行遥控操作。有两种类型：一种是往复柱塞式舵机，其原理是通过高低压油的转换而作工产生直线运动，并通过舵柄转换成旋转运动。另一种是转叶式舵机，其原理是高低压油直接作用于转子，体积小而高效，但成本较高。 船舶操舵系统是实现船舶操纵功能的一个自动控制系统。它把电罗经，舵角传感器等送来的船舶实际航向信号，预定航向信号，及给定的各种限束条件自动地按照一定的调节规律进行信号处理，从而控制舵机，使船舶沿着给定的航向航行。由此可见，该系统的性能直接影响着船舶航行的操纵性，经济性和安全性。因此，船舶操纵系统的性能，一直被当作是一个具有较高经济价值和社会效益的重要问题，引起人们的关注。并吸引着世界各国一代又一代的工程技术人员围绕着进一步改善该系统的性能这一课题而不断地进行研究和探索。

自动舵 自动舵是根据电罗经送来的船舶实际航向与给定航向信号的偏差进行控制的。在舵机投入自动工作时，如果船舶偏离了航向，不用人的干预，自动舵就能自动投入运行，转动舵叶，使船舶回到给定航向上来。 电动—液压式自动舵 国产“HD—5L型自动舵应用半导体无触点控制的比例-微分-积分控制系统。驾驶室具有自动、随动及应急操作三种操舵方式。两套参数相同的放大器互为备用，通过转换开关选择其中一套为自动、随动操舵时使用。应急操舵为随动控制方式，单独使用一套放大器。该型自动舵有A、B、C、D四种型式。A型为电液伺服阀变量泵系统；B型为电磁换向阀、伺服油缸、变量泵系统；C型为伺服马达变量系统；D型为地磁功率阀定量泵系统，它们的电气系统基本上是一致的。 液压伺服系统 液压伺服系统是使系统的输出量，如位移、速度或力等，能自动地、快速而准确地跟随输入量的变化而变化，与此同时，输出功率被大幅度地放大。液压伺服系统以其响应速度快、负载刚度大、控制功率大等独特的优点在工业控制中得到了广泛的应用。 电液伺服系统 电液伺服系统是一种由电信号处理装置和液压动力机构组成的反馈控制系统。最常见的有电液位置伺服系统﹑电液速度控制系统和电液力(或力矩)控制系统 发展现状 众所周知，自动控制系统是自动控制理论在工业生产中应用的产物。船舶操舵系统也不例外。在自动控制理论发展的不同历史阶段，取得了不同的研究成果，开发出一代又一代新型的自动舵产品，为航运业的发展作出了巨大的贡献。

船舶操纵考试要点说明

船舶操纵 1.满载船舶满舵旋回时的最大反移量约为船长的1%左右，船尾约为船长的1/5至1/10 2.船舶满舵旋回过程中，当转向角达到约1个罗经点左右时，反移量最大 3.一般商船满舵旋回中，重心G处的漂角一般约在3°～15° 4.船舶前进旋回过程中，转心位置约位于首柱后1/3~1/5船长处 5.万吨船全速满舵旋回一周所用时间约需6分钟 6.船舶全速满舵旋回一周所用时间与排水量有关，超大型船需时约比万吨船几乎增加1倍 7.船舶尾倾，且尾倾每增加1%时，Dt/L将增加10%左右 8.船舶从静止状态起动主机前进直至达到常速，满载船的航进距离约为船长的 20倍，轻载时约为满 载时的1/2~2/3 9.排水量为1万吨的船舶，其减速常数为4分钟 10.从前进三至后退三的主机换向所需时间不同，一般：燃机约需90~120s；汽轮机约需120~180s；而 蒸汽机约需60~90s 11.船舶航行中，进行突然倒车，通常在关闭油门后，要等船速降至全速的60%~70%，转速降至额定转 速的25%~35%时，降压缩空气通入汽缸，迫使主机停转后，再进行倒车启动 12.一般万吨级、5万吨级、10万吨级和15~20万吨级船舶的全速倒车冲程分别为：6~8L、8~10L、10~13L、 13~16L 13.CPP船比FPP船换向时间短，一般紧急停船距离将减为60%~80% 14.螺旋试验的滞后环宽度达到20度以上时，操纵时由显著的困难 15.IMO船舶操纵性衡准中要求旋回性能指标中的进距基准值为＜4.5L 16.IMO船舶操纵性衡准中要求旋回性能指标中的旋回初径基准值为＜5.0L 17.IMO船舶操纵性衡准中要求初始回转性能（操10度舵角，航向变化10度时船舶的前进距离）指标 的基准值为＜2.5L 18.IMO船舶操纵性衡准中要求全速倒车冲程指标的基准值为＜15L 19.为了留有一定的储备，主机的海上功率通常为额定功率的90% 20.船舶主机的传送效率的通常值为：0.95~0.98 21.船舶的推进器效率的通常值为：0.60~0.75 22.船舶的推进效率的通常值为：0.50~0.70 23.为了保护主机，一般港最高主机转速为海上常用住宿的70%~80% 24.为了留有一定的储备，主机的海上转速通常定为额定转速的96%~97% 25.为了保护主机，一般港倒车最高主机转速为海上常用转速的60%~70% 26.沉深比h/D在小于0.65~0.75的围，螺旋桨沉深横向力明显增大 27.侧推器的功率一般为主机额定功率的10% 28.当船速大于8kn时，侧推器的效率不明显 29.当船速小于4kn时，能有效发挥侧推器的效率 30.船舶操35度舵角旋回运动中，有效舵角通常会减小10—13度 31.使用大舵角、船舶高速前进、舵的前端曲率大时，多的背流面容易出现空泡现象 32.舵的背面吸入空气会产生涡流，降低舵效 33.一般舵角为32~35度时的舵效最好 34.当出链长度与水深之比为2.5时，拖锚制动时锚的抓力约为水中锚重的1.6倍 35.当出链长度与水深之比为2.5时，拖锚制动时锚的抓力约为锚重的1.4倍 36.一般情况下，万吨以下重载船拖锚制动时，出链长度应控制在2.5倍水深左右 37.霍尔锚的抓力系数和链的抓力系数一般分别取为：3-5， 0.75-1.5

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：

嵌入式系统在船舶方面的应用

嵌入式系统在船舶方面的应用（温度、电站、变频） 唐涛 （学号：200810123062） 摘要：嵌入式系统具有体积小、功耗低、可靠性高等特点,非常适合船舶领 域的应用。本文总结了嵌入式系统的特点,介绍了嵌入式系统在船舶系统中电站、温度控制、变频控制的应用，并特别介绍了嵌入式系统在船舶变频技术中的应用。 关键词:自动监控；船舶；自动控制系统；计算机系统；变频技术；温度控制；船舶电站；船舶电力推动系统；嵌入式系统 1引言 在计算机技术高速发展的今天,利用先进的计算机与网络技术来实现船舶各系统监控的自动化已经成为可能。从上世纪80 年代起,船舶控制产品就开始由模拟式向数字式发展。1995 年9 月,由国内外150 多家生产控制设备的厂商组成了国际FF 协会,标志着船舶控制系统开始向全数字化方向发展。此后数年,以现场总线(fildbus) 及超大规模数字集成电路(VL SI) 嵌入式电子技术为基础的全数字式控制系统开始在世界范围内兴起,并迅速扩展到船舶工业领域,使船舶自动化控制技术获得了突破性的发展。 由于嵌入式技术在船舶应用领域尚处于发展阶段,在现有船舶数据监控系统中,主要仍以采用PLC(可程序设计逻辑控制器) 、工业控制计算机(以下简称工控机) ,甚至简单的单片机系统为主来实现船舶各系统的数据采集、监测及控制功能。然而,船舶空间狭小,航行环境多变,因此相对陆用设备而言,我们希望这类船用设备具有体积小、安装接线方便、便于维修、可靠性高,并能适应船上盐雾、油雾、霉菌、潮湿、高热、振动、冲击、电磁干扰大等恶劣条件的性能。对应用于船舶这一特殊控制环境,嵌入式系统比以往的各类控制系统具有明显的优点。可以预见,嵌入式系统将在船舶监控系统中得到广泛的应用。

_船舶操纵与控制_精品课程建设的探索与研究_孙玉山

一、引言 “船舶操纵与控制”是船舶与海洋工程专业重要的研究生专业课，是从事船舶控制研究工作的基础，涉及到理论力学、水动力学、高等数学、自动控制原理、现代控制理论、船舶静力学、船舶操纵性、船舶推进与船舶耐波性等多学科，具有理论性强、知识点多的特点。该课程主要开展船舶操纵性与控制方面知识的探讨与学习。介绍国内外船舶操纵与控制领域的发展现状，分析未来该领域的发展趋势。学习水面船舶的动力学、运动学建模，包括作用在船上的环境载荷的情况掌握建立环境载荷的数学模型；熟悉船舶控制设备与传感器的原理与数据处理，通过控制基本理论与方法的学习，结合船舶操纵与控制的特点，掌握船舶运动控制的基本方法。 《船舶操纵与控制》源于上世纪８０年代我校研究生培养初期，以往该课程注重教学内容和理论性的系统性，造成课程理论和实践脱节，教学相关内容受到教材的局限性跟不上相关专业知识理论的最新进展，教学内容侧重不突出，导致该课程教学内容单一、任课教师讲授费力、学生掌握吃力现象。从２０１３年开始孙玉山副教授负责该课程主讲与建设。经过梳理与相关教学专家研讨，该课程当年获得哈尔滨工程大学研究生精品课程建设立项。在该课程的实践教学与建设过程中，课程教师团队从顶层课程目标、教学大纲的重新修订，到具体教材的选定与更新、教学内容、教学方法的实施等多方面探索“船舶操纵与控制”精品课程的建设。 二、修订教学大纲，明确建设目标 “船舶操纵与控制”课程的主要内容讲授船舶操纵与控制方面相关理论与方法，不仅涉及船舶静力学、船舶操纵性、船舶推进与船舶耐波性等船舶类相关专业知识，还涵盖理论力学、水动力学、高等数学、 自动控制原理、现代控制理论等相关理论知识，因此， 该课程具有涉及多学科、知识点范围广等特点，相对教学内容而言，课程学时偏少。以往基于黑板的传统学方式无法传递更多的信息量，同时，课程的学习内容需紧跟科技进步与最新研究进展。因此，课程教师团队与相关专家经充分讨论与研讨，明确了课程建设目标（如图１所示），并对课程教学大纲进行了部分修正，更新了教学内容。 为此，我们在以下几个方面进行了探索： １．理论教学内容侧重点、广度和深度的把握，将船舶操纵的特点与自动控制原理相结合，参照国内外相关课程设计，使该课程紧跟该领域最新发展进展，体现教学内容的前沿性与先进性。针对该课程主体研究生主要由海洋与船舶工程专业方向的本科毕业生考入，均学习过船舶类相关专业，因此，将课程中船舶动力学与数学模型的建立等相关知识课时缩短，并且主要讲解拓展部分，这一部分内容着重从深度及最新进展上着手。同时，课程设计中增加船舶控制传感器、设备的原理及数据处理的介绍，并深入分析与讲解代表 “船舶操纵与控制”精品课程建设的探索与研究 孙玉山，姜大鹏，李岳明，张国成 （哈尔滨工程大学水下机器人技术重点实验室，黑龙江 哈尔滨 １５０００１） 摘要：船舶操纵与控制是船舶与海洋工程专业一门重要的专业课，具有涉及多学科、知识点范围广等特点，其教学理论专业性强，晦涩难懂。根据“船舶操纵与控制”课程的教学现状，结合哈尔滨工程大学建设“三海一核”特色专业精品课程的目标，深入开展“船舶操纵与控制”精品课程建设。注重师资队伍的建设与培养，探索教学形式与教学方法创新与改革，综合运用传统教学与多媒体等现代教学手段，开展互动式、启发式和讨论式教学。通过课程建设，教学方法、教学手段、师资水平等均显著提高。 关键词：船舶的操纵与控制；课程建设；教学方法；教学改革中图分类号：Ｇ６４２．０ 文献标志码：Ａ 文章编号：１６７４－９３２４（２０１５）３０－０１０６－０２ 图１“船舶操纵与控制” 课程建设目标

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

(完整版)船舶操纵与避碰总结

船舶操纵与避碰 9101：3000总吨及以上船舶船长9102：500～3000总吨船舶船长9103：3000总吨及以上船舶大副9104：500～3000总吨船舶大副9105：3000总吨及以上船舶二/三副9106：500～3000总吨船舶二/三副9107：未满500总吨船舶船长9108：未满500总吨船舶大副9109：未满500总吨船舶二/三副 考试大纲 适用对象 9101 9102 9103 9104 9105 9106 9107 9108 9109 1 船舶操纵基础 1.1 船舶操纵性能 1.1.1 船舶变速性能 1.1.1.1 船舶启动性能√√√√√√ 1.1.1.2 船舶停车性能√√√√√√ 1.1.1.3 倒车停船性能及影响倒车冲程的因素√√√√√√ 1.1.1.4 船舶制动方法及其适用√√√√√√ 1.1.2 旋回性能 1.1. 2.1 船舶旋回运动三个阶段及其特征√√√√√√ 1.1. 2.2 旋回圈，旋回要素的概念（旋回反移量、滞距、 纵距、横距、旋回初径、旋回直径、转心、旋回 时间、旋回降速、横倾等） √√√√√√ 1.1. 2.3 影响旋回性的因素√√√√√√ 1.1. 2.4 旋回圈要素在实际操船中的应用（反移量、旋回 初径、进距、横距、旋回速率在实际操船中的应 用；舵让与车让的比较） √√√√√√√√√ 1.1.3 航向稳定性和保向性 1.1.3.1 航向稳定性的定义及直线与动航向稳定性√√√√√√

1.1.3.2 航向稳定性的判别方法√√√√√√ 1.1.3.3 影响航向稳定性的因素√√√√√√ 1.1.3.4 保向性与航向稳定性的关系；影响保向性的因素√√√√√√ 1.1.4 船舶操纵性指数（K、T指数）的物理意义及其与操纵性 √√ 能的关系 1.1.5 船舶操纵性试验 1.1.5.1 旋回试验的目的、测定条件、测定方法√√√√√√ 1.1.5.2 冲程试验的目的、测定条件、测定方法√√√√√√ 1.1.5.3 Z形试验的目的和试验方法√ 1.1.6 IMO船舶操纵性衡准的基本内容√√√ 1.2 船舶操纵设备及其运用 1.2.1 螺旋桨的运用 1.2.1.1 船舶阻力的组成：基本阻力和附加阻力√√√√√√ 1.2.1.2 吸入流与排出流的概念及其特点√√√√√√ 1.2.1.3 推力与船速之间的关系，推力与转数之间的关系√√√√√√ 1.2.1.4 滑失和滑失比的基本概念，滑失在操船中的应用√√√√√√ 1.2.1.5 功率的分类及其之间的关系√√√√√√ 1.2.1.6 船速的分类及与主机转速之间的关系√√√√√√ 1.2.1.7 沉深横向力产生的条件、机理及偏转效果√√√√√√ 1.2.1.8 伴流的概念，螺旋桨盘面处伴流的分布规律√√√√√√ 1.2.1.9 伴流横向力产生条件、机理及偏转效果√√√√√√ 1.2.1.10 排出流横向力产生条件、机理及偏转效果√√√√√√ 1.2.1.11 螺旋桨致偏效应的运用√√√√√√ 1.2.1.12 单、双螺旋桨船的综合作用√√√√√√ 1.2.1.13 侧推器的使用及注意事项√√√ 1.2.2 舵设备及其运用

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

船舶操纵系统图解

船舶操纵系统 第一节 操纵系统概述 为了满足船舶在各种工况下的航行需要，将船舶主机的起动、换向和调速等各装置联结成一个统一整体，并可集中控制的所有机构、设备和管路，总称为柴油机推进装置的操纵系统。 小型柴油机的推进装置，其起动、调速及换向系统的控制件距离近，通常分别设置，各自操纵。近年来不少船舶也通过机械、气动等型式传输集中至机舱集控台或驾驶室，对推进装置集中操纵。大、中型柴油机为操纵方便和工作可靠，都将各控制部分通过各种方式有机地联系以便集中控制和远程控制。 随着自动化技术和电子技术的发展，各种遥控技术已广泛地应用于柴油机的操纵机构。特别是近年来电子计算机技术和微处理机已用于主机遥控、巡回检测和工况监视等方面，不仅大大减轻了轮机人员的劳动强度，改善了工作条件，还可以避免人为的操作差错，提高船舶运行的安全性、操纵性和经济性。目前，主机遥控技术水平越来越高，船舶正朝着全面自动化和智能化的方向发展。 一、对操纵系统的要求 在船舶柴油机中，操纵部分是最复杂的一部分，其部件多、零件杂、相互牵连制约，近代自动化技术和遥控技术在操纵系统的应用，更增加了操纵系统的复杂程度。为了保证操纵系统能够可靠地工作，对船舶柴油机的操纵系统有下列基本要求： （1）必须能迅速而准确地执行起动、换向、变速和超速保护等动作，并能满足船舶规范上相应的要求。 （2）具有必要的连锁装置，以避免操作差错而造成事故。 起动连锁装置：盘车机未脱开不能起动，换向未到位不能起动。 换向连锁装置：转向与要求不符时不能起动，不允许在较高转速下换向，运转过程中不能自行换向。 滑油保安连锁装置：当滑油压力下降至许用下限值时，将油量调节杆推至零油位，使柴油机自行熄火停车。 （3）必须设有必要的监视仪表和安全保护、报警装置。在操纵台（或遥控操纵台）上有转速、转向、气压、油压、水温等醒目的仪表，并对直接影响安全运行的有关压力和温度等置有报警装置和安全保护装置。 （4）操纵机构中的零部件必须灵活、可靠、不易损坏。 （5）操作、调整方便、维护简单，便于实现遥控和自动控制。 二、操纵系统的组成 （1）换向部分：完成换向指令。当柴油机的转向与要求不符时通过移轴（双凸轮换向）、差动（单凸轮换向）或齿轮箱换向方式完成换向动作。 （2）起动部分：按指令打开主起动阀，使柴油机迅速起动，并在起动后迅速关闭主起动阀。 （3）调速部分：按指令要求压缩或放松调速弹簧，或直接移动油量调节杆，通过喷油泵增减油来满足柴油机加、减速的要求。

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