论文总字数：24118字

摘 要

近年来，航运业不断地发展，船舶的数量和航行时间也在不断增加，海上运输量的增加也越来越引起人们对安全问题的关注。同时，海上交通事故的频率也增加了，这设定人们对操纵性要求越来越高。为了确保船舶在海上的安全航行，人们不断用各种新型方法设计更好操纵的船舶。船舶操纵性的改善对航行期间船舶的安全有很大帮助。船舶操纵性研究的主要内容之一就是对船舶航速进行仿真。

本文首先分析了船舶航行时的受力状态，对船舶运动进行了分析，建立了船舶运动的MMG数学模型，并在Matlab的simulink软件中建立了仿真模型，并在并将仿真的结果与实际结果进行了比较，得出模型的精度。最后通过PID算法建立控制模型，并对控制模型进行了分析。

（1）分析船舶航行时的受力状态，并对船舶航行时的运动状态进行了解，再建立相应的数学模型。根据船舶航行时的状态，力产生的原因主要有两种，分别为水对船的作用力和风对船的作用力，本文将它们分别称为静水阻力和空气阻力。通过分析静水阻力和空气阻力，得到了对象船舶的受力模型。然后此基础上分析了船舶螺旋桨的推力模型。将两者结合就得到了船舶航行时螺旋桨转速与航速的关系式。

（2）近年来，主要有两个途径对船舶运动数学模型进行分析。一种是利用基本的运动方程，求解出船舶在一定航速下航行的运动参数并进行建模；另一方面是运用相关的控制理论，将船舶视为一个动态系统，整体进行研究，并通过实验对模型进行修正。本文使用的正是第一种方法。通过对船舶航行时的阻力进行分析，列出船舶航行时的静水阻力和空气阻力方程。然后对船舶螺旋桨推力进行分析，得到转速与航速的关系式，最后根据船舶运动加速度得出船舶的运动数学模型。

（3）得出船舶航速数学模型以后，利用Simulink软件在计算机中建立起相应的模型，然后通过模型仿真得到仿真数据，并与实船的航行数据进行比对，对所建立的船舶运动模型正确性进行验证。最后建立控制模型并进行精度分析，得到最佳航速。

关 键 词: 船舶航速；运动模型；航速优化；Simulink仿真

ABSTRACT

In recent years, the shipping industry has continued to develop, the number of ships and sailing time have also increased, and the increase in maritime traffic has also increasingly drawn attention to safety issues. At the same time, the frequency of marine traffic accidents has also increased, which sets people's requirements for maneuverability higher and higher. In order to ensure the safe navigation of ships at sea, people are constantly designing ships with better maneuvers using various new methods. The improvement of ship maneuverability is of great help to the safety of ships during navigation. One of the main contents of ship maneuverability research is to simulate ship speed.

The force status of the ship during navigation was analyzed, and the simulation model was established in the Simulink software of Matlab, and the simulation results were compared with the actual results. Compare to get the accuracy of the model. Finally, the control model is established by PID algorithm, and the control model is analyzed.

(1) This thesis analyzes the force state of the ship while sailing, and understands the motion state of the ship while sailing, and then establishs the corresponding mathematical model. According to the state of the ship while sailing, there are two main causes of force, namely the force of water on the ship and the force of wind on the ship. This article refers to them as hydrostatic resistance and air resistance. By combining the two, the relationship between the speed of the propeller and the speed of the ship is obtained.

(2) This thesis uses the basic equations of motion to solve and model the ship's movement parameters at a certain speed; on the other hand, it uses the relevant control theory to treat the ship as a dynamic system, to study the whole as a whole, and through experiments Correct the model. This article uses the first method. By analyzing the resistance of the ship during navigation, the equations of static water resistance and air resistance during the navigation of the ship are listed. Then, the propeller thrust of the ship is analyzed to obtain the relationship between the speed and the speed.

(3) After the mathematical model of ship speed is obtained, the corresponding model is established in the computer with Simulink software, and then the simulation data is obtained through the model simulation, and compared with the navigation data of the real ship to verify the correctness of the established ship motion model. Finally, the control model is established and the accuracy is analyzed to obtain the best speed..

Key words: ship speed; motion model; speed optimization; Simulink simulation

第1章 绪论

1.1 研究背景及意义

近年来，航运业不断地发展，人们对操纵性要求越来越高。为了确保船舶在海上的安全航行，人们不断对船舶的操纵性进行深入研究。船舶操纵性的改善对航行期间船舶的安全有很大帮助。^[1-3]

根据以往船舶设计经验，船舶在航行过程中可参照与设计船舶相似的现有母船或使用经验公式来获得船舶的操纵性。然而，这种方法已经越来越不能适应船舶设计的更高要求。有四个主要原因。首先，随着船舶尺寸的不断增大和航行过程中船舶惯性的增大，对船舶的精确控制变得更加困难。因此，在设计船舶时，必须加强机动性设计。二是各种新型船舶和特种船舶对装卸性能有了更高的要求，因此在设计阶段就需要对装卸性能进行综合设计。第三，随着航运业的发展，海上船舶数量不断增加使得船舶发生事故的频率越来越高，我们需要更好操作的船舶来避免事故的发生;第四，全球的环境被破坏的越来越严重，促使人们不断改进船舶操纵性设计，以防止船舶发生事故，对环境造成严重污染。^[4]

为了提高船舶的操纵性，美国国家研究委员会的海事部门已经开始实施一项机动模拟计划，研究如何在设计阶段提高船舶的机动性。日本在船舶操纵性模拟和航行中船舶运动预测方面投入了大量资金。欧洲主要造船国也在积极研究相关领域。中国大连海事大学引进了多套模拟器，并在此基础上开发了国产船舶运动模拟器。我国于1980年从挪威引进了第一个导航雷达ARPA模拟器。^[15]18年后，我国研制了国产的模拟器用于对船舶的操纵性进行仿真。2000年，中国从英国引进了第一个IBS模拟器，这个模拟器可以模拟船舶和桥梁的运动。与此同时，中国从德国进口了一架ALTAS1000型导航雷达ARPA。由此可见，船舶机动运动仿真与预测已受到船舶设计者的高度重视，成为船舶设计中非常重要的一项工作。^[17-19]

一般来说，船舶操纵仿真的主要方法包括自由船模型试验和经验公式。其中，经验方法一般用于参照母船的设计工作。使用这种方法的主要例子是60系列和MARAD系列。随着对船舶操纵运动方程研究的日益深入，相关研究成果也在不断发展。20世纪70年代，世界上各个有能力建造大型船舶的国家联合建立了一批大型模拟设备，用于试验，以确定船舶的各种参数。例如，摇杆池(RA)、平面运动机构(PMM)、X-Y拖车等。1969年举行的第12届国际拖曳水池会议对“水手”号货船的各种水动力参数进行了世界范围的对比试验。这对船舶运动的仿真模拟和船舶的操纵性的研究产生了巨大的推进作用。因为这次试验证实了利用转向模型预测船舶非线性运动的可能性。此后，可操作的模拟和预测方法逐渐被人们所接受。近年来，神经网络的计算方法也被应用到船舶操纵性的研究中，在预测当前船舶操纵性需求方面显示出良好的应用前景。从动力学的角度来看，港口和航道船舶操纵的仿真考虑了人、船和环境的相互作用，用于全面模拟船舶操纵过程。他把研究环境变成了真实的水域，大大提高了模拟的准确性^[20-24]。在船舶设计的早期阶段，应该设计一个合适的船舶运动控制系统来控制船舶的操纵性，而船舶操纵性仿真反过来反映了控制器的优缺点。

1.2国内外研究现状

1.2.2国外研究现状

要想研究船舶航速的变化，就要对船舶运动模型进行研究，这些研究主要有两种方式。一是从船舶的基础技术参数对船舶进行分析，得到船舶的运动方程。二是把船舶看作为一整个动力系统，通过相关的工程控制理论得到船舶的运动方程

西方主要造船国对船舶运动仿真系统的研究起步较早。他们大多在20世纪60年代建立了船舶运动仿真系统。自1976年以来，日本学者开发出了单独水动力模型(MMG)。布赖恩在水动力模型的研究主创造“慢动作导数”，很好的描述了船舶的水动力性能。米诺斯基、库恰尔斯基和温布卢姆将船舶作为类比于在空气中飞行的物体，如飞机，进行研究，分析船舶的运动，其中一些方法仍被当前的理论所采用。^[25-27]

1.2.2国内研究现状

自中国的黄国梁和楼良联在独水动力模型(MMG)相关实验结果和相关研究的基础上，还提出了船舶在波浪中运动的数学模型。

在船舶操纵性模拟和预测方面，周兆明等人做出了突出贡献。他们的主要工作是完成试井数据中非线性流体力学导数的回归，并在中国推广该模型的应用。

国内操纵模拟训练系统的研究始于国内海军训练装备中心和海军大连海军学院。后来，大连海事大学和上海海事大学也开发了大型综合船舶模拟器。

1.3本文研究主要内容和方法

1.3.1船速研究通用方法

特定的船舶控制方式下，为达到具体的控制目标或是解决某类控制问题，通常采用滑模控制、反步法、神经网络自适应控制、分布式模型预测控制和博弈论等方法实现船舶控制。

滑模控制法：滑模控制本质是一种非线性控制方法，其控制结构随时间变化而变化，也被称为滑模变结构控制。滑模控制对不确定参数和外界干扰具有强鲁棒性，因此广泛应用于机器人控制、航空航天以及船舶控制等领域。Fahimi在考虑到船舶编队动态模型的参数不确定性以及外界扰动后，提出了滑模控制对无人船进行控制，通过理论分析证明了鲁棒性以及船舶编队的稳定性，仿真说明了该控制器的有效性。随后，Schoerling运用同样的方法，并通过实船现场试验，验证了滑模变结构编队控制律在参数不确定性和环境干扰下的有效性和鲁棒性。^[13]2014年，杨震提出了一种基于滑模变结构控制方法，在仅需已知领航船位置和航向信息的情况下，设计控制器使得跟随船舶与领航船保持期望的队形，实现编队控制，并通过三艘实船组成的编队验证了方法的有效性。秦奇为了提高控制系统的稳定性以及收敛性，采用虚拟结构控制方式结合滑模控制方法，使多船舶系统能够以较高精度按照期望队形航行并维持期望的轨迹。由于滑模变结构控制会在系统运行过程中不断变换，而系统存在惯性，这就必然导致滑模控制的抖震问题。针对这个问题，Sun在设计滑模控制器时，开发了一个连续函数代替原模型的符号函数，减小了控制系统的抖震问题。为了避免系统的奇异性问题，将控制系统分为有界区域和补奇异区域，在终端滑模控制方法的基础上引入辅助线性滑模控制器，仿真验证了该方法在避免系统奇异性上的有效性。

反步法：反步法的核心思想是将一个复杂的非线性系统分解为多个子系统，且子系统个数不超过系统阶数，然后将一些状态变量看作虚拟控制，分别为每个子系统设计Lyapunov函数和中间虚拟控制量，而子系统必须通过后面的虚拟控制才能达到镇定，这样一直递推直到设计出最终的控制律。反步法因其高效、设计灵活、稳定性高等优点，在航速控制中获得了大量的应用。^[29-31]Do利用反步法设计了一种协同控制器，可使一群感知范围有限的船舶进行理想编队且避免发生碰撞。随后，该作者又在考虑风浪流等随机环境干扰的情况下。以反步法为基础，开发了一种针对随机系统的控制器，实验证明能保持系统的稳定性。丁磊考虑领队船舶与跟随船舶的航向角误差，利用反步技术和Lyapunov理论设计了一种船队编队控制器避免跟随船舶的航向角在航行过程中的振荡。Breivik利用积分器反步和级联理论，采用模块化设计方法，提出了一种新的船舶引导编队控制方案，使得每个编队成员都能收敛并保持其在编队中的位置。Zheng运用自适应径向基函数神经网络对船舶未知扰动进行估计，并通过反步法设计了轨迹跟踪控制器，仿真结果证明了该控制器的有效性。

神经网络自适应控制法：神经网络具有强大的学习以及容错能力，与强鲁棒性的自适应控制相结合，神经网络自适应控制在智能控制领域展现了明显的优势。随着船舶编队控制研究的深入，在实现基本的队形建立、保持以及变换等问题的同时，系统在动态未知环境下如何自动保持或改变队形以最好地适应环境的问题也获得了更多的关注，这也使得神经网络自适应控制在船舶编队控制的研究中占得一席之地。^[14]

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