船舶操纵1要点计划.docx
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船舶操纵1要点计划
船舶操控运动仿真报告
指导老师:
王先洲
班级:
船海1303
小构成员:
徐田丰U201312305
桂强U201312311
张琳U201312296
李坚宇U201312316
丁逸轩U201312323
王睿哲U201212135
2016年5月7日
一·国内外研究现状船舶操控性是指船舶在驾驶者的操控下,经过控制装置来保持或改变航速、航向和地点等运动状态的能力,他是船舶的运动性能之一。
它直接影响到船舶的经济性和安全性。
航运业的不停发展促使了船舶的大型化多样化和高速化航道航行密度的增添致使海上事故发生的概率上涨使得人们对船舶操控性的要求提升。
船舶操控运动仿真作为一种在设计阶段常用的预告船舶操作性能的方法,在现代计算机快速发展,多媒体进步的今日,这类方法更是有了深沉的发展远景。
当前这类技术在航海人员的训练中获得了宽泛地引用;而且在港口航道的设计和管理上有必定作用。
同时在各工况下对船舶运动的仿真研究,各船型下运动的仿真研究,各个协助装置对船舶运动影响的仿真研究都多如繁星。
如大型船舶进坞的仿真:
大型油轮出入坞时依赖船坞引船系统或拖船拖曳运动,因为船坞的坞口以及出入坞航道狭小,使油轮的出入坞运动控制较困难,事故风险较高。
本文比较了油轮出入坞运动与深海疆拖航系统运动的差别,从理论出发,成立了油轮进坞运动方程,利用四阶Runge-Kutta方法求解一阶微分方程组,得到了油轮进坞的运动轨迹及刹时速度。
仿真结果表示,该油轮在较好的海况条件下进坞是安全的。
如风波流作用下的船舶操控运动仿真:
将OpenGL虚构现实仿真技术运用到船舶操控与控制领域中,利用MMG数学模型,成立了风波流作用下船舶操控运动的三维动向仿真系统,在系统开发过程中,第一采纳MMG分别式数学模型及有关的系列化试验结果,成立单桨单舵大海运输船舶在静水中的船舶操控运动方程,并编制计算程序,经与试验结果比较,证明了计算结果的正确性;为认识MMG数学模型中模型参数变化对操控性指数的影响程度在上述已有程序基础上,对有关模型参数进行偏移修正,商讨了相应参数变化后的操控性指数,对船舶操控性指数对模型参数的敏捷度进行了详尽的剖析与商讨。
如半潜船的六维自由度仿真:
采纳分别建模的思想,经过对船舶运动以及受力进行剖析,成立了一个对半潜船在外力风、浪、流作用下的船舶运动数学模型进行了6自由方向上的建模。
并对船舶进行受力剖析,成立了6自由度赤身船体水动力及力矩、6自由度流体动力及力矩和6自由度外力扰乱力及力矩等计算模型和吊舱螺旋桨推动器的推力以及推力矩的计算模型。
最后经过计算机进行仿真,利用数值剖析方法四阶Runge-Kutta算法计算出船舶6自由度运动状态。
当前主流的数学模型是mmg,这类模型经过水动力系数、桨和舵的有关系数对水动力进行建模,所以数学模型与上边的系数有很大的关系。
而本次我们采纳abkowitz模型,这类模型需要船舶的所有水动力导数,从而计算出该模型在各样操舵规律下,各样运动参数随时间变化的曲线和模型的运动轨迹。
二·船舶运动方程因为展转过程的速降、各样强烈的操控运动,船舶操控的线性模型因其限制性而没法正确地预告各样状况下的操控运动。
所以,为了对船舶操控运动进行更为精准的数学模拟,一般采纳非线性数学模型。
在此介绍Abkowitz非线性数学模型。
该模型将方程中的流体动力函数X、Y、N在直航状态邻近对各运动参数做泰勒级数睁开,即把XYN表示为各样状
态变量及耦合项的泰勒级数之和。
f1(uvr
)
X0
Xu
u
1Xuu
u2
1Xuuu
u3
1Xvvv2
2
6
2
(
1
Xrr
mXG)r2
1
X
2
1
Xrru
r2
u
1
Xvvuv2
u
2
2
2
2
1X
u
2
u
(Xvr
m)vr
Xv
v
Xr
r
Xvruvr
u
2
Xv
uv
u
Xr
ur
u
f2(uvr
)
Yp0
Ypou
u
Ypou
u2
Ypouuu
u3
Yvv
1
Yvvvv3
6
1Yvrrvr2
1Yv
v
2
Yvuv
u
1Yvuuv
u2
(Yr
mu)r
2
2
2
1Yrrrr3
1Yrvvrv2
1Yrr
2
Yruru
1Yruur
u2
Y
6
2
2
2
1Y
3
1Yvvv2
1Yrr
r2
Yu
u
1Yuu
u2
6
2
2
2
Yvr
vr
1Y
u
3
u
6
f3(uvr
)
Np0
Npou
u
Ypou
u2
Npouuu
u3
Nvv
1Nvvvv3
6
N
vrr
vr
2
N
v
v
2
N
vu
vu
1
N
vuu
vu
2
(Nr
mxu)r
1
1
G
2
2
2
1Nrrr
r3
1Nrvvrv2
1Nr
r
2
Nrur
u
1Nruur
u2
N
6
2
2
2
1N
3
1Nvvv2
1Nrr
r2
Nu
u
1Nuu
u2
6
2
2
2
Nvr
vr
1N
u
3
u
6
由上式可知,常系数非线性方程组的解以下:
du
f1(u、v、r、)
dt
u
mXu
dv(I
z
N
)f
(u、v、r、)(mx
Y
)f
(u、v、r、)
v
r
2
G
r
3
dt
(m-Yv)(Iz-Nr)-(mxG-Nv)(mxG-Yr)
dv
(mYv)f3(u、v、r、)
(mxGNv)f2(u、v、r、)
r
dt
(m-Yv)(Iz-Nr)-(mxG-Nv)(mxG-Yr)
上式即为一阶微分方程组,可利用计算机快速求得其近似解。
只需向来前一刹时t的u,v,r,值,即可解出该刹时的u,v,r值。
从而计算出下一瞬时的速度状态变量。
所以微分后能够求得船舶有关于固定坐标系的线速度值,即为绝对速度:
x0(t)u(t)cos(t)v(t)sin(t)
y0(t)u(t)sin(t)v(t)cos(t)
对上式进行积分:
tt(t)(0)r()tr0ttx0(t)x0(0){u()cos()v()sin()}tr0tty0(t)y0(0){u()sin()v()cos()}tr0此中:
(0)、x0(0)、y0(0)为初始时辰状态值。
由各刹时之x0(t)、y0(t)值就能够绘制其轨迹。
假如船体重心G与动坐标原点O不重合,则需要进行适合的修正从而获得正确的重心轨迹。
以上即Abkowitz非线性模型的简要内容,假如某船的所有水动力导数已知,则运用该模型能够方便的计算出其在各样操舵状况下,运动参数随时间的变化及其轨迹,由实质实考证明,该数学模型预告值和实船实验值切合较好,所认为了计算某船的操控运动,确立其水动力导数是特别重要的。
Abkowitz数学模型中众多水动力导数能够经过各样拘束船模实验而测得,而阻力实验和螺旋桨敞水试验能够供给另一部分系数值。
三·仿真结果及剖析
本次测试的船型为marinerMatlab代码以下functionxdot=mariner(x,ui)if~(length(x)==7),error('x-vectormusthavedimension7!
');endif~(length(ui)==1),error('u-vectormusthavedimension1!
');endU0=7.72;U=sqrt((U0+x
(1))^2+x
(2)^2);L=160.93;delta_c=ui
(1);u=x
(1)/U;v=x
(2)/U;delta=x(7);r=x(3)*L/U;psi=x(4);delta_max=15;Ddelta_max=5;m=798e-5;Iz=39.2e-5;xG=-0.023;Xudot=-840e-5;Yvdot=-1546e-5;Nvdot=23e-5;Xu=-184e-5;Yrdot=9e-5;Nrdot=-83e-5;Xuu=-110e-5;Yv=-1160e-5;Nv=-264e-5;Xuuu=-215e-5;Yr=-499e-5;Nr=-166e-5;Xvv=-899e-5;Yvvv=-8078e-5;Nvvv=1636e-5;Xrr=18e-5;Yvvr=15356e-5;Nvvr=-5483e-5;Xdd=-95e-5;Yvu=-1160e-5;Nvu=-264e-5;Xudd=-190e-5;Yru=-499e-5;Nru=-166e-5;Xrv=798e-5;Yd=278e-5;Nd=-139e-5;Xvd=93e-5;Yddd=-90e-5;Nddd=45e-5;Xuvd=93e-5;Yud=556e-5;Nud=-278e-5;Yuud=278e-5;Nuud=-139e-5;Yvdd=-4e-5;Nvdd=13e-5;Yvvd=1190e-5;Nvvd=-489e-5;Y0=-4e-5;N0=3e-5;Y0u=-8e-5;N0u=6e-5;Y0uu=-4e-5;N0uu=3e-5;m11=m-Xudot;m23=m*xG-Yrdot;m33=Iz-Nrdot;m22=m-Yvdot;m32=m*xG-Nvdot;ifabs(delta_c)>=delta_max*pi/180,delta_c=sign(delta_c)*delta_max*pi/180;enddelta_dot=delta_c-delta;ifabs(delta_dot)>=Ddelta_max*pi/180,delta_dot=sign(delta_dot)*Ddelta_max*pi/180;endX=Xu*u+Xuu*u^2+Xuuu*u^3+Xvv*v^2+Xrr*r^2+Xrv*r*v+Xdd*delta^2+Xudd*u*delta^2+Xvd*v*delta+Xuvd*u*v*delta;Y=Yv*v+Yr*r+Yvvv*v^3+Yvvr*v^2*r+Yvu*v*u+Yru*r*u+Yd*delta+Yddd*delta^3+Yud*u*delta+Yuud*u^2*delta+Yvdd*v*delta^2+Yvvd*v^2*delta+(Y0+Y0u*u+Y0uu*u^2);N=Nv*v+Nr*r+Nvvv*v^3+Nvvr*v^2*r+Nvu*v*u+Nru*r*u+Nd*delta+Nddd*delta^3+
Nud*u*delta+Nuud*u^2*delta+Nvdd*v*delta^2+Nvvd*v^2*delta+(N0+N0u*u+N0uu*u^2);xdot=[X*(U^2/L)/m11-(-m33*Y+m23*N)/(m22*m33-m23*m32)*U^2/L(-m32*Y+m22*N)/(m22*m33-m23*m32)*U^2/L^2r*U/L(cos(psi)*(U0/U+u)-sin(psi)*v)*U(sin(psi)*(U0/U+u)+cos(psi)*v)*Udelta_dot];end①展转运动展转运动仿真轨迹
能够依据上图直接获得测试船型
mariner
的展转圈的主要特点参数:
反撗距
S1,正横距
S2,纵距
S3,战术直径
DT
,定常展转直径
D。
直接判断测试船型的展转性能够看战术直径的大小,当
DT=3L~6L
时。
能够说该船的展转
性达标,
DT越小越好。
GUI代码以下functionvarargout=GUI1(varargin)gui_Singleton=1;
gui_State=struct('gui_Name',
mfilename,...
'gui_Singleton',gui_Singleton,...
'gui_OpeningFcn',@GUI1_OpeningFcn,...'gui_OutputFcn',@GUI1_OutputFcn,...'gui_LayoutFcn',[],...'gui_Callback',[]);ifnargin&&ischar(varargin{1})=str2func(varargin{1});end
ifnargout[varargout{1:
nargout}]=gui_mainfcn(gui_State,varargin{:
});elsegui_mainfcn(gui_State,varargin{:
});endfunctionGUI1_OpeningFcn(hObject,eventdata,handles,varargin)=hObject;guidata(hObject,handles);functionvarargout=GUI1_OutputFcn(hObject,eventdata,handles)varargout{1}=handles.output;functionedit1_Callback(hObject,eventdata,handles)input=str2num(get(hObject,'String'));if(isempty(input))set(hObject,'String','');end;guidata(hObject,handles)functionedit1_CreateFcn(hObject,eventdata,handles)ifispc&&isequal(get(hObject,'BackgroundColor'),get(0,'defaultUicontrolBackgroundColor'))set(hObject,'BackgroundColor','white');endifispc&&isequal(get(hObject,'BackgroundColor'),get(0,'defaultUicontrolBackgroundColor'))set(hObject,'BackgroundColor','white');endfunctionedit3_Callback(hObject,eventdata,handles)functionedit3_CreateFcn(hObject,eventdata,handles)ifispc&&isequal(get(hObject,'BackgroundColor'),get(0,'defaultUicontrolBackgroundColor'))set(hObject,'BackgroundColor','white');endfunctionedit4_Callback(hObject,eventdata,handles)input=str2num(get(hObject,'String'));if(isempty(input))set(hObject,'String','');end;guidata(hObject,handles)functionedit4_CreateFcn(hObject,eventdata,handles)
ifispc&&isequal(get(hObject,'BackgroundColor'),get(0,'defaultUicontrolBackgroundColor'))set(hObject,'BackgroundColor','white');endfunctionpushbutton1_Callback(hObject,eventdata,handles)a=get(handles.edit4,'String');b=str2num(a);t=0:
0.1:
1500;u=t;v=t;r=t;psi=t;xpos=t;ypos=t;delta=t;delta_c=b*pi/180;u
(1)=0;v
(1)=0;r
(1)=0;psi
(1)=0;xpos
(1)=0;ypos
(1)=0;delta
(1)=0;fori=1:
15000x=[u(i)v(i)r(i)psi(i)xpos(i)ypos(i)delta(i)];ui=delta_c;xdot=mariner(x,ui);u(i+1)=u(i)+0.1*xdot
(1);v(i+1)=v(i)+0.1*xdot
(2);r(i+1)=r(i)+0.1*xdot(3);psi(i+1)=psi(i)+0.1*xdot(4);xpos(i+1)=xpos(i)+0.1*xdot(5);ypos(i+1)=ypos(i)+0.1*xdot(6);delta(i+1)=delta(i)+0.1*xdot(7);end;plot(xpos,ypos)guidata(hObject,handles);
②Z型操舵
Z型操舵运动仿真轨迹
试验曲线,~t曲线
依据上图,能够经过丈量得出超越角OV,在很长一段时间里,其为表征船舶的操控性的直接参数之一OV=KT0由上式能够看出超越角能够在必定程度上表征操控性
还能够丈量得出转向滞后TL,是对展转惯性的一种胸怀。
由以上两个能够直观察得的参数能够评论试验船舶的操控性能否优秀。
别的还能够经过野本谦作建议的K-T剖析,做大批的协助线及计算,求得K,T,这类方法更加精准,也更加直接。
GUI代码以下functionvarargout=GUI2(varargin)gui_Singleton=1;gui_State=struct('gui_Name',mfilename,...'gui_Singleton',gui_Singleton,...'gui_OpeningFcn',@GUI2_OpeningFcn,...'gui_OutputFcn',@GUI2_OutputFcn,...'gui_LayoutFcn',[],...'gui_Callback',[]);ifnargin&&ischar(varargin{1})=str2func(varargin{1});endifnargout[varargout{1:
nargout}]=gui_mainfcn(gui_State,varargin{:
});elsegui_mainfcn(gui_State,varargin{:
});endfunctionGUI2_OpeningFcn(hObject,eventdata,handles,varargin)=hObject;guidata(hObject,handles);functionvarargout=GUI2_OutputFcn(hObject,eventdata,handles)varargout{1}=handles.output;functionedit1_Callback(hObject,eventdata,handles)if(isempty(input))set(hObject,'String','');end;guidata(hObject,handles)functionedit1_CreateFcn(hObject,eventdata,handles)ifispc&&isequal(get(hObject,'BackgroundColor'),get(0,'defaultUicontrolBackgroundColor'))
set(hObject,'BackgroundColor','white');endfunctionedit2_Callback(hObject,eventdata,handles)if(isempty(input))set(hObject,'String','');end;guidata(hObject,handles)functionedit2_CreateFcn(hObject,eventdata,handles)ifispc&&isequal(get(hObject,'BackgroundColor'),get(0,'defaultUicontrolBackgroundColor'))set(hObject,'BackgroundColor','white');endfunctionpushbutton1_Callback(hObject,eventdata,handles)a=get(handles.edit2,'String');b=str2num(a);c=get(handles.edit3,'String');d=str2num(c);t=0:
0.1:
500;u=t;v=t;r=t;psi=t;xpos=t;ypos=t;delta=t;toda=t;gakki=t;delta_c=b*pi/180;u
(1)=0;v
(1)=0;r
(1)=0;psi(
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