船舶航速和航向控制及机桨匹配研究

摘要

当今港口航运业发展相当迅猛，海上航行船舶的数量、类型和吨位都发生了巨大的变化，相应地对船舶的快速性、机动性、可靠性有了更高的要求。单机单桨已经不能满足大型船舶操纵性要求，多机多桨能够在不同工况下满足要求，被越来越广泛地采用，这就涉及到船机桨在能量转化和传动过程中的匹配问题，合理的匹配能够提高船舶的航行效率，节省能源。本文是针对四机四桨的大型船舶进行船机桨匹配及优化研究。 采用MMG分离式数学建模思想建立大型水面船四自由度运动数学模型，并分别对该模型中流体动力和力矩、螺旋桨推力和功率、汽轮机推力和功率、作用于舵上的流体动力和力矩、风浪流所产生的干扰力和力矩进行了分析，建模中充分考虑大型水面船的运动特点和风、浪、流的干扰特性。 根据航速和航向控制的基本原理设计PID控制器和模糊PID控制器，在单机单桨工作时，对船舶航速、航向进行控制，并对两种控制器的控制效果进行比较分析，可知模糊PID的控制效果更佳。在不同工作条件下，采用模糊PID控制器进行船舶航速控制和航向控制，保证船舶直线航行并快速达到目标航速。 阐述船机桨匹配和外罚函数法的基本原理，研究船舶(阻力)、汽轮机、螺旋桨特性，建立船舶、螺旋桨、汽轮机匹配的优化模型，采用外罚函数法对船机桨的匹配进行优化，仿真结果表明螺旋桨和主机的效率和有了明显提高，达到了预期目标。

目录

文摘

英文文摘

声明

第1章绪论

1.1引言

1.2研究现状

1.2.1船机桨匹配研究现状

1.2.2优化设计方法——外罚函数法的发展现状

1.2.3航速控制和航向控制的发展状况

1.3论文的主要工作

第2章大型船舶四自由度运动数学模型

2.1引言

2.2 MMG大型水面船运动数学模型

2.2.1坐标系

2.2.2操纵运动方程

2.3螺旋桨数学模型

2.4汽轮机数学模型

2.4.1船舶汽轮机动力装置的特点

2.4.2汽轮机系统的数学模型

2.5舵数学模型

2.6船舶运动的干扰力数学模型

2.6.1风的干扰力数学模型

2.6.2波浪干扰力数学模型

2.6.3流的干扰力数学模型

2.7本章小结

第3章大型船舶航速及航向控制仿真

3.1引言

3.2传统PID控制器

3.3模糊PID控制器

3.4航速和航向控制

3.4.1航速和航向控制方法研究

3.4.2航速和航向模糊控制规则

3.4.3传统PID与模糊PID控制效果比较

3.4.4不同工作条件下的航速及航向控制

3.5本章小结

第4章船机桨工况匹配与优化

4.1引言

4.2船舶能量平衡分析

4.3船机桨匹配性能分析

4.3.1船舶航行状况分析

4.3.2船舶航行特性曲线分析

4.4优化算法的基本原理

4.5优化模型的建立及求解

4.6船机桨匹配

4.7本章小结

结 论

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文和取得的科研成果

致 谢