“太平洋”轮舵机液压系统建模与仿真

摘要

随着航运业的发展，海上交通运输密度日趋增大，同时对船舶航行的安全性和经济性要求也在不断提高。船舶航向控制系统的结构和控制性能是影响船舶正常航行的重要因素，一旦失灵，船舶将会失去控制，甚至发生重大海难事故。在国际海事组织颁布的SOLAS公约中详细规定了“船舶液压舵机系统培训与评估”的内容。这就要求在进行船员培训中必须有相应的模拟仿真系统对船员进行舵机系统的训练。因此，本文以川崎FE21-400船舶液压舵机控制系统为研究对象，以期完成较完整的船舶自动舵系统的动态仿真过程。
　　 首先，在二自由度和三自由度状态空间船舶运动数学模型的基础上，考虑风、浪、流等环境因素的影响，建立一阶Nomoto船舶运动数学模型。其次，以“太平洋”轮万箱集装箱船舵机液压系统工作原理为基础，围绕舵机系统各部分的运动方程及其系统的控制方法，建立船舶舵机系统的数学模型。并通过Matlab软件的Simulink模块搭建了船舶舵机液压系统的模型，根据反馈控制原理划分各子模块，进行动态仿真，验证了所建模型的正确性与有效性，同时仿真结果满足SOLAS公约要求。再者，将所建舵机液压系统模型与Nomoto船舶模型相关联，进行了基于PID控制的自动舵双闭环系统的建模仿真，分析了船舶航向曲线变化情况，验证了模型的有效性。最后，完成基于VC++6.0的船舶舵机系统的界面设计，并成功应用于DMS-2012系列模拟器中。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 课题研究的背景和意义

1．2 船舶自动舵的发展

1．3 本文研究的主要内容

第2章 船舶运动及环境干扰力数学模型

2．1 引言

2．2 船舶运动数学模型

2．2．1 状态空间型线性二自由度模型

2．2．2 状态空间型三自由度模型

2．2．3 Nomoto船舶运动模型

2．3 环境干扰力

2．3．1 风的干扰力

2．3．2 波浪干扰力

2．3．3 海流干扰力

2．3．4 风浪流的模型建立

2．3．5 环境干扰力共同作用下的船舶运动数学模型

2．4 结论

第3章 “太平洋”轮舵机液压系统建模与仿真

3．1 引言

3．2 舵的作用原理

3．2．1 舵的水动力及对船舶运动的影响

3．2．2 转舵扭矩

3．3 “太平洋”轮三舵机液压系统工作原理

3．3．1 油泵机组和油路系统

3．3．2 工况选择

3．4 “太平洋”轮液压舵机数学模型

3．4．1 撞杆运动数学模型

3．4．2 液压系统流量平衡模型

3．4．3 油泵的流量模型

3．4．4 双向变量泵斜盘倾角模型

3．4．5 舵的水阻力矩计算模型

3．4．6 舵角求解模型

3．5 仿真模型及参数

3．5．1 Simulink概述

3．5．2 模块的划分

3．5．3 Simulink仿真模型

3．6 仿真图形与结果分析

3．7 结论

第4章 船舶自动舵系统建模与仿真

4．1 船舶航向控制问题的描述

4．1．1 船舶航向控制原理

4．1．2 船舶航向控制的性能指标

4．2 船舶自动舵系统仿真建模

4．2．1 船舶自动舵的控制器设计

4．2．2 “太平洋”万箱集装箱船舶航向仿真实例

第5章 舵机液压系统的仿真应用

5．1 舵机液压系统训练模拟器

5．2 舵机液压系统仿真界面开发设计

第6章 结论与展望

参考文献

攻读学位期间公开发表论文

致谢

研究生履历