船舶运动控制新进展

船舶减摇水舱控制技术现状与展望摘要：船舶在海面航行时，会由于海况的影响，导致横摇运动加剧。

减摇水舱作为最广泛使用的减摇装置之一，具有结构简单、成本低、可在零航速和低航速下进行减摇等优点。

可控被动式减摇水舱作为一种高效的减摇水舱，可通过自动控制系统控制气阀和水阀的状态改变水舱内水的振荡周期，以适应不断变化的海况，保证在任何海浪的作用下都可以进行减摇。

由此可见，良好的减摇水舱控制系统，对提高减摇水舱的减摇效果，进而改善船舶的安全性，减少运输成本，提高装卸效率，有着重要的作用。

关键词：船舶减摇水舱控制技术现状展望引言船舶在海上航行时会受到海风、海浪等的影响，在其作用下会产生剧烈的横摇及横荡运动，这会给船舶的航行安全带来威胁，同时也会给乘客造成不适的感觉，所以如何减小船舶航行过程中的摇摆就成为一个十分有意义的研究课题.减摇水舱是减小船舶横摇的重要减摇装置之一，尤其是在低航速和零航速时，常规的减摇装置如减摇鳍难以发挥作用，采用减摇水舱造价低廉，可以有效解决船舶低航速航行时的耐波性问题，达到明显的减摇效果.减摇水舱在国外应用比较广泛.我国的一些院所也展开过这方面的研究，但鲜有成熟产品.随着对船舶及舰艇耐波形要求的日益提高，开发经济、有效的减摇装置势在必行，减摇水舱无疑是最合适的减摇装置之一.1.船在波浪作用下的运动船舶在水面上的运动有六个运动自由度。

如果以船的首尾方向为 x 轴、左右舷方向为 y 轴、上下方向为 z 轴建立坐标系，那么，沿 x、y 和z 方向的平动分别称为纵荡、横荡和升沉；绕 x、y 和 z 轴的转动分别称为横摇、纵摇和首摇（图1）。

由于水的抗剪切能力极小，所以漂浮在水上的船舶在非零外力的作用下总是不可避免地发生运动，包括平动和转动，即摇摆。

由于横摇运动的惯性矩相对较小，所以横摇运动往往最为剧烈。

即减摇一般是针对船舶的横摇，也是船舶减摇研究的主要内容。

图1 船在水面上运动的坐标系2.船舶减摇技术发展现状近年来，世界船舶技术在大型化、高速化、高性能化三个方面的进步非常明显，这对船舶减摇技术提出了新的要求和挑战。

船舶操纵的控制技术发展综述摘要介绍与比较了船舶操纵的各种自动舵控制方法,船舶自动舵可分为4个发展阶段,即机械舵、PID舵、自适应舵和智能舵,其中智能舵为目前最先进的自动舵,它分为专家系统、模糊舵和神经网络舵.关键词船舶操纵;自动舵;PID控制;自适应控制;智能控制分类号TP273.2;U666.153Overview on the Development and Comparisonof the Control Techniques on Ship ManeuveringCheng Qiming Wan Dejun(Department of Instrument Science and Engineering, Southeast University, Nanjing 210096)Abstract:The control methods of ship maneuvering autopilot are described and compared. The ship autopilots contain four developmental stages, that is, mechanical, PID, adaptive and intelligent control autopilot. The intelligent autopilot is now the most advanced autopilot, its control methods can be divided into expert system, fuzzy control and neural network.Key words:ship maneuvering; autopilot; PID control; adaptive control; intelligent control船舶操纵的自动舵［1,2］是船舶系统中不可缺少的重要设备,随着对航行安全及营运需求的增长,人们对自动舵的要求也日益提高. 本世纪20年代,美国的Sperry和德国的Ansuchz 在陀螺罗径研制工作取得实质进展后分别独立地研制出机械式的自动舵［3］,它的出现是一个里程碑,使人们看到了在船舶操纵方面摆脱体力劳动实现自动控制的希望,这是第1代自动舵. 机械式自动舵只能进行简单的比例控制,为了避免振荡,需选择低的增益,它只能用于低精度的航向保持控制. 本世纪50年代,随着电子学和伺服机构理论的发展及应用,集控制技术和电子器件的发展成果于一体的、更加复杂的第2代自动舵问世了,这就是著名的PID舵［4］. 自然PID舵比第1代自动舵有长足进步,但缺乏对船舶所处的变化着的工作条件及环境的应变能力,因而操舵频繁,操舵幅度大,能耗显著. 到了60年代末,由于自适应理论和计算机技术得到了发展,人们注意到将自适应理论引入船舶操纵成为可能,瑞典等北欧国家的一大批科技人员纷纷将自适应舵从实验室装到实船上,正式形成了第3代自动舵［5～18］. 自适应舵在提高控制精度、减少能源消耗方面取得了一定的成绩,但物理实现成本高,参数调整难度大,特别是因船舶的非线性、不确定性,控制效果难以保证,有时甚至影响系统的稳定性,尽管存在这些困难,熟练的舵手运用他们的操舵经验和智慧,能有效地控制船舶,为此,从80年代开始,人们就开始寻找类似于人工操舵的方法,这种自动舵就是第4代的智能舵［19～29］. 此外,80年代前船舶上安装的自动舵一般只能进行航向控制,它可把船舶控制在事先给定的航向上航行. 随着全球定位系统(GPS)等先进导航设备在船舶上装备,人们开始设计精确的航迹控制自动舵,这种自动舵能把船舶控制在给定的计划航线上.1PID控制直到70年代早期,自动舵还是一个简单的控制设备,航向偏差给操舵设备提供修正信号,此时控制方程为式中,δ,e分别为舵角信号和航向偏差信号;K为比例常数,它应被整定以适应载重和环境要求,为避免振荡,K应取较低值.对于稳定低速航行的船舶,式(1)控制效果基本上是令人满意的,但对不稳定的船舶,式(1)是不合适的. 一个更为先进的控制系统应包含航向误差导数项,它的形式为当存在由横向风引起的下风或上风力矩干扰时,为使航向保持不变,应加入航向偏差的积分项,此时方程式变为这就是经典的PID控制器结构.根据Mort的论文［4］,积分项的加入可能会降低舵的响应速度,这会使船舶反应迟钝,为抵消这种影响,可再加入一个加速项,这样控制方程又成为整定好控制参数K1～K4的式(3)或式(4)能得到较好的操纵性能.对海浪高频干扰,PID控制过于敏感,为避免高频干扰引起的频繁操舵,常采用“死区”非线性天气调节,但死区会导致控制系统的低频特性恶化,产生持续的周期性偏航,这将引起航行精度降低,能量消耗加大.此外,当船舶的动态特性(速度、载重、水深、外型等)或外界条件(风、浪、流等)发生变化时,控制参数需连续地进行人工整定,控制参数不合适的控制器将导致差的控制效果,如操舵幅度大、操舵频繁等,而人工整定参数很麻烦,为此,人们提出了自适应控制方法.2自适应控制任何自适应系统都应能连续地自动辨识(整定)PID算法的控制参数,以适应船舶和环境条件的动态特性. 目前提出的方法主要有自适应PID设计法、随机自适应法、模型参考法、基于条件代价函数的自校正法、最小方差自校正法、线性二次高斯法、H∞控制法、变结构法等,这些自适应方法都有各自的优缺点,并且自适应法还处于不断的发展过程中.Sugimoto等［5］提出的自适应PID设计法把自适应思想引入到PID控制设计中,此法着重解决使用自适应函数的波浪条件的识别问题,这个函数根据波浪条件信号、船速和载重情况选择最佳控制参数,此最佳参数值被送给控制器和卡尔曼滤波器. 此法采用海洋分析器测量波浪,测量的结果用于计算波浪条件指标.Merlo等［6］的随机自适应法包含一个参数,此参数由海浪自回归滑动平均模型中的海浪功率谱决定,此法包括一个代价函数,它的形式为也就是假定代价函数J是航向偏差y(n)和舵操作u(n)的均方加权函数,此法的目标是使J值为最小.此法与Motora［7］提出的方法不同,Motora的代价函数形式为式中,θ为航向偏差;δ为舵角;λ取为8(Norrbin［8］建议取为4),最优控制的代价函数究竟采用何种形式还没有完好的评判标准.Akaike［9,10］提出了多变量随机系统的辨识方法,此法是在Ohtsu等［11］提出的方法基础上发展起来的,它的模型取决于最小Akaike信息标准,它的代价函数依赖于被控变量的偏差、控制信号大小(舵角)和控制信号变化率的补偿值.Amerogen［12］的模型参考自适应法的应用前提为过程是线性、阶次和结构已知,且无随机扰动. Dennis［13］通过假定船舶是线性、常系数、无限工作系统,提出了船舶线性叠加原理,此原理把船舶对不规则海况的响应用对构成这种海况的规则分量响应的线性累加来表示. 由于船舶实际上是一个含有噪声的非线性系统,因此,在平静的天气和“完美”的条件下,此法设计的系统工作很好,但在较差海况及载重变化的条件下,这种系统的控制效果变差.Lim等［14］使用Clarke等［15］提出的基于条件代价函数的自校正方法,此法的控制器输出被明确地加到性能标准公式中. 自校正自动舵能用每个取样时刻的Ricatti方程稳态解的计算值来设计,航向保持和航向改变采用不同的性能标准. 对一个未知参数的系统来说,由于波浪会使船舶动态特性发生变化,因而需用在线辨识技术识别动态参数. 此法主要问题是波浪系统建模引起的偏差,以及Ricatti方程的求解计算时间较长.Katebi等［16］的线性二次高斯法使用公式表示动态代价函数,并在用多项式表示的随机结构中优化代价函数,此法与风和浪的测量和计算有关,波浪的模型被用作控制函数,以便使输出信号的变化为最小. 风力由平均风速和扰动组成,平均风速只用作建模,系统的误差将随风、浪的测量和建模出现.Messer等［17］的H∞控制法采用横摇与舵角之间关系式作为船舶运动模型,前向速度的影响包含在频率项中,航迹偏差表示成航向和实际船位的函数,用假定的横摇/偏航动态特性来确定航迹偏差与需要的航向之间要求的关系.Papoulias等［18］提出的船舶操纵变结构(滑模)控制采用伪线性变换将船舶操纵非线性系统近似地化为线性可控正则型系统,以简化控制设计并保证较大工作范围内的控制性能与精度,然后,对线性化系统设计了一种连续的变结构控制,以适应较大范围的干扰变化,完全抑制抖振,并得到理想的精度.总之,自适应控制技术不仅与代价函数的估计值有关,而且也与精确地建立扰动模型有关,在船舶所遇到的复杂的工作台条件下,自适应自动舵并不能提供完全自动的最优操作.3智能控制对有限维、线性和时不变的控制过程,传统控制法是非常有效的,如果这样的系统是充分已知的,那么,它们能用线性分析法表示、建模和处理,但实际船舶系统常具有不确定性、非线性、非稳定性和复杂性,很难建立精确的模型方程,甚至不能直接进行分析和表示,而人工操作者通过他们对所遇情况的处理经验和智能理解与解释,就能有效地控制船舶航行. 因此,人们很自然地开始寻找类似于人工操作的智能控制方法［19］. 目前已提出3种智能控制方法,即专家系统、模糊控制和神经网络控制.专家系统的关键技术是知识经验的获取与表示. Brown等［20］采用了模仿人工操作的专家系统方法,而并没有直接使用船舶的数学模型,通过研究人工操作与普通自动舵控制之间的差异,建立了规则库以便修正自动舵的特性,也就是自动舵与基于规则的专家系统之间进行交互作用. 例如,舵手把两次连续的转弯当作一次长的转弯来处理,这种措施及其它类似措施都可在修正后的自动舵上实现. 此文还论述了这种模拟人工操作的自动舵构造方法,当然,这里的舵手是选择对不同船舶、工作条件、环境及可能发生的情况很有处理经验的人. 这种的自动舵专家系统与船舶操纵模型无关.模糊控制不需建立被控对象的精确数学模型,它的算法简单,便于实时控制. Amerongen 等［21］提出的船舶航向模糊控制系统由模糊化、模糊推理决策、反模糊化三部分组成,此系统取得了较好的控制效果,但由于受船舶控制过程的非线性、高阶次、时变性以及随机干扰等因素影响,造成原有的模糊控制规则粗糙或不够完善,影响了控制效果. 为克服这些缺点,模糊控制器向着自适应、自组织、自学习方向发展,使得模糊控制参数或/和规则在控制过程中自动地调整、修改和完善,从而使系统的控制性能不断改善,达到最佳的控制效果. Sutton等［22］提出了船舶航向的自组织模糊控制器,它是在简单模糊控制器的基础上,增加性能测量、控制量校正和控制规则修正3个功能块而构成的一种模糊控制器. Jeffery等［23］提出了一种船舶航向的模型参考模糊自适应控制系统,此法中利用参考模型表示船舶在转向时的性能要求,然而其控制器及自适应功能是利用模糊控制技术实现的,其控制器为基本模糊控制器借助于对象的模糊逆模型得到用于自适应修正的校正量.神经网络具有非线性映射(逼近)能力以及自学习、自组织、自适应、分布存贮、联想记忆、并行计算等能力. 它的缺点是理论不成熟、实时性差、硬件实现成本高等. 目前的神经网络控制器还处于软件仿真模拟阶段. Witt等［24］提出了一种神经网络控制船舶航迹保持的方法,它用GPS精确决定船舶位置,在-45°～+45°范围内它能产生随机变化航向的一系列给定航线,它采用PD控制器作为船舶的数学模型,在给定航线的每一部分,通过使PD舵控制信号与神经舵控制信号之间差值最小,来离线训练神经控制器,一旦差值最小,神经控制器就被认为已学习到了PD控制器的工作特性,此后,神经控制器就可取代PD控制器. Witt等使用100种给定航线集合训练神经网络,并假定通过这100种不同航线学习得到的知识可处理任何新选择的航线,仿真结果表明对未学习过的任意航线,PD控制器和神经控制器的控制效果基本相同. Burn［25］采用更复杂的最优控制器进行离线学习,这篇文章主要工作是训练神经网络,使它与最优船舶控制系统具有相同的性能,训练后的神经控制器能识别出不同的前向速度,或操纵情况怎样改变船舶的动态特性. 原则上,六自由度船舶运动模型和舵机模型的组合可得到状态矩阵,当辨识出最优控制系统的特性后(对不同的前向速度),影响舵机的状态变量被输入到最优控制系统和三层前向神经网络,两系统计算各自的舵令,两舵令差值用于训练神经网络,训练采用BP算法. 对每种选定的前向速度的每种方案,使用20万个采样数据来训练神经网络. 神经网络的隐层和每层神经元最佳数以及反向传播学习法的学习速率和动量因子的最佳值都采用试探法确定,最后仿真比较了最优控制器和神经控制器所产生的航迹偏差大小. 在上述的2种方法中,一旦被选用的传统控制器和神经控制器的控制作用误差足够小,就可认为神经控制器已训练好了,从而可用神经控制器取代传统控制器. Hearn等［26,27］提出一种在线训练的船舶神经控制系统,此法只要知道船舶操作的一般定性知识,就可完全去除船舶动态特性的数学模型辨识过程,此法还不需要“教师”进行监督学习. 此法BP学习算法中的误差函数对权值的偏导数采用它们本身的符号函数来近似表示,舵机执行器输出的脉动变化和饱和问题通过选择暂时的训练目标并建立模糊规则表来解决,仿真表明此法控制器优于PID控制器的控制效果.4国内研究状况国内在自动舵方面研究工作开展较早和研究水平较高的单位主要有大连海事大学轮机系、哈尔滨船舶工程学院自控系、上海交通大学仪器系、清华大学仪器系、华东船舶工程学院自控系、武汉海军工程学院、华东理工大学造船系、厦门集美大学航海学院、中国船舶总公司船舶系统工程部、中国船舶总公司707所九江分部等. 他们发表了大量自动舵控制方法的论文,其研究成果基本上都处于理论仿真阶段,还没有形成过硬的自动舵产品.目前国外市场上有多种成熟的航向舵、航迹舵产品,但控制方法大多为比较成熟的自适应控制,近几年发展起来的智能控制及其它近代控制在自动舵上应用处于方案可行性论证阶段. 国内自动舵生产厂家也很多,如九江、上海、广州、锦州等航海仪器厂或仪表厂,其产品以落后的模拟式航向舵为主,航迹舵基本上还处于研制阶段.我校1995年开始进行自动舵开发与研究工作,此课题得到中国船舶工业国防科技应用、基础研究基金项目“舰船航行智能控制技术”和九江仪表厂委托开发项目“数字式航迹操舵仪”等资助. 目前我们开发的自动舵样机已通过厂家验收,现正做进一步的完善工作,力争早日鉴定并生产,此外,我们在自动舵的理论研究方面也取得了一些成果,现已在核心刊物上发表了多篇论文.5结论本文简单介绍了船舶操纵自动舵的控制方法发展过程及各种控制方法,控制方法可分为机械控制、PID控制、自适应控制和智能控制4个发展阶段,文中还比较了这些方法的优缺点. 由于这些方法都有各自的优点,因此,近年来自动舵的控制方法正向组合集成型方向发展,如PID与模糊控制结合、PID与神经控制结合、模糊控制与神经控制结合［28］、模糊控制与遗传算法结合［29］、神经控制与遗传算法结合等.船舶操纵的控制技术发展综述船舶操纵的控制技术发展综述*程启明万德钧摘要介绍与比较了船舶操纵的各种自动舵控制方法,船舶自动舵可分为4个发展阶段,即机械舵、PID舵、自适应舵和智能舵,其中智能舵为目前最先进的自动舵,它分为专家系统、模糊舵和神经网络舵.关键词船舶操纵;自动舵;PID控制;自适应控制;智能控制分类号TP273.2;U666.153Overview on the Development and Comparisonof the Control Techniques on Ship ManeuveringCheng Qiming Wan Dejun(Department of Instrument Science and Engineering, SoutheastUniversity, Nanjing 210096)Abstract:The control methods of ship maneuvering autopilot aredescribed and compared. The ship autopilots contain four developmentalstages, that is, mechanical, PID, adaptive and intelligent control autopilot.The intelligent autopilot is now the most advanced autopilot, its controlmethods can be divided into expert system, fuzzy control and neural network. Key words:ship maneuvering; autopilot; PID control; adaptive control; intelligent control船舶操纵的自动舵［1,2］是船舶系统中不可缺少的重要设备,随着对航行安全及营运需求的增长,人们对自动舵的要求也日益提高. 本世纪20年代,美国的Sperry和德国的Ansuchz在陀螺罗径研制工作取得实质进展后分别独立地研制出机械式的自动舵［3］,它的出现是一个里程碑,使人们看到了在船舶操纵方面摆脱体力劳动实现自动控制的希望,这是第1代自动舵. 机械式自动舵只能进行简单的比例控制,为了避免振荡,需选择低的增益,它只能用于低精度的航向保持控制. 本世纪50年代,随着电子学和伺服机构理论的发展及应用,集控制技术和电子器件的发展成果于一体的、更加复杂的第2代自动舵问世了,这就是著名的PID舵［4］. 自然PID舵比第1代自动舵有长足进步,但缺乏对船舶所处的变化着的工作条件及环境的应变能力,因而操舵频繁,操舵幅度大,能耗显著. 到了60年代末,由于自适应理论和计算机技术得到了发展,人们注意到将自适应理论引入船舶操纵成为可能,瑞典等北欧国家的一大批科技人员纷纷将自适应舵从实验室装到实船上,正式形成了第3代自动舵［5～18］. 自适应舵在提高控制精度、减少能源消耗方面取得了一定的成绩,但物理实现成本高,参数调整难度大,特别是因船舶的非线性、不确定性,控制效果难以保证,有时甚至影响系统的稳定性,尽管存在这些困难,熟练的舵手运用他们的操舵经验和智慧,能有效地控制船舶,为此,从80年代开始,人们就开始寻找类似于人工操舵的方法,这种自动舵就是第4代的智能舵［19～29］. 此外,80年代前船舶上安装的自动舵一般只能进行航向控制,它可把船舶控制在事先给定的航向上航行. 随着全球定位系统(GPS)等先进导航设备在船舶上装备,人们开始设计精确的航迹控制自动舵,这种自动舵能把船舶控制在给定的计划航线上.1 PID控制直到70年代早期,自动舵还是一个简单的控制设备,航向偏差给操舵设备提供修正信号,此时控制方程为分别为舵角信号和航向偏差信号;K为比例常数,它应被整定式中,δ,e以适应载重和环境要求,为避免振荡,K应取较低值.对于稳定低速航行的船舶,式(1)控制效果基本上是令人满意的,但对不稳定的船舶,式(1)是不合适的. 一个更为先进的控制系统应包含航向误差导数项,它的形式为当存在由横向风引起的下风或上风力矩干扰时,为使航向保持不变,应加入航向偏差的积分项,此时方程式变为这就是经典的PID控制器结构.根据Mort的论文［4］,积分项的加入可能会降低舵的响应速度,这会使船舶反应迟钝,为抵消这种影响,可再加入一个加速项,这样控制方程又成为整定好控制参数K1～K4的式(3)或式(4)能得到较好的操纵性能.对海浪高频干扰,PID控制过于敏感,为避免高频干扰引起的频繁操舵,常采用“死区”非线性天气调节,但死区会导致控制系统的低频特性恶化,产生持续的周期性偏航,这将引起航行精度降低,能量消耗加大.此外,当船舶的动态特性(速度、载重、水深、外型等)或外界条件(风、浪、流等)发生变化时,控制参数需连续地进行人工整定,控制参数不合适的控制器将导致差的控制效果,如操舵幅度大、操舵频繁等,而人工整定参数很麻烦,为此,人们提出了自适应控制方法.2 自适应控制任何自适应系统都应能连续地自动辨识(整定)PID算法的控制参数,以适应船舶和环境条件的动态特性. 目前提出的方法主要有自适应PID设计法、随机自适应法、模型参考法、基于条件代价函数的自校正法、最小方差自校正法、线性二次高斯法、H∞控制法、变结构法等,这些自适应方法都有各自的优缺点,并且自适应法还处于不断的发展过程中.Sugimoto等［5］提出的自适应PID设计法把自适应思想引入到PID控制设计中,此法着重解决使用自适应函数的波浪条件的识别问题,这个函数根据波浪条件信号、船速和载重情况选择最佳控制参数,此最佳参数值被送给控制器和卡尔曼滤波器. 此法采用海洋分析器测量波浪,测量的结果用于计算波浪条件指标.Merlo等［6］的随机自适应法包含一个参数,此参数由海浪自回归滑动平均模型中的海浪功率谱决定,此法包括一个代价函数,它的形式为也就是假定代价函数J是航向偏差y(n)和舵操作u(n)的均方加权函数,此法的目标是使J值为最小.此法与Motora［7］提出的方法不同,Motora的代价函数形式为式中,θ为航向偏差;δ为舵角;λ取为8(Norrbin［8］建议取为4),最优控制的代价函数究竟采用何种形式还没有完好的评判标准.Akaike［9,10］提出了多变量随机系统的辨识方法,此法是在Ohtsu等［11］提出的方法基础上发展起来的,它的模型取决于最小Akaike信息标准,它的代价函数依赖于被控变量的偏差、控制信号大小(舵角)和控制信号变化率的补偿值.Amerogen［12］的模型参考自适应法的应用前提为过程是线性、阶次和结构已知,且无随机扰动. Dennis［13］通过假定船舶是线性、常系数、无限工作系统,提出了船舶线性叠加原理,此原理把船舶对不规则海况的响应用对构成这种海况的规则分量响应的线性累加来表示. 由于船舶实际上是一个含有噪声的非线性系统,因此,在平静的天气和“完美”的条件下,此法设计的系统工作很好,但在较差海况及载重变化的条件下,这种系统的控制效果变差.Lim等［14］使用Clarke等［15］提出的基于条件代价函数的自校正方法,此法的控制器输出被明确地加到性能标准公式中. 自校正自动舵能用每个取样时刻的Ricatti方程稳态解的计算值来设计,航向保持和航向改变采用不同的性能标准. 对一个未知参数的系统来说,由于波浪会使船舶动态特性发生变化,因而需用在线辨识技术识别动态参数. 此法主要问题是波浪系统建模引起的偏差,以及Ricatti方程的求解计算时间较长.Katebi等［16］的线性二次高斯法使用公式表示动态代价函数,并在用多项式表示的随机结构中优化代价函数,此法与风和浪的测量和计算有关,波浪的模型被用作控制函数,以便使输出信号的变化为最小. 风力由平均风速和扰动组成,平均风速只用作建模,系统的误差将随风、浪的测量和建模出现.控制法采用横摇与舵角之间关系式作为船舶运动Messer等［17］的H∞模型,前向速度的影响包含在频率项中,航迹偏差表示成航向和实际船位的函数,用假定的横摇/偏航动态特性来确定航迹偏差与需要的航向之间要求的关系.Papoulias等［18］提出的船舶操纵变结构(滑模)控制采用伪线性变换将船舶操纵非线性系统近似地化为线性可控正则型系统,以简化控制设计并保证较大工作范围内的控制性能与精度,然后,对线性化系统设计了一种连续的变结构控制,以适应较大范围的干扰变化,完全抑制抖振,并得到理想的精度.总之,自适应控制技术不仅与代价函数的估计值有关,而且也与精确地建立扰动模型有关,在船舶所遇到的复杂的工作台条件下,自适应自动舵并不能提供完全自动的最优操作.。

2441 绪论本文所研究的船舶驱动方式为无舵双螺旋桨方式，取消了常规船舶用于转向的操舵转向方式。

螺旋桨电机转动产生的推力是船舶运动的动力来源，当两个螺旋桨电机转速相同时，船舶作直线运动；当两个螺旋桨电机的转速不同时，转速差会在船舶的重心出产生一个转向力矩，驱动船体进行转向，此类转向方式控制方便多用于小型船舶[1]。

本文设计了一种无舵双螺旋桨船舶的运动控制系统，为进一步研究此类船舶运动提供一定的依据。

2 螺旋桨数学模型螺旋桨在水中旋转一圈的同时其在轴线上运动的距离称为螺旋桨的进程，螺旋桨的进程与螺旋桨直径D 的比值称为进速比，对进速比进行有界处理后其表达式为： （1）其中，V 为船舶的航速度，n 为螺旋桨的转速，D 为螺旋桨的直径。

螺旋桨转动产生的螺旋桨推力与力矩如下：F=K p ρn 2D 4T =K M ρn 2D 5 （2）其中，K p ，K M 分别为螺旋桨的推力系数和转矩系数，都是进速比的函数[2]。

3 螺旋桨等效舵理论本文所研究的船舶没有舵，转向时是通过两个螺旋桨电机的转速差在船体的重心处产生转向力矩实现转向动作。

基于对无舵双螺旋桨船舶的的数学建模，左右螺旋桨电机转速不同在船舶重心处产生的力矩为[3]：N =(1+d N )[T z (y cos θz +x sin θz )+T y (-y cos θy +x sin θy )]（4）其中，d N 为转船力矩的响应因素，T z 和T y 为左右螺旋桨的力矩，y 为螺旋桨距离船体重心的横向距离，x 为螺旋桨距离船体重心的纵向距离而在有舵的船艇中。

转向一定角度时由舵产生的力矩和转向角度的关系为：N d =(1+d N )x R F d cos δ （5）其中，x R 为舵到船舶重心的横向距离，F d 为舵叶也所受的力，δ为舵角。

以上两个式子是驱动无舵双桨船舶和有舵船舶转向的力矩，将它们进行等效近似变换化简后得出螺旋桨等效舵的模型为：（6）其中，n 为左右螺旋桨电机的平均转速，v 为水流速度,A R 为舵叶面积，k t 为左右螺旋桨的推力系数的平均值。

船舶设计与建造的最新技术进展在如今不断发展的航运业中，船舶设计与建造领域的技术进步对于提高航行效率、降低成本以及提升船舶安全性都起到了至关重要的作用。

本文将介绍船舶设计与建造的最新技术进展，包括船体材料、动力系统、自动化技术和环保措施等方面。

1. 船体材料的创新船体材料的选择对船舶的载重能力、强度和耐久性有着重要影响。

传统上，钢铁是主要的船体材料，但如今航空航天领域的进展为船舶设计带来了新的材料选择，例如高强度复合材料和铝合金。

这些新材料具有更好的强度、重量比和抗腐蚀性能，能够降低船舶自重并提高燃油经济性。

2. 绿色动力系统随着对环境保护意识的提高，船舶设计和建造行业逐渐转向采用更为环保和节能的动力系统。

传统的船舶动力通常采用燃油发动机，而现在越来越多的船舶开始采用液化天然气（LNG）作为动力燃料。

LNG可以降低温室气体和颗粒物排放，提高船舶的环境可持续性。

此外，还有一些船舶采用太阳能、风能和氢燃料电池等新兴的清洁能源技术，为船舶提供动力。

3. 自动化技术的应用船舶设计与建造中的自动化技术的应用可提高船舶的操控性、运营效率和安全性。

船舶自动化技术主要包括自动驾驶系统、智能导航和集成的船舶信息系统。

自动驾驶系统可以通过计算机和传感器来实现船舶的自动导航和避碰，减少人为失误的风险；智能导航系统可以根据天气、海洋条件和船舶状态进行实时调整航线和速度。

集成的船舶信息系统则可以集中管理船舶的各种信息，包括航行数据、货物追踪和设备状态等，提高船舶的运营管理效率。

4. 船舶环保措施随着全球环境问题的日益严峻，船舶设计与建造行业开发了一系列环保措施以减少船舶对海洋和大气的污染。

船舶排放控制区域的设立和船舶排放标准的制定要求船舶使用低硫燃油或安装排放控制装置，以减少硫氧化物和氮氧化物的排放。

此外，还有一些新技术应用于船舶设计中，如洗涤装置和废弃物处理设施，以最大程度地降低废水和垃圾的排放。

综上所述，船舶设计与建造的最新技术进展涵盖了船体材料、动力系统、自动化技术和环保措施等方面。

船舶振动主动控制的研究进展探讨作者：徐华国范超来源：《科学与财富》2018年第19期摘要：本文在此以船舶振动当中的阻尼技术、在船舶当中的使用方式、船舶振动的隔离技术、动力吸振器的相关研究和整船振动的控制技术研究等方面为基础，对船舶振动主动控制技术实施了探讨，阐述了近些年主动控制技术应用于船舶振动主动控制的研究进展，并提出了加快船舶振动主动控制研究发展进程的相关办法。

希望能够起到一定的帮助作用。

关键词：船舶振动；主动控制；研究进展引言舰船的振动和产生的噪声一直以来都被船舶界高度关注。

船舶振动时，经常使用的有阻尼技术、动力式机械隔振与振动式吸振等。

尽管这些办法具有一定的经济性和可靠性，然而因船舶的振动较为复杂且又要求其必须达到一定的效果，而振动被动控制技术在低频时段的振动控制又不是很理想，无法与外界的振动变化相适合，导致振动被动控制技术的使用范围较为狭窄。

然而，还因其可以对结构振动的相关特性加以检测，同时能够随时做出响应，并有着较强的适应性特点，使其在船舶的振动和噪声的控制方面还是得到了使用，而且在以后会被更加广泛。

1.阻尼技术在船舶当中的具体应用方法阻尼技术对于控制船舶的振动有着非常明显的效果。

根据结构形式的不同，阻尼技术包含自由阻尼以及约束阻尼两种技术。

这当中，自由阻尼主要就是在应被减振和降噪的物体表面粘贴或者喷上一层具有阻尼特性的材料；而所谓的约束阻尼就是在结构物体与具有金属特性的约束板之间粘上具有阻尼性质的材料，后者所起到的作用要比前者明显好很多。

相关研究人员曾经对化工部海洋涂料研究所研发出来的T54/T60型号的具有阻尼性质的涂料实施了试验，使用阻尼性能相对较好的锰铜合金材料来制作中间机座，组建出了模型测试系统，试验结果表明，其所起到的减振作用非常显著。

另有一些相关学者对具有粘弹特性的材料的筏架组成和艇体以及声学方面介质的耦合性实施了更加细致化的理论性探究，接下来又对在阻尼处理的范围与具体位置还有上下层隔振器的刚体变化、基座面以及板厚的改变等方面对浮筏隔振系统在传递性质上所产生的影响实施了精确的计算和探究。

船舶建造项目进度管理与控制策略研究摘要：本论文旨在研究船舶建造项目的进度管理与控制策略，以提高项目执行的效率和质量。

首先，我们分析了船舶建造项目的特点和挑战，包括复杂的工程流程、资源调度难题以及技术创新的影响。

接着，我们探讨了传统进度管理方法的不足之处，并提出了一种基于现代项目管理理论的新策略，包括项目计划的优化、资源分配的智能化以及风险管理的强化。

最后，我们结合实际案例研究，验证了新策略在船舶建造项目中的可行性和效益。

研究结果表明，采用新策略可以有效提高项目的进度控制和管理水平，为船舶建造行业的可持续发展提供了有力支持。

关键词：船舶建造、进度管理、控制策略、项目管理、可持续发展。

引言：船舶建造项目作为复杂而具有挑战性的工程，在全球海洋产业中扮演着重要角色。

然而，如何有效地管理和控制这些项目的进度一直是一个备受关注的问题。

本论文旨在探讨船舶建造项目进度管理与控制策略，以提高项目执行效率和质量。

我们将深入分析船舶建造项目的独特特点，并介绍一种现代化的项目管理策略，该策略有望为船舶建造行业带来革命性的变革。

通过本研究，我们将揭示新策略的潜力，以满足未来海洋产业的不断增长需求。

一、船舶建造项目特点与挑战分析在分析船舶建造项目的特点与挑战时，我们可以从几个关键方面着手如图1所示。

图 1船舶建造流程的思维导图，突出了设计、规划、建造和测试等各个阶段的关键要素1、是工程流程的复杂性。

船舶建造是一个包含多个阶段的复杂过程，涉及设计、规划、建造和测试等环节。

每个环节都有其特定要求，如设计阶段需要创新思维，建造阶段则需注重细节和质量控制。

例如，在设计阶段，项目组可能需要评估超过100种不同的设计参数，从而确保船舶的功能和安全性。

2、资源调度是一个显著的挑战。

船舶建造需要大量的物质和人力资源。

例如，一个典型的中型船舶项目可能需要使用超过30,000吨的钢材和数千小时的工程师工作时间。

有效地管理这些资源对于控制成本和保证项目按时完成至关重要。

船舶安装过程中的振动控制和减震技术摘要：船舶安装过程中的振动控制和减震技术是关键的研究领域，旨在降低船舶在运行中的振动和冲击，提高乘员和设备的舒适性和安全性。

本论文综述了船舶振动控制和减震技术的最新研究进展。

关键方面包括主动和被动减震系统的设计与应用、材料科学在振动控制中的应用、结构优化技术以减小振动传递路径、以及数据采集与分析方法的改进。

这些技术在提高船舶性能、降低维护成本和延长船舶寿命方面具有重要作用。

未来的研究方向包括智能化减震系统的开发、环保材料的应用以及更精细的振动控制策略的研究。

关键词：船舶、振动控制、减震技术、主动减震、被动减震、材料科学、结构优化、数据分析、智能化减震系统、环保材料。

引言：船舶作为重要的运输工具，其安装过程中的振动控制和减震技术一直备受关注。

振动和冲击对船舶、乘员和设备都可能带来严重的影响，因此寻找有效的解决方案至关重要。

本文将深入探讨船舶振动控制和减震技术的最新进展，包括主动和被动减震系统、材料科学的应用、结构优化以及数据分析方法的改进。

这些创新性的技术不仅有望提高船舶性能，还将降低维护成本，延长船舶使用寿命，从而在船舶工业领域产生积极影响。

随着未来更多智能化和环保技术的涌现，船舶行业将迎来更加创新的挑战和机遇。

一、船舶振动问题分析与挑战船舶在海上运行中面临着复杂多变的海洋环境，因此振动问题一直是船舶工程领域的关键挑战之一。

这些振动问题包括由发动机、波浪、风浪以及不平整的水面等因素引起的各种振动类型。

本节将分析船舶振动问题的性质和挑战，并强调解决这些问题的重要性。

1、船舶振动问题的性质需要仔细考虑。

船舶振动可分为结构振动和非结构振动两大类。

结构振动主要源于船体、机舱、甲板等结构的振动，而非结构振动则包括设备、货物和乘员引起的振动。

这些振动问题可能导致不仅乘员的不适，还可能损坏船舶结构和设备，增加维护成本。

此外，振动还可能对导航和操纵产生负面影响，降低船舶的整体性能。

船舶噪声控制技术的研究进展在现代航运业中，船舶噪声问题日益受到关注。

过大的噪声不仅会影响船员的工作和生活质量，还可能对船舶的设备运行和结构安全产生不利影响，甚至对海洋生态环境造成一定的破坏。

因此，船舶噪声控制技术的研究具有重要的现实意义。

船舶噪声的来源较为复杂，主要包括机械噪声、螺旋桨噪声和水动力噪声等。

机械噪声通常由主机、辅机、各种泵和通风系统等设备的运转产生。

这些设备在工作时，由于部件的摩擦、撞击以及振动等，会向外辐射噪声。

螺旋桨噪声则是由于螺旋桨在旋转过程中与水流相互作用而产生的，包括空泡噪声、叶频噪声等。

水动力噪声则与船舶在水中的运动有关，如水流经过船体表面时产生的摩擦噪声等。

为了有效地控制船舶噪声，研究人员在多个方面取得了显著的进展。

在声源控制方面，通过优化机械设计来降低设备本身的噪声水平是一个重要的途径。

例如，对于船舶主机，可以采用先进的燃烧技术、优化气门正时和喷油策略等，以减少燃烧过程中的冲击和振动。

对于辅机和各种泵，可以选用低噪声的型号，或者通过改进安装方式和增加减震措施来降低其振动和噪声传递。

在螺旋桨的设计上，通过改进叶片的形状和分布，提高螺旋桨的加工精度，以及采用新型的螺旋桨材料，可以有效地降低螺旋桨噪声。

在噪声传播途径控制方面，采用隔振和吸声材料是常见的方法。

隔振技术可以将振动源与船体结构隔离，减少振动的传递。

例如，在主机和辅机的安装位置设置弹性支座或减震器，可以有效地降低振动向船体的传播。

吸声材料则可以吸收声波的能量，从而降低噪声的强度。

在船舶的舱室内部，使用吸音棉、泡沫塑料等吸声材料，可以改善舱内的声学环境。

此外，采用隔声结构也是一种有效的手段。

通过在船体结构中设置隔声层，如双层钢板中间填充隔音材料，可以阻挡噪声的传播。

在主动噪声控制技术方面，近年来也取得了一定的突破。

主动噪声控制是指通过电子设备和算法，产生与噪声相位相反的声波，从而实现噪声的抵消。

这种技术在船舶上的应用虽然还处于研究和试验阶段，但具有很大的发展潜力。

基于HLA的船舶运动控制系统分布式仿真研究的开题报告一、研究背景和意义船舶运动控制是现代船舶设计中不可或缺的元素之一。

在复杂的海洋环境中，船舶运动控制系统能够通过自动化控制技术减少人为干预，提高船舶的安全性和性能稳定性。

针对不同船型，有不同的控制策略，比如船舶驾驶自动化（ADA）、自适应控制、预测控制等。

这些控制策略的发展和实现需要借助于仿真技术，以便在真实的控制环境中进行测试和评估。

HLA（High Level Architecture）是一种用于分布式仿真的标准，它能够提供一个开放的框架，使得不同的仿真组件能够灵活地连接和交互。

一些研究人员已经利用HLA开发了许多分布式的船舶仿真系统，以研究船舶的动力学性能和自动化控制策略的有效性。

但是，这些系统大多数都是基于离线仿真的，而实时交互性能不佳，而且对于多船协同控制的仿真支持不够完善。

因此，本文将研究基于HLA的船舶运动控制分布式仿真系统，以提高多船协同控制的仿真效率和实时性能，并对不同的船型和控制策略进行测试和评估，从而为现代船舶的自动化控制和优化设计提供基础理论和实际应用价值。

二、研究内容和思路本文将研究的内容主要包括以下几个方面：1.设计基于HLA的船舶运动控制分布式仿真系统本部分将主要设计系统结构和各个仿真组件之间的交互过程，包括仿真模型、控制策略和仿真环境等。

通过制定一个通用的模板或框架，可以方便地通过搭建不同的模块对不同的船型和仿真需求进行配置。

2.设计分布式控制算法本部分将探究针对不同的船型和控制策略所需的控制算法，从而实现多船协同控制的功能。

其中，包括船舶航迹规划、路径跟踪控制和控制器设计等方面的问题。

3.基于仿真环境的算法验证和性能测试本部分将通过基于HLA的船舶运动控制分布式仿真系统进行不同算法的测试和验证。

通过对不同控制策略的性能评估，可以确定相应的船型和环境变化下的控制策略。

三、研究预期结果和创新性本文从理论到实践结合，设计了基于HLA的船舶运动控制分布式仿真系统，并探究了多船协同控制算法以及控制性能。

船舶建造精度控制技术综述船舶111 潘黎明 1105080129摘要：船舶建造精度控制技术是船舶建造非常重要的技术。

文章通过对船舶建造精度控制工艺概念和内容的阐述，分析国内外精度管理和研究程度的进展和现状，讨论了制约船厂开展精度控制技术的因素，并提出了相应的对策。

关键词：船体建造；精度控制引言：船舶建造精度控制技术是船舶建造非常重要的技术，目前主要集中研究船体控制技术。

船舶建造精度控制技术是缩短造船周期、降低本钱和进步造船企业竞争力的主要方法之一，对其开展研究和应用具有重要的意义。

该项技术是适应我国船舶工业跨越式开展急需解决的重要课题之一，也是一项需要长期持续研究的课题。

一、船体建造精度控制船体建造精度控制是以船体建造精度标准为根本准那么，通过科学的管理方法与先进的工艺手段对船体建造进展全过程的尺寸精度分析和控制，以到达最大限度地减少现场修整工作量，进步消费效率，保证船舶产品质量。

所谓精度控制，简单的说就是在船舶建造过程中用补偿量代替余量，逐步增加补偿量的使用范围，并控制船体构造位置精度。

以最少的本钱控制船体建造的主尺寸偏向、线形偏向和构造错位在标准范围内，保证船舶质量。

精度管理是系统工程，关键是全面、全过程推行精度控制，核心是施行造船精度设计。

造船精度控制技术中精度补偿就是在工件的根本尺寸上增加一个量值，这个量值称之谓补偿量。

补偿量是为了弥补工件在船体建造过程中由各种热输人所引起的根本尺寸的收缩，以及扭曲、上翘、下垂等变形引起的根本尺寸缺乏而加放的一种余量。

补偿量与传统的工艺余量不同，补偿量取代工艺余量，并在各工艺阶段毋需进展二次号料切割和二次定位，即可保证零部件、分段尺寸，以及船体主尺度的尺寸精度需求。

精度补偿可以到达最大限度地减少施工过程中的修整工作量，这对于进步造船消费效率和建造质量具有非常重要的作用。

施行精度补偿，对船体建造全过程的尺寸精度分析和控制，不仅需要运用先进的工艺技术，而且需要进展严密的科学管理，其内容包括建立精度控制工作系统、编制精度控制方案、确立精度补偿量的加放原那么、精度补偿量的加放方法、精度补偿的完善等。

船舶流体力学研究的最新进展与应用探索船舶在海洋中航行，周围的流体环境对其性能和安全性有着至关重要的影响。

船舶流体力学作为一门研究船舶与流体相互作用的学科，一直是船舶工程领域的重要研究方向。

近年来，随着计算技术的飞速发展和实验手段的不断创新，船舶流体力学研究取得了一系列令人瞩目的新进展，并在船舶设计、性能优化、节能减排等方面得到了广泛的应用探索。

一、最新进展1、数值模拟技术的突破数值模拟已经成为船舶流体力学研究的重要手段。

近年来，随着计算机性能的提升和计算方法的改进，高精度、高分辨率的数值模拟成为可能。

例如，基于雷诺平均纳维斯托克斯方程（RANS）的方法在模拟船舶粘性流场方面不断完善，能够更准确地预测船舶的阻力、推进性能和流场细节。

同时，大涡模拟（LES）和直接数值模拟（DNS）方法也在一些特定问题的研究中取得了重要成果，为深入理解船舶流动机理提供了有力支撑。

2、实验技术的创新实验研究仍然是船舶流体力学不可或缺的部分。

在传统的拖曳水池和循环水槽实验基础上，新的实验技术不断涌现。

例如，粒子图像测速技术（PIV）能够实现对船舶周围流场的全场、瞬态测量，为研究流场的动态特性提供了丰富的数据。

此外，压力传感器阵列、激光多普勒测速仪等先进测量设备的应用，也大大提高了实验数据的精度和可靠性。

3、多学科交叉融合船舶流体力学研究与其他学科的交叉融合日益深入。

例如，与材料科学结合，研究新型防污减阻材料在船舶表面的应用；与生物力学结合，借鉴鱼类等水生生物的高效游动方式，优化船舶的外形和推进系统；与控制工程结合，实现船舶在复杂流场中的智能控制和自主航行。

4、不确定性分析与优化设计在船舶设计中，考虑不确定性因素的影响越来越受到重视。

通过概率分析和可靠性设计方法，评估设计参数的不确定性对船舶性能的影响，从而提高设计的可靠性和稳健性。

同时，基于优化算法的设计方法也在不断发展，能够在满足各种约束条件的前提下，快速找到最优的船舶外形和结构参数。