基于全非线性流函数理论的规则波中船舶大幅运动弱非线性数值模型研究

为了保证船舶在高海况下的安全航行,对大振幅非线性船舶运动进行精确的数值预报是非常重要的。为了分析波浪中船舶的垂向运动,提出了一种弱非线性船舶运动模型。在数值模型中,利用脉冲响应函数估计辐射力和绕射力,并根据动量冲击理论引入船舶砰击力,在入射波面下计算瞬时浸湿船舶表面上的入射波浪力(Froude-Krylov力,简称:F-K力)和静水压力。该文算法模型的一个特色是引入了全非线性的流函数波动理论来估计入射波的运动学、动压力和F-K力流体载荷,给出详细的数值结果并进行了讨论。利用该数值模型对S175集装箱船在规则波中的垂向非线性运动进行了计算。结果表明:基于流函数波浪理论的垂向F-K力和垂荡运动略大于线性波理论,特别是当入射波的陡度较大时。此外,文中采用动量冲击理论来估算截面砰击力,数值结果表明:在相对较高的航速下,砰击力对船舶垂向运动影响较为显著,相对不考虑的情况可进一步减小运动幅值。

船舶水上纵向运动的非线性数学模型构建

为了解决当前船舶水上纵向运动预测精度的问题,设计了一种船舶水上纵向运动的非线性数学模型构建方法。首先分析了当前船舶水上纵向运动的线性数学模型的缺陷,然后引入非线性建模方法—神经网络对船舶水上纵向运动变化特点进行拟合,建立船舶水上纵向运动的非线性预测模型,最后与线性船舶水上纵向运动建模方法进行仿真对比实验。结果表明,本文方法的船舶水上纵向运动预测精度高,船舶水上纵向运动预测误差要小于线性船舶水上纵向运动建模方法,验证了本文非线性船舶水上纵向运动建模方法的有效性以及优越性。

船舶在波浪中运动的六自由度非线性耦合方程

基于刚体运动学理论 ,将船舶在波浪中的运动分解为平动和绕质心的转动 ,在分析了船舶受力情况的基础上 ,运用质点系相对于质心的动量矩定理和 Newton第二运动定律建立了船舶的六自由度运动的非线性耦合方程 .在建立方程的过程中 ,考虑到流体对船舶的影响 ,引入了附加质量和附加惯性矩 .最后利用该方程推导出了常用的船舶运动数学模型 .

舰船在水平面运动中非线性模型的建立

在选择了描述船舶运动坐标系的前提下,根据刚体动力学理论和牛顿第二运动定律,推导了舰船六自由度的非线性模型,并在此基础上建立了舰船在水平面中的非线性运动模型。同时,根据平稳随机过程理论对海浪的分析可知,利用白噪声驱动所设计的成形滤波器,能够获得海浪干扰的数学模型。上述模型既能很好地反映舰船的水动力特性,又能与原始波浪力、力矩相吻合,由此证明了模型的正确性。

船舶水上纵向运动的非线性数学模型构建的研究

船舶工作本身具备较强的特殊性,其在实际行驶的过程中,非常容易受到外界环境的干扰。基于此,本文将分析船舶水上纵向运动非线性数学模型的构建原理,并研究船舶水上纵向运动非线性数学模型的构建方法,其中主要包括运动历史数据预处理、水上纵向运动非线性模型的构建流程、模型仿真测验。

基于非线性模型预测的欠驱动船舶轨迹跟踪控制研究

针对欠驱动船舶轨迹跟踪控制系统具有非线性、大惯性、时滞、局部线性不可控等特点,结合扩展卡尔曼滤波器和序列二次规划算法,设计了基于非线性模型预测的船舶轨迹跟踪控制策略.首先,设计了具有一定复杂度的参考轨迹,用于测试船舶的各种工况及工况切换情况.其次,应用船舶欠驱动三自由度运动控制模型与所设计的参考轨迹建立了非线性约束优化问题的目标函数,采用序列二次规划算法进行优化求解,并在扩展卡尔曼滤波器中对测量函数的雅可比矩阵进行了预求解以减少算法计算量.最后,通过对一艘运输船进行仿真试验,验证了所设计轨迹跟踪控制器的有效性和实时性.

基于径向基函数网络的船舶非线性参数模型建模

船舶在航行中受到各种随机扰动,为了实时控制船舶运动姿态,需建立一个基于航速、海情和航向角实时变化的三维智能化运动模型.文中以某水面舰艇为研究对象,利用典型航速、航向角、海情下水池实验测量的数据算得水动力参数,基于径向基函数神经网络(RBF)算法,逼近三维空间各水动力参数的非线性函数,从而得到随航速、海情和航向角自适应变化的船舶运动非线性参数模型.仿真结果表明,径向基函数神经网络学习算法可以快速、精确地建立非线性参数模型.所建模型误差小于2%,该模型可用于船舶控制,使LQG减横摇控制效果提高41.6%.

汽车运输船的响应型非线性数学模型

为了建立一个复杂程度适宜、精度满足要求的非线性船舶运动数学模型,用非线性状态空间数学模型做船舶回转试验,采用最小二乘法辨识出船舶的非线性参数,最后用得到的响应型非线性船舶运动数学模型做Z形试验,并与实船试验结果比较.研究结果表明,仿真曲线与实船试验曲线符合度较好,与状态空间模型相比,该模型计算比较简单,所得微分方程可保留非线性影响因素,可以满足进行船舶闭环控制系统仿真研究时对模型精度的要求.

带非线性观测器的船舶路径跟踪预测控制

针对船舶路径跟踪中存在的舵角需优化、舵幅与舵速受约束问题,提出了模型预测控制算法(MPC)。为提高预测值的准确性,将高精度船舶分离模型(MMG)作为MPC的预测模型。针对模型不确定项和外界干扰问题,设计非线性观测器对其进行逼近并补偿。仿真表明,所设计的控制器使船在风浪流时变干扰下仍能准确地跟踪上参考路径,且舵角变化小而平滑,说明了所提MPC算法的有效性。

船舶骑浪运动的分叉研究

在纵荡运动模型的基础上,应用非线性动力学理论对骑浪产生的机理进行了研究,确认了骑浪运动是一个从周期运动到骑浪的过程,其中经历了两次分叉。给出了导致骑浪发生的危险临界参数值,以及周期运动和骑浪运动区域划分。

船舶航向的神经网络并行鲁棒模型参考控制(英文)

针对大型船舶的航向控制特性,提出一种神经网络并行自学习鲁棒模型参考控制方法。这种复合控制结构利用神经网络的学习能力和非线性映射能力,解决传统自适应控制中模型的在线辨识和控制器的在线设计问题,以达到对不确定非线性船舶的高精度输出跟踪控制;通过引入运行监控器,克服神经网络控制方法实时性差的问题;利用一个鲁棒反馈控制器,来保证神经网络模型学习初期闭环系统的稳定性。仿真结果表明这一方法对设定航向具有精确的跟踪控制效果。

结合速度和干扰观测的船舶路径跟踪模型预测控制

针对船舶路径跟踪控制中的舵角需优化﹑舵幅和舵速受约束等问题,提出模型预测控制(model predictive control,MPC)算法。为处理系统高阶状态值不易测量以及环境干扰问题,设计高阶非线性观测器,同时对船速和包含模型不确定项和外界干扰的总未知项进行估计。以引入舵机响应系统的MMG模型作为预测模型,不仅能提高预测精度,而且更符合船舶运动控制的实际情况。仿真结果表明,所设计的控制器在风浪流时变干扰下仍能跟踪参考路径,舵角幅值小且其变化是光滑的,速度值和总未知项也均能被准确地逼近,验证了所提算法的有效性。

用于非线性非平稳船舶运动极短期预报的一种复合自回归经验模态分解支持向量机回归模型（英文）

目的:基于支持向量机回归(SVR)模型在非线时间序列的预测能力及经验模态分解(EMD)方法在处理非线性非平稳性的优势,提出一种复合自回归经验模态分解支持向量机回归(AR-EMDSVR)模型,提高非线性非平稳船舶运动极短期预报精度。创新点:1.研究非线性非平稳船舶运动的极短期预报问题,提出一种复合的预报方法;2.基于不同层次的预报模型和模型试验数据,分析非线性非平稳性对极短期预报精度的影响。方法:1.在SVR模型中引入基于自回归(AR)预报端点延拓的EMD方法,形成复合的AR-EMDSVR预报模型;2.基于集装箱船模水池试验运动数据将AR-EMD-SVR模型与AR、SVR和EMD-AR三种模型进行比较,分析非线性非平稳性对极短期预报的影响以及不同模型的预报性能。结论:1.AR-EMD方法能够有效的克服非平稳对极短期预报模型(AR和SVR)在精度上所带来的不良影响;2.基于船模试验数据的预报结果表明:相较于AR、SVR和EMD-AR三种预报模型,基于AR-EMD-SVR模型的非线性非平稳船舶运动极短期预报结果具有更高的精度。

实际海浪环境下大尺度模型试验研究

舰船环境适应性研究引起世界各海洋强国的高度重视,研究采用实际海浪环境下的大尺度模型试验方法通过近海岸海区实际海浪环境下大尺度模型运动物理仿真试验研究,分析了近岸波浪特征,并基于NARMAX(带外生变量的非线性自回归滑动平均模型)模型应用谐波探测法求解船模非线性系统频率响应函数通过与水池小尺度模型试验结果比较,表明该试验方法可行,为舰船环境适应性研究提供了一种有效的试验手段.

基于系统辨识方法求解船舶非线性运动响应

为研究船舶在高海况下的非线性运动特性,基于水池不规则波中的模型试验数据,采用系统辨识的方法模拟船舶在高海况下的非线性运动响应.采用非线性NARMAX模型确定此非线性运动系统.采用谐波探测法计算了该系统的一阶和二阶频率响应,并与传统交叉谱方法进行了比较.结果表明,该方法可有效计算出高海况下舰船的非线性运动频率响应.

基于FTO的船舶分布式编队的有限时间控制方法

[目的]由于速度测量值不可直接使用,因此针对有界环境干扰下的船舶编队控制问题,提出一种基于有限时间观测器(FTO)分布式编队的有限时间控制方法。[方法]首先,仅根据船舶的位置信息,设计一种FTO以观测其速度状态;然后,在领航信息仅局部已知的通信结构下,利用观测值和齐次法设计多船分布式编队的有限时间控制律,实现多艘船舶在有限时间内跟踪期望航迹并同时保持期望队形;最后,根据齐次性理论和李雅普诺夫稳定性判据,证明整个闭环系统的误差信号在有限时间内收敛。[结果]仿真结果验证了所提出的有限时间编队控制方法相比于传统渐近收敛的编队控制方法,可以为多船编队提供更快的收敛速度、更高的控制精度以及更强的抗干扰能力。[结论]研究结果可为多船编队的控制提供借鉴。

响应型船舶运动数学模型的构造

论述了响应型船舶运动非线性数学模型,相对于状态空间模型,该模型计算比较简单,但所获的微分方程仍可保留非线性影响因素,可以满足进行船舶闭环控制系统的仿真研究时对模型精度的要求.针对大连海事大学"育龙"号实习船进行了仿真试验,用VisualBasic6.0编程实现.试验结果表明,响应型非线性数学模型与Norrbin非响应型非线性数学模型的回转试验轨迹基本重合.

舰船辐射噪声超混沌现象研究

水下弱目标探测和识别一直是水声信号处理领域中研究的难点。从Lyapunov指数谱、吸引子相空间轨迹的演化、分形维数等方面,对船舶辐射噪声是否存在超混沌现象进行了研究。实验结果表明,船舶辐射噪声信号确实存在至少两个正的Lyapunov指数,即存在超混沌现象。辐射噪声吸引子在相空间中的轨迹具有多方向伸展的趋势,且不同类型目标的吸引子具有不同的分形维数。研究结果为建立精确描述辐射噪声信号的非线性模型、为水下弱目标信号探测和识别提供一定的理论依据。