30万吨级船舶的非线性Norrbin模型改进
发布时间：2021-11-14 10:15
为提高30万吨级大型船舶非线性Norrbin模型的精度,本文在不改变Norrbin辨识的非线性力（矩）公式的基础上,将与转首角速度r和转首角加速度有关的4个流体动力导数均放大1.4倍。运用融入旋回速降与舵机伺服系统的VB与Matlab混合编程的船舶运动数学模型实验平台反复测试,改进的Norrbin模型旋回试验与实船相比精度为93.6%,比改进前提升了17.6%,比MMG模型提升了1.3%;Z形试验精度为84.8%,与MMG模型精度相当,但图形相位符合度更好。将改进的Norrbin模型应用到30万吨级不同船型的船舶旋回预报上,验证其泛化性能,仿真表明具有85.1%的精度,优于原Norrbin模型73.4%的精度。改进的Norrbin模型保留了原Norrbin模型所需船舶参数少、物理意义明显的优点,且精度得到提高、泛化性能较好。
【文章来源】：舰船科学技术. 2020,42(19)北大核心
【文章页数】：7 页
【部分图文】：
海流干扰示意图Fig.1Diagramoftheoceancurrentdisturbance
图2所示为速降系数的拟合情况，易知式（9）拟合效果良好。图2旋回速降拟合Fig.2Curvefittingofthespeedlossinshipturningtrial2.235°右旋回试验TrTr首先运用原Norrbin模型进行无风流影响下的船舶旋回仿真实验。KVLCC2号油船满载时的主要船型参数[7]如表3所示。考虑到舵机伺服系统的特性，将其等效为一个一阶惯性环节，其时间常数为，通常取7～14s，本文取=8s，则舵机伺服模型为：˙δ=1Trδ+1Trδr。(10)δr式中，为指令舵角。表3船舶满载时主要船型参数Tab.3Mainparticularsofshipsinfullloadedcondition类别KVLCC2STELLARTOPAZ垂线间长L/m320.00318.00船宽B/m58.0058.04平均吃水d/m20.8022.22排水体积/m3312600.00331285.50重心坐标Xc/m11.200.00方形系数Cb0.810.81舵叶面积AR/m2112.26126.80初始船速V0/kn15.8014.40r˙rr˙rY˙r,Yr,N˙r,Nr式（3）中无量纲横流系数C取0.5，图3给出了原Norrbin模型仿真，及按照第1节中Norrbin模型改进策略所做的仿真实验与实船试验的旋回圈对比，易知原Norrbin模型仿真的旋回圈图形符合度较低，对大型船舶来说精度有所欠缺；将与转首角速度和转首角加速度有关的流体动力导数分别放大1.3，1.4，1.5倍后，其旋回圈横纵尺度均变大，更贴近于实船试验。由于放大1.4倍后的旋回圈曲线介于放大1.3倍与1.5倍之间，与实船旋回圈图形符合度较好，故选取将与，有关的流体动力导数均放大1.4倍为最终改进方案。图3KVLCC2号油船旋回试验对比Fig.3Turningtestcompar
vrˉC′M20°/20°Z形试验仿真，因Z形试验时船舶降速较少，故此处不考虑船舶速降问题。实船数据与MMG模型仿真数据来源于文献[7–8]。图6和图7为Z形试验的仿真图，同时给出了船舶平面位置、横漂速度和转艏角速度的历时曲线，揭示了Z形试验中一些船舶参量的变化机理。在船舶由一侧舵角最大值转向另一侧的瞬间，和同时达到该阶段的极值，且船舶偏离原始位置的最大横向距离时刻相应地晚于第一、第二超越角出现的时刻。表5为2次Z形试验所对应的超越角数值。仿照式（11）定义Z形试验的平均符合度，表4KVLCC2号油船满载35°右旋回试验参数Tab.4Parametersoftherightturningtestwith35°forthetankerKVLCC2infullloadedcondition类别原Norrbin模型仿真MMG模型仿真改进的Norrbin模型仿真实船试验无因次进距Ad/L2.943.303.523.62无因次横距Tr/L1.602.002.102.10无因次旋回初径DT/L2.813.353.483.71无因次旋回直径D/L1.962.552.302.76ˉCM平均符合度/%76.092.393.6图4改进的Norrbin模型旋回仿真Fig.4TurningsimulationoftheimprovedNorrbinmodel图5旋回特征参数柱状对比图Fig.5Columnardiagramoftheshipturningcharacteristics第42卷杨光平，等：30万吨级船舶的非线性Norrbin模型改进·39·
【参考文献】：
期刊论文
[1]船舶迎浪航向下的垂荡运动建模与仿真分析[J]. 吴伟萍. 舰船科学技术. 2018(22)
[2]船舶操纵运动仿真中改进变步长龙格库塔算法[J]. 张华军,谢呈茜,苏义鑫,石兵华. 华中科技大学学报(自然科学版). 2017(07)
[3]大型船舶的非线性Norrbin数学模型改进[J]. 张显库,杨光平. 中国航海. 2016(03)
[4]一种双极性S函数修饰的非线性船舶航向保持算法[J]. 张显库,杨光平,张强. 大连海事大学学报. 2016(03)
[5]欠驱动水面船舶运动控制研究综述[J]. 郭晨,汪洋,孙富春,沈智鹏. 控制与决策. 2009(03)
[6]船舶横向运动多变量随机控制研究[J]. 赵希人,唐慧妍,彭秀艳,王宪荣. 船舶力学. 2004(05)
本文编号：3494455
【文章来源】：舰船科学技术. 2020,42(19)北大核心
【文章页数】：7 页
【部分图文】：
海流干扰示意图Fig.1Diagramoftheoceancurrentdisturbance
图2所示为速降系数的拟合情况，易知式（9）拟合效果良好。图2旋回速降拟合Fig.2Curvefittingofthespeedlossinshipturningtrial2.235°右旋回试验TrTr首先运用原Norrbin模型进行无风流影响下的船舶旋回仿真实验。KVLCC2号油船满载时的主要船型参数[7]如表3所示。考虑到舵机伺服系统的特性，将其等效为一个一阶惯性环节，其时间常数为，通常取7～14s，本文取=8s，则舵机伺服模型为：˙δ=1Trδ+1Trδr。(10)δr式中，为指令舵角。表3船舶满载时主要船型参数Tab.3Mainparticularsofshipsinfullloadedcondition类别KVLCC2STELLARTOPAZ垂线间长L/m320.00318.00船宽B/m58.0058.04平均吃水d/m20.8022.22排水体积/m3312600.00331285.50重心坐标Xc/m11.200.00方形系数Cb0.810.81舵叶面积AR/m2112.26126.80初始船速V0/kn15.8014.40r˙rr˙rY˙r,Yr,N˙r,Nr式（3）中无量纲横流系数C取0.5，图3给出了原Norrbin模型仿真，及按照第1节中Norrbin模型改进策略所做的仿真实验与实船试验的旋回圈对比，易知原Norrbin模型仿真的旋回圈图形符合度较低，对大型船舶来说精度有所欠缺；将与转首角速度和转首角加速度有关的流体动力导数分别放大1.3，1.4，1.5倍后，其旋回圈横纵尺度均变大，更贴近于实船试验。由于放大1.4倍后的旋回圈曲线介于放大1.3倍与1.5倍之间，与实船旋回圈图形符合度较好，故选取将与，有关的流体动力导数均放大1.4倍为最终改进方案。图3KVLCC2号油船旋回试验对比Fig.3Turningtestcompar
vrˉC′M20°/20°Z形试验仿真，因Z形试验时船舶降速较少，故此处不考虑船舶速降问题。实船数据与MMG模型仿真数据来源于文献[7–8]。图6和图7为Z形试验的仿真图，同时给出了船舶平面位置、横漂速度和转艏角速度的历时曲线，揭示了Z形试验中一些船舶参量的变化机理。在船舶由一侧舵角最大值转向另一侧的瞬间，和同时达到该阶段的极值，且船舶偏离原始位置的最大横向距离时刻相应地晚于第一、第二超越角出现的时刻。表5为2次Z形试验所对应的超越角数值。仿照式（11）定义Z形试验的平均符合度，表4KVLCC2号油船满载35°右旋回试验参数Tab.4Parametersoftherightturningtestwith35°forthetankerKVLCC2infullloadedcondition类别原Norrbin模型仿真MMG模型仿真改进的Norrbin模型仿真实船试验无因次进距Ad/L2.943.303.523.62无因次横距Tr/L1.602.002.102.10无因次旋回初径DT/L2.813.353.483.71无因次旋回直径D/L1.962.552.302.76ˉCM平均符合度/%76.092.393.6图4改进的Norrbin模型旋回仿真Fig.4TurningsimulationoftheimprovedNorrbinmodel图5旋回特征参数柱状对比图Fig.5Columnardiagramoftheshipturningcharacteristics第42卷杨光平，等：30万吨级船舶的非线性Norrbin模型改进·39·
【参考文献】：
期刊论文
[1]船舶迎浪航向下的垂荡运动建模与仿真分析[J]. 吴伟萍. 舰船科学技术. 2018(22)
[2]船舶操纵运动仿真中改进变步长龙格库塔算法[J]. 张华军,谢呈茜,苏义鑫,石兵华. 华中科技大学学报(自然科学版). 2017(07)
[3]大型船舶的非线性Norrbin数学模型改进[J]. 张显库,杨光平. 中国航海. 2016(03)
[4]一种双极性S函数修饰的非线性船舶航向保持算法[J]. 张显库,杨光平,张强. 大连海事大学学报. 2016(03)
[5]欠驱动水面船舶运动控制研究综述[J]. 郭晨,汪洋,孙富春,沈智鹏. 控制与决策. 2009(03)
[6]船舶横向运动多变量随机控制研究[J]. 赵希人,唐慧妍,彭秀艳,王宪荣. 船舶力学. 2004(05)
本文编号：3494455
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