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船舶控制原理,船舶控制系统实验室,外界干扰 海风 海浪 海流,控制装置舵、减摇鳍、螺旋桨,船舶六自由度的运动,船舶运动学/动力学模型,典型的控制系统,船舶控制系统的原理,课程的主要内容,2. 船舶基础知识3. 船舶力学4. 海风、海浪、海流5. 航向控制系统6. 横摇控制7. 航速控制8. 高性能船舶的控制,1.知识准备,多学科交叉力学： 理论力学、水动力学数学： 随机过程液压控制基础控制理论：自动控制原理、现代控制理论船舶： 船舶静力学、动力学 船舶耐波性-减摇装置 船舶操纵性-舵 船舶推进-螺旋桨,2.授课方式,学时：40学时课程性质：专业选修课讲授方式：专题方式+实例分析课后给出本章重点考试方式：闭卷,3.主要内容,船舶动力学综述 理解海浪、海风及海流 掌握关键点海浪、风和海流对船舶的扰动力和扰动矩 掌握关键点船舶运动控制原理 重点船舶运动控制模型及控制系统的实现方法 重点,2.1 船舶分类,按用途分类：民用船、军用船 民用船(运输船舶和作业船舶) 运输类船舶:油轮、客滚船、集装箱船、矿石运输船、快艇、游艇,LNG(液化天然气)船等 作业类船舶：渔业船舶、工程船舶、海洋开发船舶、拖带船舶、港作船舶、农用船舶， 军用船：战斗舰艇和辅助舰艇。 (快艇、护卫舰、驱逐舰、巡洋舰、航母等) (航标船、布缆船、勤务船、电子侦察船、勘查船、补给船、车辆运输船等),chp2.船舶基本知识,按航行区域划分：极地船舶、远洋船舶、近海船舶、江海直达船舶、内河船舶和港湾船舶。按航行状态划分：滑行艇、水翼艇、气垫船、小水线面船、冲翼艇、地效应船。按动力装置划分：蒸气动力船、内燃机动力船、核动力船、电力推进船等。按推进方式划分：螺旋桨船、平旋推进器船、喷水推进船、明轮船等。按船体材料划分：钢质船、铁质船、木质船、玻璃钢船、铝质船、钢丝网水泥船、混合结构船等。还可按上层建筑、船体结构型式、船体线型等分类。,2.2 船型,2.2.1 船体线型 定义：为减小船舶航行时的阻力，船体的表面一般都呈流线型的不规则光滑曲面，称为船体线型。 描述方法：型线图、型值表 型线图是在三个相互垂直的投影面上，以船体外型表面的截交线、投影线和外廓线表示船体外型的图样。型线图上所表示的船体形状包括外板型表面的形状和甲板型表面的形状。 型线图组成：纵剖线图、横剖线图和半宽水线图。 型值表一般也放在型线图上，主要供船舶性能计算和建造放样用。,型线图的基平面,(1).纵中剖面,纵中剖面是通过船长中心线的一个垂直基面的垂直平面。把船舶分为左右对称的两部分。自船尾向船首看，左手的一侧称为左舷，右手的一例称为右舷。纵中剖面与船体表面的交线称为纵中剖线。它反映了船舶的侧面形状，包括甲板线，龙骨线及船舶艏艉的外形轮廓线。,(2).设计水线面,设计水线面是通过船舶设计水线(对民用船舶来说通常是船舶满载时的吃水线)的一个水平面；它把船舶分为水上与水下两部分。设计水线面同纵中剖面垂直。它与船体表面的交线称为设计水线。,(3).舯横剖面(中站面),舯横剖面是通过船长中点处的一个横向垂直平面。它把船舶分成前体和后体两部分。舯横剖面与船体表面的交线称为舯横剖线。大体反映了船体的正面形状(从船的船部正面向船的艉部看)，包括甲板横梁线、船底线和舷侧线。,船体型线的投视,纵中剖面相当子三视图中的正面设计水线面相当于水平面。而舯横剖面就相当于侧面。,纵中剖面、设计水线面和舯横剖面，只是表示了船体的外形轮廓它远不能完整地表示出船体的真实形状；因为船体表面是光顺的双向曲面，船、艉、上、下变化很大；为了能精确地表示出船体的曲面变化情况还必须用许多同上述纵中剖面、设计水线面和舯横剖面相平行的，等距离的三组若干辅助平面来剖切船体表面，并将各个辅助平面与船体表面的交线画出来；,平行于纵中剖面的各个平面与船体表面的交线称为纵剖线。它在纵中剖面上的投影为表示船体真实形状的曲线，而在另外两个面上的投影为直线；平行于舯横剖面的各个平面与船体表面的交线称为横剖线；平行于设计水线面的各平面与船体表面的交线称为水线。,线型图的三个视图分别称为： 1)纵剖线图；2)半宽水线图，因为船体左右舷是对称的，所以水线只要画出半面就可以了；3)横剖线图(又称体型图)，由于横剖线也是左右对称的，所以也只要画出半面就可以了。,2.2.2 船体主尺度度量船体外型大小的基本度量，简称主尺度(1) 船长L：(2) 型宽B:(3) 型深 D:(4) 吃水 d:(1).船长,般分船的总长、垂线间长和设计水线长三种,1)总长LoA：船船艏端至艉端的最大水平距离。2) 垂线间长Lpp：又称两柱间长，是指船舶艏垂线与艉垂线间的水平距离，所谓艏(或艉)垂线是指通过艏柱前缘(或艉柱后缘，无艉柱船舶则为舵杆中心线)与设计水线交点所作的垂线。 3)设计水线长Lwl：是指设计水线与艏艉轮廓线交点之间的水平距离。 在一般情况下，船长是泛指设计水线长或垂线间长，用符号L表示。,(2).型宽B,在船舶最宽处，由一舷肋骨外缘到另一侧舷肋骨外缘之间的横向水平距离，用符号B来表示，也称船宽。一般民用船舶，可在船的舯横剖面内来量取。,(3)型深D,是指船在舯横剖面内自基线(通过龙骨线与舯横剖线交点所作的同设计水线平行的直线)量到上甲板边线(甲板板的内表面)的垂直距离。用符号D表示。,(4)吃水,是指船在中横剖面内(中站面)自基线量到设计水线的垂直距离用符号d表示。吃水对船舶稳性、抗沉性、船体强度、船舶阻力和操纵性等均有较大的影响。如果船有纵向倾斜(称为纵倾)，则船舱和船舶的吃水不同，分别称为艏吃水和艉吃水，而船在舯横剖面内的吃水就称为平均吃水。还分空船吃水、设计吃水(通常指满载吃水)、压载吃水、实际吃水。,主尺度比值,长宽比L/B： 同船的快速性、航向稳定性、回转性有关(适航性)型宽吃水比B/ d：与船舶的初稳性、快速性、航向稳定性有关型深吃水比D/d ：同船的大倾角稳性、抗沉性、纵向强度和船舶容积性能有关。长深比L/D： 与船舶纵向强度有关。船长吃水比L/d:与船舶的快速性和航向稳定性有关。型宽深度比B/D:与船体的强度和稳性有关。前三个为相互独立的主尺度比，后三个可以推导出来。,2.2.3 船型系数,表示船体水下形状肥瘦程度的无因次系数，与船舶航行性能有密切关系。其中有：水线面系数-反映设计水线面两端的瘦削程度；中横剖面系数-反映中横剖面的饱满程度。方型系数-表示水下部分总的肥瘦程度；棱形系数-反映船体水下部分的体积沿船长的分布情况；,船型系数(1)水线面系数Cw,它是设计水线面积Aw与其外接长方形面积LwL*B的比值,反映设计水线面两端的瘦削程度；,水线面系数的大小反映了设计水线面两端的尖削程度。其大小对船舶的快速性和甲板面积等有影响。各类不同的船舶，它的设计水线面形状也是不同的。杂货船：0.80.9;客船、集装箱船0.7,系数大，货船等，容积大，航速小,系数小，军舰等，容积小，航速大,(2).中横(舯)剖面系数CM,舯剖面系数为设计水线下船的舯横剖面面积AM与长方形面积B*d的比值。,肿剖面系数的大小反映了中剖面的饱满程度(肥瘦程度)，与船舶快速性和耐波性有关。一般内河船舶和大型货船的航速较低，其肿剖面都较丰满。两舷较直，底部平坦平。速度较高的船舶，其设计水线下的舯剖面，船底自船中向舭部升高较大，肿剖面系数就显得较小，舭部升高有利于舱内污水向船中部集中排除，以减少船舶搁浅时船底的损坏范围。,几种典型的舯剖面,(3)方形系数CB,方形系数为设计水线下船的体积V与长方体体积上LWL*B*d的比值。,方形系数的大小反映了船舶水部分总的肥瘦程度。值大，则表示船的水下线型较为饱满，值小，水下线型就较瘦削。杂货船：0.680.8；客船、集装箱船：0.50.7。对船舶排水量、舱室容积、快速性、耐波性等有关系。,(4)棱形系数Cp,棱形系数为设计水线下船的体积V与剖面积AM、长为L的棱柱体体积的比,该棱形系数实际为纵向棱形系数； 棱形系数的大小反映船舶水下形状沿船长方向变化的情况；值大表示船体线型沿船长分布得比较均匀；值小表示船体线型中部饱满而两端瘦小。该值对船舶的快速性、耐波性等有影响。,垂向棱形系数,船体的排水体积与吃水d和水线面积Aw的乘积形成的垂向棱柱体积之比。表征了排水体积沿船舶垂直方向的分布。,说明：不同船型系数及其大小，对船舶航海性能和使用性的影响不同。上述船型系数是随着船舶吃水变化的，并不是一个静态系数。通常指设计吃水条件下的相关系数。这其中水线面系数、中横剖面系数和方形系数是独立的，其它系数可以推导出来。利用船舶的主尺度比和船型系数，可以计算在某一吃水条件下船舶的排水体积和其它相关尺度和参数。,排水量 满载排水量：指船舶在设计夏季载重水线下的排水量。 空船排水量：即空船重量，但不包括货物、旅客、船员、燃料、滑油、淡水、粮食和供应品等的重量。 空载排水量：指船舶无载货载客时的排水量，即满载排水量减去净载重量后的排水量。,2.3 船舶性能,衡量船舶航行能力的指标，也称航行性能。(1). 静水性能船舶浮性 船舶在一定装载情况下漂浮于水面一定平衡位置的能力就是浮性。,船舶的平衡漂浮状态，简称船舶浮态。船舶浮态可分为四种。a正浮状态 是指船舶首、尾、中的左右吃水都相等的情况。b纵倾状态 是指左右吃水相等而首尾吃水不等的情况。船首吃水大于船尾水叫首倾；船尾吃水大于船首吃水叫尾倾。 为保持螺旋桨一定的水深，提高螺旋桨效率，一般未满载的船舶都应有一定的尾倾。,c.横倾状态 是指船首尾吃水相等而左右吃水不等的情况，航行中不允许出现横倾状态。d.任意状态 是指既有横倾又有纵横倾的状态。 船舶在海上航行，经常会遇到海浪打上甲板，冬季还会结成很厚的冰，这就等于给船舶增加了重量。为了保障船舶安全，船舶必须留有一定的储备浮力（也叫保留浮力）。储备浮力是指船舶主甲板以下至水线之间水密空间产生的浮力。,载货越少，船舶干舷越高，储备浮力越大，浮性越好，越有利于航行安全。所以，为了既保证船舶安全，又能充分利用船舶的载重能力，就必须根据不同季节和航区进行合理配载，使最大吃水不超过载重线标志上规定的满载吃水线。,船舶稳性 稳性：船舶受到外力（如风、浪等）的作用而偏离原平衡位置发生倾侧，当外力消除后能自行恢复到原平衡位置的能力。稳性是与船舶安全密切相关的一项重要性能。有关规范规定了各类船舶应具备的稳性标准，所有船舶必须达到规定的指标要求。为使船舶具有良好的稳性，可采取措施降低船舶的重心，减小上层建筑受风面积等措施。船宽、水线面系数、干舷、重心高度、水面以上的侧面积大小和高度，以及船体开口密封性的好坏等，是影响船舶稳性的主要因素。初稳心：船舶正浮时浮力作用线和微倾后浮力作用线的交点。船舶初稳性为船舶倾斜角小于1015度，或上甲板边缘开始入水前的稳性，又称小倾角稳性。船舶大倾角稳性为船舶倾斜角大于1015度，或上甲板边缘开始入水后的稳性。,由于船舶的载重一般在水平面上，所以船舶的重心一般位于浮心以上。如果重心与浮心重合，船舶在受到外力作用的时候就会偏转一个角度，使浮心离开重心而产生一个能使船舶恢复到原来位置的力矩（复原力矩）。,船舶抗沉性,抗沉性（insubmersibility）：是指船舶在一个舱或几个舱进水的情况下，仍能保持不致于沉没和倾覆的能力。,为了保证抗沉性，船舶除了具备足够的储备浮力外，一般有效的措施是设置双层底和一定数量的水密舱壁。对于不同用途、不同大小和不同航区的船舶，抗沉性的要求不同。它分“一舱制”船、“二舱制”船、“三舱制”船等。 还与渗透率有关。所谓渗透率是指某舱的进水容积与该舱的舱空的比值。所以满载钢材的杂货船，货舱进水时其进水量就会较大地超过储备浮力，就不一定保证船舶不沉。船舶在破损进水后是否会倾覆或沉没，在一定程度上还与船上人员采取的抗沉性措施有关。,船舶快速性 船舶在主机输出功率一定的条件下，尽量提高船速的能力叫船舶快速性。 快速性包含节能和速度两层意义，即尽量提高推进器的推力和减小船舶航行的阻力。船舶航行的阻力主要是水阻力，主要包括摩擦阻力、涡流阻力（形状阻力）和兴波阻力,摩擦阻力,摩擦阻力是由水粘性引起，船在水中运动时，总有一层水粘附在船体表面，并跟着船体一起运动。船舶运动带动水分子运动所消耗的能量，即为船舶克服摩擦阻力所消耗的能量。摩擦阻力的大小与船体浸水表面积、船体表面滑度、航速高低有关。因此，船舶定期进坞清除污底， 是减少摩擦阻力的重要措施。,涡流阻力,当船体向前运动时，产生一相对水流，由于水具有粘性，靠近船体表面处的相对水流速度就小，到达船尾时，断面扩大，流速很快下降，可达到零或者倒流，就造成船尾部的涡流运动，使船尾压力下降，对船舶就形成一个压力差阻力，就叫涡流阻力，或叫形状阻力。在船体弯曲度较大部分就容易产生涡流，尾部横剖面作急剧收缩的船舶所引起的涡流阻力较为严重，而流线型船体就不产生涡流阻力或只产生极小的涡流阻力。因此，改善水下船体的线型，对船舶快速性影响很大。,兴波阻力,兴波阻力是由于船舶航行中掀起的船行波，产生与船舶前进方向相反的阻力。船行波分船首波和船尾波，在船行波传播中，如果船首波与船尾波在船尾处互相迭加，兴波阻力就大；如果船首波和船尾波在船尾处互相抵消，兴波阻力就小。所以兴波阻就大小,主要与航速和船长有关。航速越快，兴波阻力越大，在一定的设计航速下，适当选择船长，可以减少兴波阻力。远洋船多采用球鼻船首型，就是为了调整船长，以达到减少兴波阻力的目的。,除此之外，船舶总阻力中还包括船舶水下部分的各种附体，如舵、舭龙骨等，引起的附体阻力；船舶航行时受波涛的影响所产生的汹涛阻力；船舶的水上部分所受到的空气阻力。,船舶推进力 船舶主机发出的功率传递至船舶推进器进而推动船舶克服阻力航行。船舶推进过程中存在着多种能量消耗，涉及到机械效率、传动系统效率、轴系效率和推进效率。这些效率的提高也就意味着推进效率的提高。螺旋桨是使用最广的船舶推进器。可调螺距的螺旋桨适当地选择螺旋桨的螺距，调整合适的吃水和吃水差，航行中保持螺旋桨在水下有足够的深度。,(2) 船舶耐波性(Seakeeping) 船舶耐波性是指船舶在规定的海洋环境条件下对风浪的适应能力，其描述了船舶在波浪中航行的性能。船舶耐波性考虑的问题：在风浪中遭受由于外力干扰所产生的各种摇荡运动、抨击上浪、失速飞车和波浪弯矩。要求在上述条件下，船舶仍具有足够的稳性和船体结构强度，并能保持一定的航速安全航行的性能。耐波性除了与船体的稳性有关，同时也与风浪大小有关。,摇荡的形式 船舶的摇荡主要有下列六种形式： （1）横摇-绕船舶纵轴的往复摇动； （2）纵摇-绕船舶横轴的往复摇动； （3）艏摇-绕船舶垂直轴的往复摇动； （4）垂荡-沿船舶垂直轴的上下往复运动，又称升沉； （5）横荡-沿船舶横轴的左右往复运动； （6）纵荡-沿船舶纵轴的前后往复运动。其中， 横摇、纵摇和垂荡对船舶航行的影响最大，而横摇又最易发生，摇荡幅值也最大，严重影响船舶安全。,摇荡带来的危害,1)剧烈的横摇会使船舶横倾过大而丧失稳性，甚至颁覆； 2)减低航行速度，增加燃料消耗； 3)使甲板淹人，造成工作的因难，影响机器设备的正常运转和使用； 4)使船体结构的负荷增加，造成结构和设备的损坏，并使固定不良的或散装的货物移动危及船的安全； 5)使船上的居住条件恶化，引起旅客的呕吐晕船。,提高船舶耐波性装置：a. 舭龙骨,减摇鳍,c.水舱,(3).船舶操纵性 船舶能保持和改变运动状态的能力叫船舶操纵性（manouverability）。所谓运动状态指航向和航速，所以操纵性应包括船舶能迅速改变航向的回转性和保持指定航向的稳定性，也包括船舶改变航速和保持航速以及船舶停车和倒车时的惯性等性能。 船舶操纵性能主要是通过车和舵来实现，但在靠离泊作业时，还通过锚、缆和拖轮来协助，提高船舶操纵性。,船舶的操纵性包括：航向稳定性、航行机动性(灵活性)航向稳定性：航向稳定性为船舶保持既定航向直线航行的性能。这样可减少航行时间，减少燃料损耗。航行机动性：包括回转性，应舵性。 回转性：为船舶改变原航向作圆弧运动的性能。 应舵性：为船舶回转初期对舵的反应能力。航向稳定性与航行机动性相互矛盾。,59,解决这种矛盾的方法是采用航向控制系统-自动舵,航向稳定性,直线运动稳定性：受扰动后，最后的运动平衡状态仍为匀速直线运动，只是从一个直线运动转到另一个直线。,方向稳定性：受扰动后，最后的运动不仅为匀速直线运动，且运动方向与初始方向一致。,位置稳定性：受扰动后，最后运动平衡状态与初始运动方向一致，且运动轨迹间无偏离的匀速直线运动。,稳定直航船舶受到瞬间干扰后，不用操舵，船舶运动稳定性分类,航向稳定性含义船舶固有的航向稳定性:直线运动稳定或动航向稳定一般船舶都不可能具有方向稳定性和位置稳定性要达到方向稳定，需要操舵要达到位置稳定，需要操舵和定位,63,位置稳定性的船舶一定同时具备直线稳定性和方向稳定性。方向稳定性同时具备直线运动稳定性。通常水面船舶，如果不进行操舵，仅具有直线运动稳定性，而不具备方向稳定性和位置稳定性。,三、船舶机动性(回转性) 即：使船舶作圆弧运动的性能，它与船舶避让、避碰、靠离码头、调头等操控密切相关。主要特征参数：反横距(S1)：船舶从初始直线航行至回转运动轨迹反向最大偏离处的距离。满舵时约为0.01L。正横距(S2):船舶从初始直线至船艏专项90度时，船舶重心所在位置所在距离；S2越小，回转性越好。,