响应型船舶运动数学模型的构造

上传者：陈嫄玲
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上传时间：2015-05-05
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响应型船舶运动数学模型的构造

第30 卷第1 期大连海事大学学报 VoI . 30，No. 1
2004 年2 月 Journal of Dalian Maritime University Feb. ，
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2004
文章编号：1006-7736 （2004）01-0018-04
响应型船舶运动数学模型的构造
卡
张显库，贾欣乐，刘川
（大连海事大学航海动态仿真与控制交通部重点实验室，辽宁大连 116026）
摘要：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VisuaI Basic 6. 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.
关键词：船舶运动；数学模型；状态空间模型；响应型模型
中图分类号：
U661. 3
文献标识码：
A
0 引言
船舶运动控制问题的两个重点研究领域是船
舶运动控制器设计和船舶动态模型建立. 建立一
个复杂程度适宜、精度满足要求的数学模型对于
进行系统闭环性能研究是至关重要的. 太复杂和
精细的模型可能包含难于估计的参数，也不便于
分析. 过于简单的模型不能描述系统的重要性能.
这就需要我们建模时在复杂和简单之间做合理的
折衷. 本文在状态空间型的船舶运动数学模型的
基础上，给出了基于输入—输出信息构造的响应
型船舶运动数学模型的系统性方法. 这种响应型
模型考虑了过程非线性影响，可满足仿真中对模
型精度的要求，其原理是用Norrbin 非线性数学模
型做船舶回转试验，得到关于舵角和转首角速率
的数据，然后采用最小二乘法辨识出舵角和转首
角速率之间的非线性关系参数，最后用得到的响
应型非线性船舶运动数学模型做回转试验，并与
原非线性数学模型的回转试验比较. 全部程序用
VisuaI Basic 6. 0 程序实现.
1 响应型非线性数学模型描述
船舶运动可以用状态空间模型描述，也可以
用输入
—
输出模型描述，前一种描述能处理控制
作用下船舶的多变量运动问题，对风、浪、流干扰
的引入也较为直接和准确，但计算相当复杂，笔者
在以前的研究中主要采用这种模型
［1，2，3］
；后一种
描述又称为响应模型法，它在略去横漂速度后抓
住了船舶动态从
!一
"
?
一
"
的主要脉络，所获的
微分方程仍可保留非线性影响因素，甚至可以把
风浪干扰作用折合成为某一种干扰舵角构成一种
等效舵角
!D
与实际舵角
!
一道进入船舶模型，见
图1. 在此方案中早期的工作有Van Amerongen 的
研究
［4］
. 首先考虑最简形式的响应模型———线性
的Nomoto 模型
"

+
1
T
"
?
=
K
T
!
（1）
对于某些静态不稳定船舶，式（1）左端第二
项
"
?
/ T 必须代之以一个非线性项
卡
收稿日期：2003-10-15
作者简介：张显库（1968-），男，辽宁辽阳人，副教授.

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