一种改变无量纲横流系数的制造技术

本发明专利技术一种改变无量纲横流系数的

【技术实现步骤摘要】
一种改变无量纲横流系数的Norrbin模型船舶预测方法


[0001]本专利技术属于水面船舶在不同海况下的运动控制，具体而言，尤其涉及一种改变无量纲横流系数的
Norrbin
模型船舶预测方法，属于船舶运动控制

。

技术介绍

[0002]船舶旋回性受水域
、
气象
、
水文条件等诸多因素影响，根据
IMO
的要求，旋回试验时风力不超过蒲氏5级，海浪不超过4级，流速
、
流向相对稳定
。
虽然在海上试航时要求的试验海况比较严格，但是风
、
浪和流等自然因素对船舶的旋回性有一定的影响，驾驶人员需要掌握船舶在操船海况下的旋回性能，或者根据无风流的旋回性能估算操船海况下的旋回性能，因此根据船舶旋回试验结果预报船舶在无风流及限定海况中的旋回性能工作是十分必要的
。
[0003]目前已有一些可行的研究方法，如专利
CN202211398481.7
中公开了一种船舶运动模型参数智能灰箱辨识方法
、
船舶运动控制方法
,
方法包括以下步骤：其中的辨识方法将建立的船舶操纵响应模型作为待辨识的生成器
,
其将随机变量输入生成器产生模拟数据；能够根据输入改变对应的船舶机理模型；一组服从高斯噪声分布的随机序列
z
经生成器后输出一组离散的模拟数据；判别器对模拟数据与真实数据进行判别训练
,
对生成器进行更新
,
达到参数辨识的目的
。
本专利技术中的一种船舶运动模型参数智能灰箱辨识方法
,
为船舶的非线性动力学模型辨识提供了有效的途径
,
辨识精度较高
,
收敛速度更快
,
且在较少的数据量情况下能达到更高的精度
,
为解决船舶这类非线性特性明显
、
运动状态复杂的运动辨识建模问题提供了一种有效智能新思路等等
。
[0004]当前对模型的改进，大部分都是通过等比例放大流体动力导数实现的，有时仅靠调节流体动力导数的放大倍数会导致仿真实验结果与实船旋回轨迹的符合度较低，对船舶旋回性能的预测较差
。
船舶预测问题并没有彻底解决，预测有时得到的结果符合度较低
。

技术实现思路

[0005]为了解决针对调节船舶流体动力导数有时与实船轨迹符合度较低，进而导致对船舶的旋回性能预测较差的问题，本专利技术采用的技术方案是：
[0006]一种改变无量纲横流系数的
Norrbin
模型船舶预测方法，其特征在于：包括如下步骤：
[0007]S1:
构建船舶仿真运动控制的非线性
Norrbin
模型；
[0008]S2:
基于实船旋回的轨迹数据，得到船舶的旋回速降曲线，代入
Norrbin
模型；
[0009]S3:
等比例放大4个流体动力导数对
Norrbin
模型进行改进，得到初步改进后的
Norrbin
模型；
[0010]S4:
基于初步改进后的模型，分别探究等比例放大流体动力导数及无量纲横流系数对船舶旋回圈的影响；
[0011]S5:
基于等比例放大流体动力导数及无量纲横流系数对船舶旋回圈的影响存在相
似性的基础上，再探究单一流体动力导数对船舶旋回圈的影响；
[0012]S6:
运用对应控制变量的方法，逐步试验得到不同的无量纲横流系数与4个流体动力导数之间的对应数据，再对数据拟合找到无量纲横流系数与流体动力导数的对应关系式；
[0013]S7:
引入其他船舶的船长
、
船宽
、
吃水数据，验证得出无量纲横流系数与流体动力导数的对应关系式存在；
[0014]S8:
引入更多的船舶数据，包括船长，船宽数据，重复步骤
S1——S7
，找到不同船舶之间存在的对应公式，对其进行平均值处理整理出一组新的公式，得到最终改进后的
Norrbin
模型
。
[0015]进一步地，所述构建船舶仿真运动控制的非线性
Norrbin
模型如下：
[0016][0017][0018]在式
(1)
和
(2)
中，上标“'”为无量次化，
m'
表示
m
与因子
pl3/2
的比值，
x'
C
表示
x
C
与
L
的比值，
I'
zz
为
I
zz
与
pl5/2
的比值，
V
为纵向速度，
v
为横向速度，
r
为转向速度，
X
(2)
为状态向量，
U
为控制输入；
[0019]式
(2)
中的
L,B,T,C
b
,A
δ
分别指船舶的两柱间长
、
船宽
、
吃水
、
方形系数
、
舵叶面积
。Y'
r
,N'
r
则是船体本身的流体动力导数，在实际应用中应该考虑舵本身对船所受流体动力的干扰，故还应对流体动力导数进行修正，需要修正的变量按式
(3)
确定；
[0020][0021]式
(3)
中
I'
(2)
,P'
(2)
,Q'
(2)
分别为惯性力导数矩阵，粘性力导数矩阵及舵力导数矩阵，其回归公式如式
(4)
所示：
[0022][0023]非线性流体力的简洁表达式见式
(5)
：
[0024][0025]式中
f
Y
(v,r)
和
f
N
(v,r)
的表达式见式
(6)
和式
(7)
：
[0026][0027][0028]上式中
C
r
为无量纲横流系数，其数值通常在
0.3
～
0.8
范围内
。
[0029]进一步地，所述构建船舶仿真运动控制的非线性
Norrbin
模型对风浪流的干扰处理如下：
[0030]S11、
风的干扰：
[0031]风力
Y'
WIND
,N'
WIND
分成平均风力及脉动风力
[003本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.
一种改变无量纲横流系数的
Norrbin
模型船舶预测方法，其特征在于：包括如下步骤：
S1:
构建船舶仿真运动控制的非线性
Norrbin
模型；
S2:
基于实船旋回的轨迹数据，得到船舶的旋回速降曲线，代入
Norrbin
模型；
S3:
等比例放大4个流体动力导数对
Norrbin
模型进行改进，得到初步改进后的
Norrbin
模型；
S4:
基于初步改进后的模型，分别探究等比例放大流体动力导数及无量纲横流系数对船舶旋回圈的影响；
S5:
基于等比例放大流体动力导数及无量纲横流系数对船舶旋回圈的影响存在相似性的基础上，再探究单一流体动力导数对船舶旋回圈的影响；
S6:
运用对应控制变量的方法，逐步试验得到不同的无量纲横流系数与4个流体动力导数之间的对应数据，再对数据拟合找到无量纲横流系数与流体动力导数的对应关系式；
S7:
引入其他船舶的船长
、
船宽
、
吃水数据，验证得出无量纲横流系数与流体动力导数的对应关系式存在；
S8:
引入更多的船舶数据，包括船长，船宽等数据，重复步骤
S1——S7
，找到不同船舶之间存在的对应公式，对其进行平均值处理整理出一组新的公式，得到最终改进后的
Norrbin
模型
。2.
根据权利要求1所述的一种改变无量纲横流系数的
Norrbin
模型船舶预测方法，所述构建船舶仿真运动控制的非线性
Norrbin
模型如下：模型如下：在式
(1)
和
(2)
中，上标“'”为无量次化，
m'
表示
m
与因子
pl3/2
的比值，
x'
C
表示
x
C
与
L
的比值，
I'
zz
为
I
zz
与
pl5/2
的比值，
V
为纵向速度，
v
为横向速度，
r
为转向速度，
X
(2)
为状态向量，
U
为控制输入；式
(2)
中的
L,B,T,C
b
,A
δ
分别指船舶的两柱间长
、
船宽
、
吃水
、
方形系数
、
舵叶面积
。Y
′
r
,N
′
r
则是船体本身的流体动力导数，在实际应用中应该考虑舵本身对船所受流体动力的干扰，故还应对流体动力导数进行修正，需要修正的变量按式
(3)
确定；
式
(3)
中
I
′
(2)
,P
′
(2)
,Q
′
(2)
分别为惯性力导数矩阵，粘性力导数矩阵及舵力导数矩阵，其回归公式如式
(4)
所示：非线性流体力的简洁表达式见式
(5)
：式中
f
Y
(v,r)
和
f
N
(v,r)
的表达式见式
(6)
和式
(7)
：
上式中
C
r
为无量纲横流系数，其数值通常在
0.3
～
0.8
范围内
。3.
根据权利要求1所述的一种改变无量纲横流系数的
Norrbin
模型船舶预测方法，其特征在于，所述构建船舶仿真运动控制的非线性
Norrbin
模型对风浪流的干扰处理如下：
S11、
风的干扰：风力
Y'
WIND
,N'
WIND
分成平均风力及脉动风力平均风力的表示公式如式
(8)
和式
(9)
所示
::
式
(8)
和式
(9)
中，
C
R
(
γ
R
)
和
C
N
(
γ
R
)
分别为经过无量纲化后的风力和风力矩系数；
A
L
为船舶水线以上侧投影面积，
ρ
A
和
ρ
W
分别为空气和水的密度，
V
R
为相对风速，
γ
R
为风舷角，对于脉动风，可等效为白噪声，该白噪声的标准差与绝对风速成正比；
S12、
浪的干扰：浪力
Y'
WAVE
,N'
WAVE
分为两个组成部分：高频的一次力和低频的二次力
。
规则波对于船的传播方向称为浪向角，以
χ
表示，一次浪力表示公式如式
(10)
和式
(11)
所示如下：所示如下：其中：
式
(12)
中，
ξ
(t)
代表在附体坐标系原点处波面的振荡，
s(t)
则表明沿波浪传播方向上的波面
ξ
的斜率在原点的数值，
k
为波数，
ω

【专利技术属性】
技术研发人员：李国帅，闫秉政，张显库，陈一帆，王诗淼，
申请(专利权)人：大连海事大学，
类型：发明
国别省市：