哈工程船舶控制原理課件

船舶控制原理船舶控制系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室外界干擾海風(fēng)海浪海流控制裝置舵、減搖鰭、螺旋槳船舶六自由度的運(yùn)動(dòng)船舶運(yùn)動(dòng)學(xué)/動(dòng)力學(xué)模型典型的控制系統(tǒng)船舶控制系統(tǒng)的原理課程的主要內(nèi)容2.船舶基礎(chǔ)知識(shí)3.船舶力學(xué)4.海風(fēng)、海浪、海流5.航向控制系統(tǒng)6.橫搖控制7.航速控制8.高性能船舶的控制1.知識(shí)準(zhǔn)備多學(xué)科交叉力學(xué)：理論力學(xué)、水動(dòng)力學(xué)數(shù)學(xué)：隨機(jī)過(guò)程液壓控制基礎(chǔ)控制理論：自動(dòng)控制原理、現(xiàn)代控制理論船舶：船舶靜力學(xué)、動(dòng)力學(xué)船舶耐波性------減搖裝置船舶操縱性------舵船舶推進(jìn)---------螺旋槳2.授課方式學(xué)時(shí)：40學(xué)時(shí)課程性質(zhì)：專(zhuān)業(yè)選修課講授方式：專(zhuān)題方式+實(shí)例分析課后給出本章重點(diǎn)考試方式：閉卷3.主要內(nèi)容船舶動(dòng)力學(xué)綜述——理解海浪、海風(fēng)及海流——掌握關(guān)鍵點(diǎn)海浪、風(fēng)和海流對(duì)船舶的擾動(dòng)力和擾動(dòng)矩——掌握關(guān)鍵點(diǎn)船舶運(yùn)動(dòng)控制原理——重點(diǎn)船舶運(yùn)動(dòng)控制模型及控制系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)方法——重點(diǎn)2.1船舶分類(lèi)按用途分類(lèi)：民用船、軍用船

民用船(運(yùn)輸船舶和作業(yè)船舶)

運(yùn)輸類(lèi)船舶:油輪、客滾船、集裝箱船、礦石運(yùn)輸船、快艇、游艇,LNG(液化天然氣)船等

作業(yè)類(lèi)船舶：漁業(yè)船舶、工程船舶、海洋開(kāi)發(fā)船舶、拖帶船舶、港作船舶、農(nóng)用船舶，

軍用船：戰(zhàn)斗艦艇和輔助艦艇。(快艇、護(hù)衛(wèi)艦、驅(qū)逐艦、巡洋艦、航母等)(航標(biāo)船、布纜船、勤務(wù)船、電子偵察船、勘查船、補(bǔ)給船、車(chē)輛運(yùn)輸船等)chp2.船舶基本知識(shí)按航行區(qū)域劃分：極地船舶、遠(yuǎn)洋船舶、近海船舶、江海直達(dá)船舶、內(nèi)河船舶和港灣船舶。按航行狀態(tài)劃分：滑行艇、水翼艇、氣墊船、小水線面船、沖翼艇、地效應(yīng)船。按動(dòng)力裝置劃分：蒸氣動(dòng)力船、內(nèi)燃機(jī)動(dòng)力船、核動(dòng)力船、電力推進(jìn)船等。按推進(jìn)方式劃分：螺旋槳船、平旋推進(jìn)器船、噴水推進(jìn)船、明輪船等。按船體材料劃分：鋼質(zhì)船、鐵質(zhì)船、木質(zhì)船、玻璃鋼船、鋁質(zhì)船、鋼絲網(wǎng)水泥船、混合結(jié)構(gòu)船等。還可按上層建筑、船體結(jié)構(gòu)型式、船體線型等分類(lèi)。2.2船型2.2.1船體線型

定義：為減小船舶航行時(shí)的阻力，船體的表面一般都呈流線型的不規(guī)則光滑曲面，稱(chēng)為船體線型。描述方法：型線圖、型值表型線圖是在三個(gè)相互垂直的投影面上，以船體外型表面的截交線、投影線和外廓線表示船體外型的圖樣。型線圖上所表示的船體形狀包括外板型表面的形狀和甲板型表面的形狀。型線圖組成：縱剖線圖、橫剖線圖和半寬水線圖。

型值表一般也放在型線圖上，主要供船舶性能計(jì)算和建造放樣用。型線圖的基平面(1).縱中剖面縱中剖面是通過(guò)船長(zhǎng)中心線的一個(gè)垂直基面的垂直平面。把船舶分為左右對(duì)稱(chēng)的兩部分。自船尾向船首看，左手的一側(cè)稱(chēng)為左舷，右手的一例稱(chēng)為右舷。縱中剖面與船體表面的交線稱(chēng)為縱中剖線。它反映了船舶的側(cè)面形狀，包括甲板線，龍骨線及船舶艏艉的外形輪廓線。(2).設(shè)計(jì)水線面

設(shè)計(jì)水線面是通過(guò)船舶設(shè)計(jì)水線(對(duì)民用船舶來(lái)說(shuō)通常是船舶滿載時(shí)的吃水線)的一個(gè)水平面；它把船舶分為水上與水下兩部分。設(shè)計(jì)水線面同縱中剖面垂直。它與船體表面的交線稱(chēng)為設(shè)計(jì)水線。(3).舯橫剖面(中站面)舯橫剖面是通過(guò)船長(zhǎng)中點(diǎn)處的一個(gè)橫向垂直平面。它把船舶分成前體和后體兩部分。舯橫剖面與船體表面的交線稱(chēng)為舯橫剖線。大體反映了船體的正面形狀(從船的船部正面向船的艉部看)，包括甲板橫梁線、船底線和舷側(cè)線。船體型線的投視縱中剖面相當(dāng)子三視圖中的正面．設(shè)計(jì)水線面相當(dāng)于水平面。而舯橫剖面就相當(dāng)于側(cè)面?？v中剖面、設(shè)計(jì)水線面和舯橫剖面，只是表示了船體的外形輪廓它遠(yuǎn)不能完整地表示出船體的真實(shí)形狀；因?yàn)榇w表面是光順的雙向曲面，船、艉、上、下變化很大；為了能精確地表示出船體的曲面變化情況還必須用許多同上述縱中剖面、設(shè)計(jì)水線面和舯橫剖面相平行的，等距離的三組若干輔助平面來(lái)剖切船體表面，并將各個(gè)輔助平面與船體表面的交線畫(huà)出來(lái)；平行于縱中剖面的各個(gè)平面與船體表面的交線稱(chēng)為縱剖線。它在縱中剖面上的投影為表示船體真實(shí)形狀的曲線，而在另外兩個(gè)面上的投影為直線；平行于舯橫剖面的各個(gè)平面與船體表面的交線稱(chēng)為橫剖線；平行于設(shè)計(jì)水線面的各平面與船體表面的交線稱(chēng)為水線。線型圖的三個(gè)視圖分別稱(chēng)為：1)縱剖線圖；2)半寬水線圖，因?yàn)榇w左右舷是對(duì)稱(chēng)的，所以水線只要畫(huà)出半面就可以了；3)橫剖線圖(又稱(chēng)體型圖)，由于橫剖線也是左右對(duì)稱(chēng)的，所以也只要畫(huà)出半面就可以了。

2.2.2船體主尺度

度量船體外型大小的基本度量，簡(jiǎn)稱(chēng)主尺度

(1)船長(zhǎng)L：(2)型寬B:(3)型深D:(4)吃水d:

(1).船長(zhǎng)—般分船的總長(zhǎng)、垂線間長(zhǎng)和設(shè)計(jì)水線長(zhǎng)三種1)總長(zhǎng)LoA：船船艏端至艉端的最大水平距離。2)垂線間長(zhǎng)Lpp：又稱(chēng)兩柱間長(zhǎng)，是指船舶艏垂線與艉垂線間的水平距離，所謂艏(或艉)垂線是指通過(guò)艏柱前緣(或艉柱后緣，無(wú)艉柱船舶則為舵桿中心線)與設(shè)計(jì)水線交點(diǎn)所作的垂線。3)設(shè)計(jì)水線長(zhǎng)Lwl：是指設(shè)計(jì)水線與艏艉輪廓線交點(diǎn)之間的水平距離。在一般情況下，船長(zhǎng)是泛指設(shè)計(jì)水線長(zhǎng)或垂線間長(zhǎng)，用符號(hào)L表示。(2).型寬B在船舶最寬處，由一舷肋骨外緣到另一側(cè)舷肋骨外緣之間的橫向水平距離，用符號(hào)B來(lái)表示，也稱(chēng)船寬。一般民用船舶，可在船的舯橫剖面內(nèi)來(lái)量取。(3)型深D是指船在舯橫剖面內(nèi)自基線(通過(guò)龍骨線與舯橫剖線交點(diǎn)所作的同設(shè)計(jì)水線平行的直線)量到上甲板邊線(甲板板的內(nèi)表面)的垂直距離。用符號(hào)D表示。(4)．吃水是指船在中橫剖面內(nèi)(中站面)自基線量到設(shè)計(jì)水線的垂直距離用符號(hào)d表示。吃水對(duì)船舶穩(wěn)性、抗沉性、船體強(qiáng)度、船舶阻力和操縱性等均有較大的影響。如果船有縱向傾斜(稱(chēng)為縱傾)，則船艙和船舶的吃水不同，分別稱(chēng)為艏吃水和艉吃水，而船在舯橫剖面內(nèi)的吃水就稱(chēng)為平均吃水。還分空船吃水、設(shè)計(jì)吃水(通常指滿載吃水)、壓載吃水、實(shí)際吃水。主尺度比值長(zhǎng)寬比L/B：同船的快速性、航向穩(wěn)定性、回轉(zhuǎn)性有關(guān)(適航性)型寬吃水比B/d：與船舶的初穩(wěn)性、快速性、航向穩(wěn)定性有關(guān)型深吃水比D/d：同船的大傾角穩(wěn)性、抗沉性、縱向強(qiáng)度和船舶容積性能有關(guān)。長(zhǎng)深比L/D：與船舶縱向強(qiáng)度有關(guān)。船長(zhǎng)吃水比L/d:與船舶的快速性和航向穩(wěn)定性有關(guān)。型寬深度比B/D:與船體的強(qiáng)度和穩(wěn)性有關(guān)。前三個(gè)為相互獨(dú)立的主尺度比，后三個(gè)可以推導(dǎo)出來(lái)。2.2.3船型系數(shù)表示船體水下形狀肥瘦程度的無(wú)因次系數(shù)，與船舶航行性能有密切關(guān)系。其中有：水線面系數(shù)-反映設(shè)計(jì)水線面兩端的瘦削程度；中橫剖面系數(shù)-反映中橫剖面的飽滿程度。方型系數(shù)-表示水下部分總的肥瘦程度；棱形系數(shù)-反映船體水下部分的體積沿船長(zhǎng)的分布情況；船型系數(shù)

(1)．水線面系數(shù)Cw它是設(shè)計(jì)水線面積Aw與其外接長(zhǎng)方形面積LwL*B的比值反映設(shè)計(jì)水線面兩端的瘦削程度；水線面系數(shù)的大小反映了設(shè)計(jì)水線面兩端的尖削程度。其大小對(duì)船舶的快速性和甲板面積等有影響。各類(lèi)不同的船舶，它的設(shè)計(jì)水線面形狀也是不同的。雜貨船：0.8~0.9;客船、集裝箱船0.7系數(shù)大，貨船等，容積大，航速小系數(shù)小，軍艦等，容積小，航速大‘(2).中橫(舯)剖面系數(shù)CM舯剖面系數(shù)為設(shè)計(jì)水線下船的舯橫剖面面積AM與長(zhǎng)方形面積B*d的比值。腫剖面系數(shù)的大小反映了中剖面的飽滿程度(肥瘦程度)，與船舶快速性和耐波性有關(guān)。一般內(nèi)河船舶和大型貨船的航速較低，其腫剖面都較豐滿。兩舷較直，底部平坦平。速度較高的船舶，其設(shè)計(jì)水線下的舯剖面，船底自船中向舭部升高較大，腫剖面系數(shù)就顯得較小，舭部升高有利于艙內(nèi)污水向船中部集中排除，以減少船舶擱淺時(shí)船底的損壞范圍。幾種典型的舯剖面(3)．方形系數(shù)CB方形系數(shù)為設(shè)計(jì)水線下船的體積V與長(zhǎng)方體體積上LWL*B*d的比值。

方形系數(shù)的大小反映了船舶水部分總的肥瘦程度。值大，則表示船的水下線型較為飽滿，值小，水下線型就較瘦削。雜貨船：0.68～0.8；客船、集裝箱船：0.5～0.7。對(duì)船舶排水量、艙室容積、快速性、耐波性等有關(guān)系。(4)．棱形系數(shù)Cp棱形系數(shù)為設(shè)計(jì)水線下船的體積V與剖面積AM、長(zhǎng)為L(zhǎng)的棱柱體體積的比該棱形系數(shù)實(shí)際為縱向棱形系數(shù)；棱形系數(shù)的大小反映船舶水下形狀沿船長(zhǎng)方向變化的情況；值大表示船體線型沿船長(zhǎng)分布得比較均勻；值小表示船體線型中部飽滿而兩端瘦小。該值對(duì)船舶的快速性、耐波性等有影響。垂向棱形系數(shù)船體的排水體積與吃水d和水線面積Aw的乘積形成的垂向棱柱體積之比。表征了排水體積沿船舶垂直方向的分布。說(shuō)明：不同船型系數(shù)及其大小，對(duì)船舶航海性能和使用性的影響不同。上述船型系數(shù)是隨著船舶吃水變化的，并不是一個(gè)靜態(tài)系數(shù)。通常指設(shè)計(jì)吃水條件下的相關(guān)系數(shù)。這其中水線面系數(shù)、中橫剖面系數(shù)和方形系數(shù)是獨(dú)立的，其它系數(shù)可以推導(dǎo)出來(lái)。利用船舶的主尺度比和船型系數(shù)，可以計(jì)算在某一吃水條件下船舶的排水體積和其它相關(guān)尺度和參數(shù)。排水量滿載排水量：指船舶在設(shè)計(jì)夏季載重水線下的排水量?？沾潘浚杭纯沾亓浚话ㄘ浳铩⒙每?、船員、燃料、滑油、淡水、糧食和供應(yīng)品等的重量。空載排水量：指船舶無(wú)載貨載客時(shí)的排水量，即滿載排水量減去凈載重量后的排水量。2.3船舶性能衡量船舶航行能力的指標(biāo)，也稱(chēng)航行性能。(1).靜水性能船舶浮性船舶在一定裝載情況下漂浮于水面一定平衡位置的能力就是浮性。船舶的平衡漂浮狀態(tài)，簡(jiǎn)稱(chēng)船舶浮態(tài)。船舶浮態(tài)可分為四種。

a．正浮狀態(tài)

是指船舶首、尾、中的左右吃水都相等的情況。

b．縱傾狀態(tài)

是指左右吃水相等而首尾吃水不等的情況。船首吃水大于船尾水叫首傾；船尾吃水大于船首吃水叫尾傾。為保持螺旋槳一定的水深，提高螺旋槳效率，一般未滿載的船舶都應(yīng)有一定的尾傾。

c.橫傾狀態(tài)

是指船首尾吃水相等而左右吃水不等的情況，航行中不允許出現(xiàn)橫傾狀態(tài)。

d.任意狀態(tài)

是指既有橫傾又有縱橫傾的狀態(tài)。

船舶在海上航行，經(jīng)常會(huì)遇到海浪打上甲板，冬季還會(huì)結(jié)成很厚

的冰，這就等于給船舶增加了重量。為了保障船舶安全，船舶必須留有一定的儲(chǔ)備浮力（也叫保留浮力）。儲(chǔ)備浮力是指船舶主甲板以下至水線之間水密空間產(chǎn)生的浮力。載貨越少，船舶干舷越高，儲(chǔ)備浮力越大，浮性越好，越有利于航行安全。所以，為了既保證船舶安全，又能充分利用船舶的載重能力，就必須根據(jù)不同季節(jié)和航區(qū)進(jìn)行合理配載，使最大吃水不超過(guò)載重線標(biāo)志上規(guī)定的滿載吃水線。

船舶穩(wěn)性

穩(wěn)性：船舶受到外力（如風(fēng)、浪等）的作用而偏離原平衡位置發(fā)生傾側(cè)，當(dāng)外力消除后能自行恢復(fù)到原平衡位置的能力。穩(wěn)性是與船舶安全密切相關(guān)的一項(xiàng)重要性能。有關(guān)規(guī)范規(guī)定了各類(lèi)船舶應(yīng)具備的穩(wěn)性標(biāo)準(zhǔn)，所有船舶必須達(dá)到規(guī)定的指標(biāo)要求。為使船舶具有良好的穩(wěn)性，可采取措施降低船舶的重心，減小上層建筑受風(fēng)面積等措施。船寬、水線面系數(shù)、干舷、重心高度、水面以上的側(cè)面積大小和高度，以及船體開(kāi)口密封性的好壞等，是影響船舶穩(wěn)性的主要因素。初穩(wěn)心：船舶正浮時(shí)浮力作用線和微傾后浮力作用線的交點(diǎn)。船舶初穩(wěn)性為船舶傾斜角小于10~15度，或上甲板邊緣開(kāi)始入水前的穩(wěn)性，又稱(chēng)小傾角穩(wěn)性。船舶大傾角穩(wěn)性為船舶傾斜角大于10~15度，或上甲板邊緣開(kāi)始入水后的穩(wěn)性。

由于船舶的載重一般在水平面上，所以船舶的重心一般位于浮心以上。如果重心與浮心重合，船舶在受到外力作用的時(shí)候就會(huì)偏轉(zhuǎn)一個(gè)角度，使浮心離開(kāi)重心而產(chǎn)生一個(gè)能使船舶恢復(fù)到原來(lái)位置的力矩（復(fù)原力矩）。GMTfBFBDsZ船舶抗沉性抗沉性（insubmersibilit