船舶操纵性_第5章1.ppt

1、第五章 船舶操纵性试验,操纵性试验有 1、实船试验 2、船模试验 3、仿真试验 船舶操纵模拟器。,自由自航模型试验 拘束模型试验。,第五章船舶操纵性试验,操纵性试验概述,实船试验,船模试验拘束模型试验,1 升沉测量机构 2 Y向位移测量机构 3 Y向导轨 4 X向位移测量机构 5 X向导轨 6 纵摇测量机构 7 横摇测量机构 8 升沉杆装置 9 可移动小车 10 摇艏测量机构,用六自由度适航仪测量船在波浪中的运动试验,用六自由度适航仪测量船在波浪中的运动试验,当代船舶技术的发展产生了许多新船型，它们的操纵性问题需要重点研究。,51 实船试验,5.1.1 实船试验的目的： （1）检验船舶操纵性能

2、的优劣，是否达到“操纵性标准”的要求； （2）为船舶驾驶部门提供操纵性资料； （3）为设计、科研提供数据资料。如积累各种操纵性指数的数据，辨识操纵性数学模型等。,5.1.2 实船试验的条件： （l）试验海区的面积，一般为试验船长的50 X 10倍，水深不小于 5倍吃水。 （2）对于螺线试验、回舵试验及停船试验，应尽量选择风平浪静以及潮流小的时间和海域进行（2级风以下）。其它试验要求风力不大于3级，浪高不超过2级。 （3） 测试仪表的精度和范围要求如下表：,第五章船舶操纵性试验,注：军用舰船按照海军规范进行试验。,第五章船舶操纵性试验,5.1.3 回转试验 （1）试验目的：评价船的回转性能。 （

3、2）试验方法： 船在预定航向上稳速直航，发出操舵令，以最快速度操舵至规定舵角（即使舵角与规定舵角略有差别，也不要任意修正），并保持此舵角，直至船首向改变 ，一次试验结束。 以同样方法进行相反舵角和其它舵角（或航速）下的回转试验。,第五章船舶操纵性试验,（3）测量回转轨迹的方法 要可靠地测量回转轨迹，需用专门的特高频无线电定位装置。一般航海用的无线电定位仪和船上的雷达、测距仪精度尚不够。图511是特高频无线电定位装置的原理。 C为在船上装设的发射器，发射3GHz（千兆赫)的特高频无线电波。A和B为在岸上装的二个应答装置。测定CA和CB之间往返的特高频波的相位差，可确定距离CA和CB。 由于距离A

4、B是已知的，由ABC的三边可确定C点的位置。,第五章船舶操纵性试验,(4)回转试验应取得的主要参数有： 船的重心轨迹 战术直径 定常回转直径 纵距 横距 静横倾角 动横倾角 回转周期 定常回转角速度 定常回转航速等。,第五章船舶操纵性试验,5.1.4 Z形操纵试验 （1）试验目的：评价船的航向改变性能，测定回转性指数 K 和应舵指数 T 。,第五章船舶操纵性试验,（2）试验方法： 船在预定航向上稳速直航（应逆风），以最大转舵速率操舵右100 ，当船的艏向角达到右100时，立即将舵角自右100操至左100 ，当船的艏向角达到左100时，又立即将舵操至右100 。如此共操舵5次，一次试验结束。试验

5、时用方向陀螺和电位器连续记录船的首向角和舵角。 按同样方法进行从左100舵角开始的试验。 以上为100/ 100 （舵角值/艏向角改变值）的Z形操纵试验，也有进行50/ 50 、 150/ 150 、 200/ 200的Z形操纵试验和100/ 50 、200/ 50 、200/ 100 等变形Z形操纵试验的。,第五章船舶操纵性试验,Z形操纵试验的目的是评价船在中、小舵角下改变和保持航向的能力。因此艏向角改变值不宜过大，否则将出现非线性影响，尤其是稳定性差的船。但为了减少试验时的误差，舵角和艏向角改变值也不宜过小，国际上一般通用的为100/ 100 ，实际操船时改变航向最常用的操舵角也为100左

6、右。对于稳定性好的快速军舰也可以用200/ 200 。,第五章船舶操纵性试验,（3）试验应取得的主要参数 艏向角 和舵角 随时间变化的曲线(如下页) 从 和(t)曲线可直接测量以下特征值： 初转期 ：从首次操舵起至第一次操反舵止所经过的时间。它表示从直航中操一定舵角（例如 ）、船首向角改变一定值（例如 ）所需的时间，也就是船改变艏向的快慢。其无量纲值为：,第五章船舶操纵性试验,超越时间 ：从操反舵开始到船停止朝原方向回转的时间。也有用从舵角回复到零的时刻起至船停止朝原方向回转之时间 的，称为转首滞后。 超越角 ：操反舵后船继续朝原方向回转所转过的最大角度。 周期T：从操舵瞬时到船完成向右舷和左

7、舷摆动各一次，回复到初始首向角的时间。 平均转首强度：取左、右最大回转角速度 的平均值乘0.7，作为回转角速度 的均方差的近似值，称为平均转首强度。,第五章船舶操纵性试验,Z 形操纵试验演示,（4）利用Z形试验确定 K、T 指数 从一阶线性响应方程： 已经知道K、T 的物理意义。 K 为回转性指数，为单位舵角下的回转角速度；T 为应舵指数，表示转艏对操舵响应的快慢。 可以由Z形试验曲线确定一阶线性响应方程中的 K、T 指数。,第五章船舶操纵性试验,利用Z形试验确定 K、T 指数的方法： 首先考虑由于螺旋桨等引起的不对称力，船在直航时需要有一个压舵角r ，为此将一阶K-T 方程改写为： 将一阶K

8、-T 方程对任意时间间隔 至 积分，得到： 上式中的未知量有K、T 、r ，所以只要在图中取三个不同的区间进行积分，得到三个方程，就可以求解。,第五章船舶操纵性试验,取如下三个不同的区间的积分：,第五章船舶操纵性试验,得到 K 和r ，并将该 K 记为K，为由第二和第三峰值得到的 K。 将上面解出的 r 代入,首先联立求解,第五章船舶操纵性试验,求出另一 K 值，并记为K ，为由第一峰值得到的K。 则所求的 K 值为,第五章船舶操纵性试验,根据积分式： 再取如下三个区间的积分：,第五章船舶操纵性试验,由以上三个积分结果可以得到： 则所求的 T 值为：,第五章船舶操纵性试验,一个稳定的线性系统在

9、正弦输入下，系统的输出与输入之比，称为系统的频率特性。 一个系统的频率特性可以通过试验测得，从而为船舶自动舵的设计提供依据。,5.1.5 频率特性试验,系统的频率特性,系统的幅频特性,系统的相频特性,第五章船舶操纵性试验,第五章船舶操纵性试验,在设计船舶自动舵时，采用二阶K-T 方程要比采用一阶K-T 方程效果好。取如下形式的二阶K-T 方程 我们已经知道，该二阶K-T 方程式是一个线性方程，所以它所描述的系统是一个线性系统。 为了分析线性系统，可以从系统的传递函数入手，从而将时间域的求解问题化为频率域的求解问题，并将微分方程化为代数方程。,第五章船舶操纵性试验,其中， ， 为复频率， 为角频

10、率。,为了得到系统的传递函数，需要数学分析中的拉普拉斯变换 L 变换：,船的摇艏角速度的L 变换：,施加的舵角的L 变换：,第五章船舶操纵性试验,为了使后续内容易于理解，我们回忆拉氏变换的若干公式和性质。 线性公式： 导数公式,第五章船舶操纵性试验,在零初始条件下,即 ，对二阶K-T 方程,作拉氏变换，得到：,第五章船舶操纵性试验,在自动控制理论中，一个线性系统在零初始条件下，输出信号的L 变换与输入信号的L 变换的比值，称为该系统的传递函数。 所以，由二阶K-T 方程可以得到传递函数为：,由传递函数的表达式可知，传递函数表征了系统的固有特性。,第五章船舶操纵性试验,假定给线性系统一个正弦输入

11、： 则对于具有直线稳定性的船，经过一段时间后，系统将进入稳定运动状态，此后，船的摇艏角速度也应该是正弦变化，即： 其中， 为摇艏角速度与舵角之间的相位差。,第五章船舶操纵性试验,由于 sin(t) 是指数函数 的虚部，故可将上面二式写成复数形式（只取虚部）： 将上面两式带入二阶K-T 方程，得到：,第五章船舶操纵性试验,该系统的频率特性为： 上式与传递函数相比较： 可以看出，只要将系统的传递函数的复变量 s 取为纯虚数 i ,即可得到系统的频率特性。,第五章船舶操纵性试验,对于一个复变函数，可用其模和幅角来表示：,第五章船舶操纵性试验,所以有：,幅频特性,相频特性,幅频特性和相频特性统称为系统

12、的频率特性。,第五章船舶操纵性试验,频率特性试验之一正弦操舵试验频 试验目的：测定船的中、高频范围的频率特性。 试验方法：首先使船在预定航线上稳速直航，然后将舵角以某一频率按正弦规律连续转动。经过一段时间的稳定运动后，记录舵角和摇艏角速度曲线，一次试验结束。用同样的方法，测定其它转舵频率下的试验结果。 试验应测定的参数： 直接在曲线上量出该转舵频率下的摇艏角速度幅值、舵角幅值和两条曲线的相位差。 在得到所有频率下的参数值后，就组成了船舵系统的频率特性。,第五章船舶操纵性试验,某一转舵频率下的正弦操舵试验记录,其它实船试验简介 Q-1 平行移动试验 测量船舶低频范围的频率特性,Q-2 正螺旋和逆

13、螺旋试验 测定不稳定船的滞后环的环宽和环高,Q-2 正螺旋和逆螺旋试验 测定不稳定船的滞后环的环宽和环高,Q-3 回舵操纵试验 迅速简便地评价船的稳定性和不稳定程度。,Q-4 变航向试验 研究船在中等舵角下的转向性能。,Q-5 停船试验（包括主机停车和全工况倒车） 测定船从航行状态至停船所滑行的距离。,53 约束船模试验 目前要比较精确地确定水动力导数，需进行拘束船模试验。拘束船模试验是用机械的拘束，强迫船模作规定的运动。试验时，系统地改变运动参数，测定作用在船模上的水动力，从而求得各水动力导数。 用拘束船模试验确定水动力导数时,船模一般装有全部附体和驱动电机，船模螺旋桨的转速相当于实船工作状

14、态，船速按实船傅法德数确定。,第五章船舶操纵性试验,斜航试验ORT 旋臂试验RAT 平面运动机构试验PMM,第五章船舶操纵性试验,约束船模 试验分为：,斜航试验ORT简介 斜航试验可以在长条水池中进行，用来测定漂角和舵角的位置导数。试验时，船模安装在拖车上，纵中剖面与水池中心线成一夹角 ，以等速 V 作等速斜航运动。,系统地改变漂角 和舵角 ，用多分力天平测量船模所受到的约束力X，Y，N，从而求出位置水动力导数。,测力天平的结构,斜航时，船模所受到的水动力可表示为：,第五章船舶操纵性试验,对试验结果按上式用最小二乘法回归，就可得到水动力位置导数：,旋臂试验RAT简介,RAT是在圆形的旋臂水池中

15、进行。水池有一横臂，一端置于池壁的轨道上，可绕水池中心以不同的角速度 r 旋转。船模以某一漂角 和舵角 安装在旋臂的某一半径 R 处。试验时船模即以一定的R 、 r 、 、 作定常圆周运动。用多分力天平测量船模给予天平与船模联接点的拘束力，即可求得旋转水动力导数。,将船模所受的粘性水动力表示为： 按照上式对试验结果进行回归，即可求得水动力系数。,第五章船舶操纵性试验,旋臂试验时船模作定常圆周运动，故测定的旋转导数及有关旋转的交叉耦合导数较准确，但当旋转角速度 r 较小时，由于船模本身的质量离心力所占成分大，扣除后可能已在误差范围内，可靠性差。另外RAT不能测定加速度导数，也不能精确测定位置导数

16、。因试验时船模作圆周运动 r0，位置导数只能用外插法求得。 RAT装发设备庞大复杂、用途窄，有被其他费用省、用途多的设备所取代的趋势。,第五章船舶操纵性试验,平面运动机构试验PMM简介,平面运动机构分为：,垂直型平面运动机构,水平型平面运动机构,每一种平面运动机构又可分为大振幅和小振幅两类。,垂直型小振幅平面运动机构 平面运动机构由机械式振荡机构、电机及电控系统和电测系统三部分组成，其概貌见图。平面运动机构的垂直振荡杆可调节振荡振幅、振荡频率，振荡杆下端通过测力传感器与模型连接。当二垂直杆不振荡，模型处于水平状态下，可用于测量模型的阻力。 调节二振荡杆使其同相振荡，造成纯升沉（纯横荡）运动，可

17、测量模型的线速度系数与线加速度系数：,1步进电机； 2齿轮箱； 3偏心机构； 4光电控制装置；5轴承； 6拖车安装架; 7导流罩； 8振荡杆；,由PMM试验确定水动力导数的原理,（1）纯横荡振荡试验 纯横荡振荡运动试验的目的是测量位置导数和线加 速度导数。,使船模的转动角速度 r 和首向角 为0，船模的运动参数方程为： 设测得的约束横向力和力矩为,第五章船舶操纵性试验,式中， ， 为约束力和力矩的幅值； ， 为约束力和力矩与横向位移的相位差。 将式子展开得： (1),第五章船舶操纵性试验,式中 其中， 为拘束力 和力矩 正弦分量的幅值 为 和 余弦分量的幅值,第五章船舶操纵性试验,试验时，一般将原点取在船中，由阿柏科维茨方程，在 对于线性运动有：,第五章船舶操纵性试验,代入船模的运动参数方程可得： (2) 比较(1)(2)两式可得,由纯横荡运动测得 即可求得上述诸水动力导数。 由于斜航试验确定位置导数较准确，故通常只