海浪干擾對船舶航向影響規律研究*

葉 松 陳永冰 周 崗 鐘 斌

(1.海軍工程大學 武漢 430033)(2.海軍工程大學電氣工程學院 武漢 430033)

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海浪干擾對船舶航向影響規律研究*

葉 松1陳永冰2周 崗2鐘 斌2

(1.海軍工程大學 武漢 430033)(2.海軍工程大學電氣工程學院 武漢 430033)

在現有海浪研究的基礎上,以國際電工委員會制定的航跡控制系統性能標準(IEC)62065提供的艦船運動模型為基礎,模擬分析不同等級海況,不同類型船舶,不同航行條件下的航向角變化情況,證明了航向角在海浪干擾下的變化存在周期性,并總結出噸位、速度等對航向角變化的影響規律。為研究海浪干擾條件下的船舶操縱規律,優化操舵控制打下基礎。

海浪; 航向控制; 運動模型

Class Number U666

1 引言

據統計,海面大約70%的時間里有大小不同的海浪發生[1],海浪是影響船舶航行的外界條件中最大的因素。在海浪的作用下,船舶會產生艏向的搖擺,進而造成航向的偏差。為了抵消包括海浪在內的各種因素對航向造成的偏差,使船朝著固定航向運行,操作時只能通過頻繁的打舵來補償外界因素引起的航向角振蕩。但海浪本身是具有周期性特點的,其對船舶航向的影響也應具有一定周期性,而頻繁打舵就會造成大量的無效控制,加大了舵機的機械磨損,同時也會造成艦船實際航程的增加,并相對降低了船速,增加了燃料消耗,降低了艦船航行的經濟性。因此,充分研究海浪對船舶航向影響的規律性,對于提高操舵效率,改進船舶操控效果有著重要的意義。本文通過對不同類型船舶在不同海況下的航向模擬,得出海浪干擾對航向控制的基本規律。

2 海浪干擾模型建立

2.1 海浪的基本理論

海浪是自然界的一種隨機現象[2],影響海浪的因素很多,即使在同一條件下,其呈現的波浪也不是完全確定的,如波高和周期等波浪的特征值都是隨意變化的。對于這種隨機現象,欲尋找在某一定時刻、一定地點波浪的具體特征值是不可能的,也是無意義的。因此在進行海浪的研究時,要通過利用對海洋的大量觀測分析得出的統計規律,進行近似的研究。

海況級是對海面不平程度的一種定量的描述,按波高的大小分為10級,0級最小,9級最大。波高級根據有義波高來劃分,1/3有效波高的定義是[3]:在連續時間內,對每100個隨機波浪按其瞬時波高從大別小排列,求出前1/3部分最大瞬時波高的平均值,此即稱為有效波高。根據1/3有效波高在浪級表中所處的位置,查表可得到相應的海況級。

2.2 海浪干擾模型建立思路

在航向控制過程中[4],操舵系統通過電羅經不斷地把傳來的實際航向與設定航向相比較,以獲得相應的控制信號來控制舵機適時的轉舵,通過對舵角的控制來實現對船舶的控制。因此航向的變化角度及速度主要決定于自動舵舵角的變化。而海浪的干擾作用[5],主要體現在海浪作用于船舶舵葉,產生附加的轉舵力矩,使得力矩發生變化,進而影響船舶轉舵。因此,在建立海浪的干擾模型時,基本的思路就是將海浪的擾動結果等效到自動舵舵角上,通過附加舵角的形式研究船舶航向的變化規律。

2.3 海浪干擾模型的建立方法

船舶運動數學模型[6]是以船舶運動仿真與控制為核心,在研究航向變化時,采用國際電工委員會制定的航跡控制系統性能標準[7](IEC)62065提供的運動模型,其航向模型的表達式為

(1)

H=H0(ss)*(1+Hr*Randb)*AH0(ss)

(2)

代表海浪的1/3波高。Randb代表一個隨即產生的,范圍在[0,1]之間的數。A代表隨周期產生的-1或1,用來體現海浪的方向。

表1 道氏波級表[8]

海浪的方向變化快慢體現在海浪的周期上[8],每周期海浪的方向變化兩次,其半周期即為方向改變的周期T。

相應的H0(ss)及周期T與海浪等級的對照表可在表1查到。

3 仿真對比

選取兩種典型船進行航向的仿真,典型船的相關參數如表2所示。

表2 兩種典型船型的主要參數[10]

分別對兩種船型在10個等級的海浪下的航向角與舵角的關系進行模擬,選取典型圖對比如下文如示。

3.1 低等級海浪條件,不同噸位船的航向角干擾比較

第一組,選取A類船和B類船,設置2級海浪,舵角為0°,航向模擬圖如圖1所示。

圖1 2級海浪條件下,A、B兩種船型航向角變化

分析:從圖1可以看出,在海浪等級較低時,船在航行過程中,受到海浪的干擾,體現出了航向變化的周期性,但海浪干擾下航向變化的幅值較小,船基本能夠按照既定航向航行。

3.2 高等級海浪條件,不同噸位船的航向角干擾比較

第二組:選取A類船和B類船,設置分別設置4級,7級,9級海浪,舵角為0°,航向模擬圖如如圖2～圖4所示。

圖2 4級海浪條件下,A、B兩種船型航向角變化

圖3 7級海浪條件下,A、B兩種船型航向角變化

圖4 9級海浪條件下,A、B兩種船型航向角變化

海浪等級對比參數A型船B型船4級海況頻率(Hz)0.1830.177幅值(°)2.461.247級海況頻率(Hz)0.1030.103幅值(°)25.0012.509級海況頻率(Hz)0.0670.067幅值(°)84.5050.00

由表3中數據可以分析得,在海浪等級較高時,船在航行過程中,海浪對航向的影響較大,航向變化體現出明顯的周期性振蕩。相比較可以看出,在相同海浪等級的情況下,噸位越大的船,其航向角在海浪的影響下,振動幅值越小。而噸位較小的船則出現相對較大的振動幅值。在同級別海浪下,兩種船型航向角的振動頻率是近似相同的。

3.3 不同船速下A類船的航向角干擾比較

第三組:選取A類船,設置5級海浪,船速取15kn與30kn,航向模擬圖分別如圖5～圖6所示。

圖5 5級海浪條件下,A船不同速度下航向角變化

圖6 7級海浪條件下,A船不同速度下航向角變化

海浪等級對比參數15節航速30節航速5級海況頻率(Hz)0.1410.141幅值(°)5.916.257級海況頻率(Hz)0.1000.103幅值(°)26.2425.35

通過表4可以看出,在船型,外界海浪干擾相同的情況下,在IEC62062標準下,航向角受海浪的干擾幅度及頻率與船速的大小沒有明顯的關系。受擾頻率只與海浪自身的頻率有關。

4 結語

針對海浪對船舶航向影響問題,文中討論了等效到舵角上的海浪擾動數學模型,并選取兩類典型船,確定相應的參數數值,用Matlab仿真了不同海浪等級下航向的變化曲線。討論了在艦船噸位、航速不同的情況下,航向對海浪干擾的變化特點。對比仿真圖可得出,一定海浪等級條件下,海浪對于航向的干擾確實存在周期性的特點。通過進一步研究海浪干擾的周期性以及其與航向操縱變化的關系,可以實現對操舵控制的優化,減少無效舵的產生,提高控制的精度,減少機械損耗。

[1] 許景波,邊信黔,付明玉.隨機海浪的數值仿真與頻譜分析[J].計算機工程與應用,2010,46(36):226-229.

[2] 劉維亭,張冰,王建華.海浪的模擬仿真[J].華東船舶工業學院學報,1999,13(6):6-9.

[3] 朱洪華,蔡建立.不規則海浪的仿真[J].人工智能及識別技術,2007:202-203.

[4] 劉勇,李文魁,陳永冰,等.基于航向自動舵實船環境模擬的海浪擾動模型研究[J].海軍工程大學學報,2002,12(5):60-66.

[5] 李殿璞.船舶運動與建模[M].北京:國防工業出版社,2008,292-293.

[6] 賈欣樂,楊鹽生.艦船運動數學模型[M].大連:大連海事大學出版社,1999:1-2.

[7] 國際電工委員會62065標準—航跡控制系統,操作和性能要求,測試方法和要求的測試結果[S].2002.

[8] 李瑞麗.海浪周期關系的研究[J].海洋湖沼通報,2007:13-18.

[9] 梁宵,李巍.艦船操縱性與耐波性[M].大連:大連海事大學出版社,2012:118-119.

[10] 國際電工委員會11674標準,船舶和海上技術艏向控制裝置[S].

Effect of Waves Interference on Ship Course

YE Song1CHEN Yongbing2ZHOU Gang2ZHONG Bin2

(1. Naval University of Engineering, Wuhan 430033) (2. Department of Electrical Engineering, Naval University of Engineering, Wuhan 430033)

On the basis of the existing research on the waves, the ship motion model provided by International Electrotechnical Commission (IEC) 62065 is used to simulate and analyze the heading angle changes under different levels of sea conditions, different types of ships, different sailing conditions. It proves the existence of a periodic change in the heading angle of wave interference, and sums up the tonnage, speed and other effects of heading angle changes in the law. It lays foundation for the study of law of ship maneuvering under the waves interfere, optimization of steering control.

waves, heading control, motion model

2014年7月5日,

2014年8月23日

葉松,男,碩士研究生,研究方向:艦船組合導航與操舵控制。陳永冰,男,博士,教授,研究方向:艦船組合導航與操舵控制。

U666

10.3969/j.issn1672-9730.2015.01.016