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目 录1

第一篇 船舶运动数学模型机理建模1

第一章 船舶运动数学模型概论1

1.1动态系统数学模型和仿真1

1.1.1系统1

1.1.2原型和模型1

1.1.3建立动态系统数学模型的方法论2

1.1.4系统数学模型分类2

1.1.5模型化的一般过程5

1.1.6模型化和仿真的关系5

1.2船舶运动数学模型分类及其应用5

1.2.1船舶运动线性模型的应用6

1.2.2船舶运动非线性模型的应用6

1.3.1坐标系统7

1.3船舶运动的坐标系统和运动学7

1.3.2相对于附体坐标系的运动学8

1.3.3相对于惯性坐标系的运动学8

1.3.4两个坐标系内运动学物理量之间的关系9

1.3.5船舶在水平面ooxoyozo内运动情况的分析10

1.3.6船舶四自由度运动学关系11

1.3.7船舶任意运动问题的提法11

1.4刚体动力学应用于船舶任意运动11

1.4.1刚体运动动量定理和动量矩定理11

1.4.2两个应用例子15

1.5作用于船舶上的力，船舶运动模型化的两大流派16

1.5.1作用于船舶上的力的分类16

1.5.2船舶运动模型化的两大流派18

参考文献20

2.1.1刚体惯性力的线性化22

2.1船舶平面运动的线性化数学模型22

第二章 船舶操纵性基础22

2.1.2流体动力的线性化23

2.1.3关于线性流体动力导数的讨论23

2.1.4线性化船舶运动数学模型25

2.2船舶等速直航运动的稳定性27

2.2.1 Lyapunov关于稳定性的定义27

2.2.2船舶前进运动的稳定性28

2.2.3船舶直航运动的稳定性28

2.3船舶回转性32

2.3.1回转圈的特征参数32

2.3.2枢心33

2.3.3回转运动过程分析33

2.3.4定常回转直径的影响因素及估算公式36

2.3.5回转运动的耦合特性40

2.3.6回转运动的实船试验和自航船模试验45

参考文献48

第三章 分离型船舶运动数学模型－－流体动力分析49

3.1分离型船舶运动数学模型建模的基本要求和适用范围49

3.1.1建模的条件和要求49

3.1.2 MMG模型基本形式和船舶流体动力及力矩的构成49

3.2作用于船体上惯性类流体动力和力矩50

3.2.1求作用于船体上惯性类流体动力和力矩的基本假设50

3.2.2势流理论导引51

3.2.3附加动量和附加动量矩52

3.2.4附加质量和附加惯性矩55

3.2.5流体惯性力和流体惯性力矩公式56

3.2.6船舶运动附加质量和附加惯性矩的理论计算59

3.2.7确定船舶附加质量和附加惯性矩的试验法65

3.3作用于船体上粘性类流体动力和力矩68

3.3.1细长体理论69

3.3.2机翼理论73

3.3.3横流模型80

3.3.4粘性类流体动力和力矩的泰勒级数展开81

3.3.5料性类流体动力和力矩的试验确定87

3.4螺旋桨上的流体动力和力矩99

3.4.1敞水螺旋桨的推力和转矩99

3.4.2船体对螺旋桨干涉的流体动力系数－－伴流系数103

3.4.3螺旋桨对船体的干涉流体动力系数－－推力减额系数109

3.4.4螺旋桨流体动力的计算模型112

3.4.5主机控制模型114

3.5作用于舵上流体动力和力矩116

3.5.1舵的几何要素及敞水舵的流体动力特性116

3.5.2影响船后舵的舵力的主要因素分析119

3.5.3考虑船体、螺旋桨对舵的干涉时正压力FN的计算121

3.5.4舵有效来流速度及其描述法122

3.5.5舵有效来流冲角及其描述法133

3.5.6舵对船体的干涉流体动力135

3.5.7作用于舵上流体动力模型137

3.5.8舵机特性计算模型138

参考文献138

第四章 分离型船舶运动数学模型－－总体运动分析141

4.1 MMG模型用于船舶操纵性能预报141

4.1.1船舶操纵性能预报的方法和项目141

4.1.2利用MMG模型进行操纵性能预报的典型方案143

4.1.3附加质量和附加惯性矩的计算145

4.1.4粘性类流体动力和力矩的近似估算法146

4.1.5船舶操纵性能预报之例162

4.1.6考虑横倾耦合的船舶运动数学模型167

4.2.1船舶在浅水域航行时流体运动的物理特征174

4.2浅水域船舶操纵运动数学模型174

4.2.2浅水域船舶运动数学模型177

4.2.3仿真研究用于预报船舶在浅水中的操纵性能188

4.3低速域船舶操纵运动数学模型191

4.3.1低速域船舶操纵运动的特点191

4.3.2低速域船舶运动数学模型193

4.3.3低速域作用在船体上流体动力的模型193

4.3.4低速域螺旋桨的流体动力的模型203

4.3.5低速域舵的流体动力模型205

参考文献207

第五章 整体型船舶运动数学模型211

5.1 Abkowitz数学模型211

5.1.1模型结构形式的讨论211

5.1.2 Abkowitz非线性船舶运动数学模型213

5.1.3仿真研究215

5.1.4 Abkowitz非线性船舶运动数学模型的改进218

5.2 Norrbin数学模型226

5.2.1模型特点226

5.2.2模型右端的讨论226

5.2.3浅水域Norrbin数学模型230

5.2.4仿真研究230

参考文献233

第六章 响应型船舶运动数学模型234

6.1线性响应模型234

6.1.1线性船舶运动数学模型的建立234

6.1.2线性响应模型238

6.1.3线性响应模型的应用241

6.1.4航向稳定性及改善不稳定的措施246

6.2非线性响应模型250

6.2.1船舶速度响应非线性模型250

6.2.2船舶转首运动的非线性响应模型（Ⅰ）253

6.2.3船舶转首运动的非线性响应模型（Ⅱ）256

6.2.4具有大漂角的非线性响应模型258

6.2.5非线性响应模型的应用263

6.3响应模型参数的确定270

6.3.1野本一阶响应模型的参数确定法270

6.3.2频率响应确定法272

6.3.3相平面分析法278

6.3.4寻优确定法287

6.3.5最小二乘确定法289

参考文献292

第七章 船舶运动的干扰力数学模型294

7.1风的干扰力数学模型294

7.1.1风的特性294

7.1.2作用于船体上的平均风压力和力矩的计算296

7.1.3作用于船体上的风压力和力矩的计算302

7.1.4风压力作用下的船舶操纵运动仿真研究304

7.1.5其它有关的研究305

7.2波浪干扰力数学模型306

7.2.1不规则波浪的数学描述306

7.2.2波浪干扰力和力矩的计算模型324

7.2.3二阶波浪漂移力和力矩338

7.2.4波浪干扰力作用下船舶操纵运动仿真例342

7.3流的干扰力数学模型349

7.3.1均匀流作用于船舶上流体动力模型350

7.3.2不均匀流作用于船舶上流体动力模型352

7.3.3不均匀流场的环境模型354

7.3.4不均匀流中船舶操纵运动仿真例356

参考文献358

8.1.1船舶操纵模拟器的发展由来360

8.1船舶操纵模拟器的发展概况、构成及用途360

第八章 船舶操纵模拟器360

8.1.2船舶操纵模拟器的发展概况361

8.1.3船舶操纵模拟器的基本构成364

8.1.4船舶操纵模拟器的主要用途367

8.2船舶操纵模拟器的技术要点368

8.2.1船舶运动数学模型368

8.2.2视景成像和投影技术369

8.2.3 CGI系统及其展望370

参考文献371

第二篇 船舶运动数学模型辨识建模373

第九章 船舶运动数学模型辨识基础373

9.1模型辨识的基本知识373

9.1.1辨识的定义373

9.1.3辨识实验设计374

9.1.2船舶模型辨识374

9.1.4数据预处理375

9.1.5模型检验376

9.1.6辨识算法检验376

9.1.7过程辨识的应用377

9.2 Kalman滤波器377

9.2.1确定性系统与随机系统377

9.2.2滤波、预报和平滑379

9.2.3多维正态随机过程导引380

9.2.4状态估计准则和最优状态估计基本公式383

9.2.5 Kalman滤波公式384

9.2.6 Kalman滤波公式的简化证明386

9.2.7时变系统的Kalman滤波器388

9.2.8预报形式的Kalman滤波器389

9.2.9连续系统的Kalman滤波器389

9.3.1一个一维系统的EKF滤波问题的提法390

9.3扩展的Kalman滤波器390

9.3.2 EKF处理方法391

9.3.3连续-离散系统的EKF［10］392

9.4 Kalman滤波器的稳定性和收敛性393

9.4.1 Kalman滤波器的稳定性393

9.4.2 Kalman滤波器的收敛性394

9.4.3改善Kalman滤波器收敛性的方法395

参考文献396

第十章 EKF用于船舶模型辨识397

10.1概 述397

10.1.1海试目的397

10.1.2模型参数的可辨识性397

10.1.3如何提高参数辨识的准确性399

10.1.4三种强度不同的海上试验400

10.2.1被辨识的系统模型401

10.2用EKF算法辨识船舶运动数学模型的参数401

10.2.2辨识算法及其仿真验证402

10.2.3用EKF算法对ESSOOSAKA实船数据进行参数辨识403

10.2.4用预报误差验证模型结构的正确性404

10.2.5关于Abkowitz模型方程形式的改变404

10.3参数漂移与动力相消问题405

10.3.1参数漂移与动力相消现象405

10.3.2解决辨识中参数漂移及动力相消问题的方法406

参考文献407

第十一章 ML法用于船舶模型辨识408

11.1 ML辨识算法的一般原理408

11.1.1系统模型描述408

11.1.2极大似然辨识原理408

11.1.3实际的ML辨识算法408

11.2.1实船试验设计413

11.2 ML方法在船舶模型辨识中的应用413

11.2.2辨识算法程序414

11.2.3牛顿运动方程型模型参数的辨识414

11.2.4传递函数形式的船舶模型辨识422

参考文献423

第十二章 RPE法应用于船舶运动模型辨识425

12.1 RPE的理论基础425

12.1.1系统模型425

1 2.1.2量测数据425

12.1.3输出预报误差425

1 2.1.4由Kalman滤波器计算ε(k,θ)426

1 2.1.5参数估计的性能指标426

1 2.1.6参数估计的递推公式426

12.1.7确定性问题的优化方法427

1 2.1.8随机问题的优化方法428

1 2.2.1随机梯度的计算429

12.2状态空间模型的Gauss-Newton递推参数估计算法429

12.2.2Hessian阵的计算430

12.2.3加权矩阵∧(K)的确定430

12.2.4 Gauss-Newton参数估计算法小结之一431

1 2.2.5 Gauss-Newton参数估计算法小结之二431

12.3 RPE辨识算法的实现433

1 2.3.1两种参数化方案433

12.3.2新息型模型的RPE算法实现434

12.3.3一般状态空间模型的RPE算法实现435

12.4 RPE辨识算法应用于船舶模型辨识438

12.4.1 RPE算法的推广－－线性系统438

1 2.4.2应用于线性船舶模型的辨识439

12.4.3 RPE算法的推广－－非线性系统440

1 2.4.4应用于非线性船舶推进系统模型辨识442

参考文献443