基于谱估计方法的船舶纵向运动建模预报研究

论文摘要

在实际工程中存在着大量的非线性系统,所以对非线性系统的研究有着非常重要的意义,非线性系统的建模预报是其应用的一个重要方面。船舶运动预报就是根据历史数据的特点,估计出一段时间后的船舶运动状态,提前对船舶姿态做出调整,使船舶尽量保持平衡,有利于船舶的适航性和船员的适居性。船舶减摇是船舶与海洋工程的重要课题之一。从国内外的情况来看,减横摇的技术已经日趋成熟并逐步走向完善,而减纵摇的问题还没有得到很好的解决。如果能够找到有效的减纵摇方法,对于舰载飞机起降、船舶安全性等都是十分有意义的。本文针对船舶纵向运动,对船舶运动建模及预报进行研究。首先,应用切片理论建立了在随机海浪作用下的船舶纵向运动水动力数学模型,分析了运动模型的系统稳定性。应用谱拟合方法,建立了海浪扰动成形滤波器,对海浪扰动力及扰动力矩进行了建模。将海浪扰动成形滤波器作为船舶纵向运动系统的一部分,建立了船舶增广纵向运动方程,求解方程产生了船舶纵向运动,分析了船舶纵向运动潜周期性。由于海浪是典型的平稳随机过程,同时它又具有较强的相关性和周期性,受海浪扰动力的船舶运动姿态也有一定的周期性,因此可以用一系列的周期序列项来描述船舶运动。采用平滑周期图算法对海浪干扰下的船舶纵向运动进行建模预报,并进行预报仿真研究。仿真结果说明了平滑周期图建模预报方法的可行性。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题来源、背景和意义
• 1.2 船舶运动建模预报的研究与发展现状
• 1.3 本文所做主要工作
• 第2章 船舶纵向运动分析
• 2.1 坐标系
• 2.2 船舶运动方程及受力分析
• 2.2.1 船舶运动建模简介
• 2.2.2 切片理论与船舶运动建模概念
• 2.2.3 船舶运动方程
• 2.2.4 船舶运动受力分析
• 2.3 船舶纵向运动分析
• 2.3.1 船舶纵向运动微分方程
• 2.3.2 船舶纵向运动连续系统状态方程
• 2.3.3 船舶纵向运动离散系统状态方程
• 2.3.4 纵向运动状态空间方程稳定性的判定
• 2.4 本章小结
• 第3章 基于增广方程的船舶纵向运动
• 3.1 随机海浪扰动特性
• 3.2 海浪谱分解
• 3.2.1 海浪谱分解
• 3.2.2 海浪谱公式
• 3.3 海浪信号仿真
• 3.3.1 基于海浪加权平均的船舶受扰估计
• 3.3.2 经典功率谱估计
• 3.3.3 平稳随机过程作用下的线性系统分析
• 3.3.4 海浪扰动成形滤波器
• 3.4 基于增广方程的船舶纵向运动
• 3.5 本章小结
• 第4章 周期图及平滑周期图算法
• 4.1 问题的提出
• 4.2 周期图的引入
• 4.3 周期图算法
• 4.4 周期图算法的性能分析
• 4.4.1 周期图估计的平均值
• 4.4.2 周期图谱估计的方差
• 4.4.3 谱分辨率与“谱泄露”
• 4.5 平滑周期图算法
• 4.5.1 窗函数法
• 4.5.2 平均法
• 4.5.3 Welch法
• 4.6 本章小结
• 第5章 基于平滑周期图法对船舶运动的建模预报
• 5.1 平滑周期图法建模预报的步骤
• 5.2 平滑周期图法建模预报应考虑的因素
• 5.3 平滑周期图法在建模预报中的实现
• 5.3.1 原始数据
• 5.3.2 仿真结果
• 5.4 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表的论文和取得的科研成果
• 致谢
• 附录A 基于增广方程的船舶纵向运动仿真程序
• 附录B 船舶纵摇运动建模预报程序