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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