基于KT方程的大型散貨船操縱運(yùn)動(dòng)計(jì)算

王鎧 牛百龍

摘 要：基于野本一階控制運(yùn)動(dòng)原理，結(jié)合駕引人員實(shí)際操舵策略計(jì)算大型散貨船操縱運(yùn)動(dòng)。結(jié)果表明，該方法具有一定的準(zhǔn)確性，可為船舶安全航行提供理論依據(jù)和技術(shù)保障。

關(guān)鍵詞：散貨船 操縱運(yùn)動(dòng) 控制策略 安全航行

隨著航運(yùn)事業(yè)的發(fā)展，船舶朝著大型化、高速化、智能化方向發(fā)展。大型船舶航行時(shí)，具有很大的慣性，船舶操控難度較大。由于航運(yùn)量的不斷增大，船舶航行密度越來越大，航行的安全性得到人們的日益重視。因而，采用控制理論和技術(shù)，研究船舶的操縱運(yùn)動(dòng)，特別駕引人員操舵策略下船舶運(yùn)動(dòng)響應(yīng)對(duì)于保證船舶安全航行有著重要的意義。

傳統(tǒng)的研究方法，如實(shí)時(shí)模擬，主要通過大型視景全功能船舶操縱模擬實(shí)現(xiàn)，即讓有一定船舶操縱經(jīng)驗(yàn)的駕引人員在模擬器所設(shè)置的環(huán)境中實(shí)時(shí)操縱通航設(shè)計(jì)中的代表船舶，最后根據(jù)多人次模擬的結(jié)果給出論證結(jié)果。由于這種研究方法耗時(shí)和投資大。本文結(jié)合引航實(shí)際工作，通過一艘大型散貨船實(shí)船操作數(shù)據(jù)，基于KT方程計(jì)算出船舶運(yùn)動(dòng)軌跡。

基本方法

日本學(xué)者野本謙作通過大量的實(shí)船試驗(yàn)，認(rèn)為船舶的受控運(yùn)動(dòng)基本上是一個(gè)質(zhì)量很大的物體在慣性力矩、阻尼力矩和舵力作用下進(jìn)行的一種緩慢的轉(zhuǎn)首運(yùn)動(dòng)。在這種情況下對(duì)于單純因改變舵角而引起的各種操縱運(yùn)動(dòng)，可看作是對(duì)“輸入”舵角的響應(yīng)而產(chǎn)生的“輸出”操縱運(yùn)動(dòng)，因此船舶運(yùn)動(dòng)具有低頻特征。在低頻下由舵角到航向角之間的模型簡(jiǎn)化為式1，即野本（Nomoto）模型。

(1)

式中K，T即通常說的操縱性指數(shù)，可以通過實(shí)船Z形操舵試驗(yàn)的數(shù)據(jù)計(jì)算得到。?追為船舶與目標(biāo)航向的偏差，即偏航角，表示偏航角變化率，即船舶轉(zhuǎn)動(dòng)角速度（Rate of turning ）。

從上述模型出發(fā)，不難畫出船舶操舵控制原理如圖1所示。其中的控制器，可以是常用的人的大腦、PID控制器等?？刂破髦饕ㄟ^反饋的航向信息（如偏航角大小及其變化率）輸入給控制器，經(jīng)過運(yùn)算得到相應(yīng)的舵角，以實(shí)現(xiàn)對(duì)船舶航向的控制。

實(shí)船數(shù)據(jù)

計(jì)算船舶的原型為意大利籍散貨船“尤麗愛娃”。船舶尺度與實(shí)測(cè)K,T指數(shù)如表1所示，控制對(duì)象船舶動(dòng)力模型如式（1）所示。

根據(jù)引航時(shí)實(shí)測(cè)，在30秒處給出轉(zhuǎn)向5度和10度轉(zhuǎn)向命令，舵工操舵情況如下表2和表3所示。

計(jì)算結(jié)果

1、航向響應(yīng)

根據(jù)控制方程，和表2和表3中的輸入數(shù)據(jù)，可計(jì)算出得駕引人員操舵后的船舶5度和10度時(shí)轉(zhuǎn)向船首向的變化趨勢(shì)如圖2、圖3、圖4所示。

2、軌跡分析

根據(jù)計(jì)算，5度和10度人工操作轉(zhuǎn)向船舶偏航距離分別為25.3米和43米。綜合考慮船寬，航跡帶寬度分別為：76.4米和112.9米。在轉(zhuǎn)向過程中，船舶重心軌跡如圖5和圖6。

對(duì)比引航的實(shí)際經(jīng)驗(yàn)和上述各圖中各計(jì)算，計(jì)算精度較好。因?yàn)?，在海況較好的情況下，小角度轉(zhuǎn)向，KT方程可以很好用于實(shí)際計(jì)算。

結(jié)論

通過大型散貨船的實(shí)船操縱運(yùn)動(dòng)計(jì)算研究，筆者發(fā)現(xiàn)：基于野本一階方程的船舶運(yùn)動(dòng)計(jì)算，可有效地應(yīng)用于駕引人員小角度轉(zhuǎn)向時(shí)的船舶艏向變化和軌跡演變，這對(duì)于實(shí)際駕引船舶可以起到很好的指導(dǎo)作用，同時(shí)也可為港口航道設(shè)計(jì)、事故回演和機(jī)理探索、優(yōu)秀引航經(jīng)驗(yàn)的歸納總結(jié)等工作提供重要的技術(shù)手段。

(作者單位：營(yíng)口引航站)