摘 要

上世纪末以来，喷水推进作为一种特种推进方式，凭借其优良的机动性、操纵性等诸多优点，在高速高性能船舶上的应用越来越多。考虑到喷水推进器的特殊结构，传统船舶推进控制系统不能完全发掘出喷水推进船的优秀操纵性能，而操作简单、高效的矢量控制技术能更好地发挥喷水推进船艇在操纵性方面的潜在优势。而目前喷水推进矢量控制系统的研究还不成熟，国内外相关研究较少。因此，对喷水推进船舶矢量控制系统的研究是有紧迫性的。

本文针对喷水推进船舶矢量控制系统研发中推力矢量与运转参数对应关系这一问题开展研究。首先，分析了船艇运动矢量控制和喷水推进船舶矢量控制的研究现状和发展趋势。接着，针对某装船的喷水推进器，使用CFD软件Star-ccm 计算了单个喷水推进器在不同运转参数（转速、转向角和倒车斗收放角等）下的推力矢量。然后，开展了喷水推进船舶在给定运动要求时两个喷水推进器的推力分配方法研究。综合以上工作，建立了相关数学关系式，用于求解出设定目标推力矢量下两个喷水推进器各自的运转参数。最后，通过编写MATLAB程序，运用最小极值函数fmincon等工具，开展了不同工况下喷水推进船舶单手柄矢量控制的仿真计算，并根据仿真结果分析了本文矢量控制方程与运转参数求取结果的合理性。

通过以上研究，首先，建立了双喷水推进器船舶运动的数学模型，并据此构建了双喷水推进器船舶的推力分配优化方法。然后，结合对单个喷水推进器推力性能CFD计算结果的分析，建立了单个喷水推进器推力矢量与运转参数对应关系的数学关系式，并在此基础上提出了根据手柄操纵输入的目标推力矢量求解喷水推进器运转参数的方法。一方面，建立的双喷水推进器船舶的推力分配优化方法可以为多喷水推进器船舶的推力分配优化方法的构建提供参考。再者，本文提出的构建单个喷水推进器推力矢量与运转参数对应关系数学关系式，并据此确定与目标推力矢量对应的喷水推进器运转参数的方法，在喷水推进船艇矢量控制研究方面具有一定的普适性。概括来说，本文的研究可以为喷水推进船艇矢量控制系统的研发提供一些理论参考。

关键词：喷水推进；矢量控制系统；推力矢量；运转参数

Abstract

Since the end of the last century, waterjet propulsion, with its excellent flexibility and maneuverability, has been applied more and more on high-speed and high-performance ships as a special propulsion method. it has .Considering the special structure of the water jet propeller, the traditional ship propulsion control system can not fully excavate the excellent maneuverability of the water jet propulsion ship, and the simple and efficient vector control technology can better excavate the potential advantages of waterjet propulsion boats in maneuverability. At present, the research on water jet propulsion vector control system is still immature, and there are few related researches at home and abroad.Therefore, it is urgent to study the water jet propulsion ship vector control system.

This paper studies the relationship between thrust vector and operating parameters in the development of waterjet propulsion ship vector control system.Firstly, the research status and development trend of ship motion vector control and water jet propulsion ship vector control are analyzed.Then, for a ship's waterjet propeller, the CFD software Star-ccm was used to calculate the thrust vector of a single waterjet propeller under different operating parameters (rotation speed, steering angle and retracting angle).Next, the research on the thrust distribution method of the two water jet propellers when the water jet propulsion ship meets the motion requirements is carried out.Based on the above work, the relevant mathematical relations are established, and the operating parameters of the two water jet propellers under the set target thrust vector are calculated according to the obtained mathematical relationship.Finally, by writing the MATLAB program and using the minimum extremum function fmincon and other tools, the simulation calculation of the single handle vector control of the waterjet propulsion ship under different working conditions is carried out. According to the simulation results, the rationality of the results of vector control equations and operating parameters obtained in this paper is analyzed.

Through the above research, firstly, the mathematical model of the dual-jet water propulsion ship motion is established, and the thrust distribution optimization method of the double-jet water propeller ship is constructed accordingly..Then, combined with the analysis of the CFD calculation results of the thrust performance of a single waterjet propeller, the mathematical relationship between the thrust vector of the single waterjet thruster and the operating parameters is established. Based on this, a method for solving the operating parameters of the water jet propeller according to the target thrust vector of the handle manipulation input is proposed.On the one hand, the proposed thrust distribution optimization method for dual-jet propulsion vessels can provide reference for the construction of thrust distribution optimization methods for multi-jet water propeller ships.Furthermore, the method, which first constructs the mathematical relationship between the thrust vector of the single waterjet thruster and the operating parameters, and then determines the operating parameters of the waterjet propeller corresponding to the target thrust vector according to the obtained mathematical relationship, proposed in this paper has certain universality in the research of water jet propulsion boat vector control.In summary, the research in this paper can provide some theoretical references for the development of waterjet propulsion boat vector control system.

Key Words: waterjet propulsion; vector control system; thrust vector; operating parameters

目 录

第1章 绪论 1

1.1 研究目的与意义 1

1.2 国内外研究现状 2

1.2.1 船艇运动矢量控制研究现状 2

1.2.2 喷水推进船艇矢量控制研究现状 3

1.3 本文主要研究内容 4

第2章 喷水推进器推力性能CFD计算 5

2.1 计算流体力学简介 5

2.2 喷水推进器推力CFD计算方法 6

2.2.1 几何模型 6

2.2.2 网格划分 7

2.2.3 计算模型 9

2.2.4 计算工况 9

2.3 喷水推进器推力CFD计算结果分析 19

2.3.1 计算结果 19

2.3.2 结果分析 21

第3章 喷水推进艇矢量控制数学模型 29

3.1 喷水推进船艇矢量控制简介 29

3.2 推力分配优化方法 30

3.2.1 喷水推进船艇运动数学模型 30

3.2.2 推力分配优化 31

3.3 喷水推进器运转参数优化确定 32

3.3.1 单个喷水推进器推力与运转参数的数学模型 32

3.3.2 喷水推进器运转参数的确定 36

第4章 喷水推进船艇运动矢量控制仿真分析 38

4.1 仿真方法 38

4.2 仿真结果分析 39

第5章 结论与展望 43

5.1 研究总结 43

5.2 下一步工作展望 43

参考文献 45

致 谢 47

第1章 绪论

1.1 研究目的与意义

作为一种特殊的推进装置,最早在十八世纪末,喷水推进器就应用于船舶推进^[1]。在喷水推进器技术3个多世纪的发展历程中，大致经历了液泵式喷水推进、间歇式喷水推进、底板式喷水推进、尾板式喷水推进和舷侧喷水推进5个阶段。虽然比起螺旋桨推进，喷水推进专利的发明要早19年，但直到20世纪六十年代以后这种特种推进技术才开始被重点研究^[2]，并且在近30年的时间里得到了巨大的发展。目前，尾板式喷水推进已成为船舶喷水推进的首选方式。本文的研究对象也是采用的尾板式喷水推进。

喷水推进器动力装置一般由发动机及传动装置、推进水泵、流道、转向机构和倒车斗等组成。相对于螺旋桨推进，喷水推进具有高航速时推进效率高、机动性和操纵性好、适应变工况能力强、附体阻力小、吃水浅、水下声辐射小等优点。

20世纪后期以来，以超高速客货船（Techno Super Liner）、表面效应舰艇（Surface Effect Ship）、水翼艇以及高速渡轮等高性能船舶为代表的水上运输高速发展，喷水推进系统凭借优越的抗空化特性等水力性能以及结构特性，适用及需求范围越来越广。近年来，世界各国军事力量发展迅速，为了适应各种新的作战需求，对海上战斗力的要求更加严格，军用船舶要求具有更高的航速、更优的操纵性、优异的隐身性、高度自动化控制等。喷水推进装置因其众多优点，在国内外的高速后勤运输补给舰、高速登陆艇、高速攻击艇、濒海战斗舰艇、护卫舰等军用舰艇上得到了较多的应用。对喷水推进技术开展相关研究，有利于其在民用船舶和军用船舶上的推广应用。

不论是在经济领域还是在军事领域，现代船舶都在朝着大型化、高速化、高性能化发展。与此同时，对船艇运动的控制要求也越来越高。在航行过程中，船舶不仅需要克服各种外界扰动（风、浪、流等）来保持既定的航速、航向，有时还需依据具体情况改变航向、航迹和速度，因此需要配备性能优良的操控系统来实现船舶的灵活操纵。喷水推进船舶具有优异的操纵性潜力，安装多套喷水推进器的船舶具有实行船体平移等各种复杂机动操纵的能力。但采用舵轮和转速手柄等的传统船舶控制系统进行复杂机动操纵的操作难度大，对船员操作技能的要求很高，操作效率差，人为因素导致操作失误的可能性也较大，难以充分挖掘喷水推进船舶在操纵性与机动性方面的潜力。结合喷水推进工作原理和水动力特性，采用现代控制技术，开发喷水推进船艇运动操纵的矢量控制技术，能够降低喷水推进船艇复杂运动操纵的操作难度、提高操纵效率，可以充分发挥喷水推进船舶在机动性和操纵性方面的优势，并且尽量降低操作失误带来的安全隐患。喷水推进船舶运动矢量控制技

术研究越来越受到世界重视。

本文结合喷水推进船舶机动操纵矢量控制系统研发这一背景，开展了喷水推进器推力矢量与运转参数对应关系的相关研究。首先，分析了船艇运动矢量控制和喷水推进船舶矢量控制的研究现状和发展趋势。接着，针对某装船的喷水推进器，通过CFD软件Star-ccm 计算单个喷水推进器在不同运转参数（转速、转向角和倒车斗收放角等）条件下的推力矢量。然后，根据计算结果对单个喷水推进器的推力矢量进行了数学建模，将单个喷水推进器推力矢量与运转参数对应关系回归成数学关系式。在此基础上，对喷水推进船舶运动过程的推力分配方法进行了研究，并结合喷水推进器推力与运转参数之间的关系，建立了矢量控制模型。最后，采用MATLAB 仿真计算和分析了本文建立的矢量控制相关方式和方法的可行性。论文研究可为喷水推进船艇矢量控制系统的研发提供一定的技术参考。

1.2 国内外研究现状

1.2.1 船艇运动矢量控制研究现状

总体来说，船艇的运动控制系统越来越自动化、智能化。船艇运动矢量控制技术因其简化操作的作用、自动化程度高的特点，越来越受到重视。虽然船舶运动控制系统朝着自动化智能化发展，但是受限于现有技术，采用单/双手柄操纵的船舶运动矢量控制系统在船舶上的应用还不是特别多。但是矢量控制的思想与方法还是在船舶运动控制中发挥越来越大的作用，特别是在船舶动力定位系统上应用较多。

动力定位系统（Dynamic Position System，DPS）是一个闭环的控制系统^[3]，控制器根据测量系统得到的信号来控制推力器系统抵抗风、浪、流等对船艇的作用力，使其保持在一定的位置或运动轨迹上。动力定位系统虽然与矢量控制由人来发出操纵指令不同，是由控制器自行发出控制指令，但其核心依然与矢量控制相同。

目前，国内研发的船舶动力定位系统相对低端，主要依赖进口。动力定位产品基本被国外的Kongsberg Simard、Alstom、Nautronix等公司垄断。在这方面近些年国内也开展了大量的研究，技术水平不断得到提升，应用也日趋增多。

霍桂利^[4]对船舶动力定位技术进行了系统的研究，针对船舶动力定位系统建立了数学模型，并设计了一种精度较高的定位控制器，验证了其有效性。文武等^[5]研究了动力定位船舶在推力分配中桨-桨之间的水动力干扰问题，并基于二次规划算法改进了避免桨-桨干扰的策略。谢朔等^[6]为实现船舶操纵性的在线预报及自适应运动控制，针对 Nomoto 二阶非线性运动模型参数辨识问题，将最小二乘支持向量机（LSSVM）与多新息方法相结合，提出一种新的多新息在线 LSSVM 辨识建模方法，预报的拟合误差可达到4.76%以下，能

准确拟合船舶操纵运动模型。陈俊等^[7]针对目前船舶循迹控制中要求速度保持恒定而无法快速消除横向偏差这一问题，在控制器设计中同时考虑横向偏差和速度控制，提出了一种基于LOS（line-of-sight）的船舶变速循迹控制方法，根据横向偏差及其变化率调整船舶速度，使船舶更快地达到预设路径。我国武汉理工大学和上海交通大学在分别提出了一种船舶动力定位控制方法^[8]和一种船舶动力定位推力分配智能优化方法。

1.2.2 喷水推进船艇矢量控制研究现状

喷水推进船舶的发展趋势与其他船舶一致，其控制系统也朝着自动化与智能化发展。矢量控制技术能够充分发掘喷水推进在操纵性与机动性方面的潜力，国内外相关研究逐渐增多。目前国外喷水推进矢量控制技术比国内要先进。

国外的MJP公司、Kamewa公司、Wartsila公司、Hamilton公司等著名的喷水推进器制造商针对不同的喷水推进产品，相应地研发设计了配套的矢量控制系统。另外，早在上个世纪末，S Voulon和A F Wesselink^[9]就讨论了低速喷水推进快速渡轮的机动性的各种影响因素，并提出为了实现喷水推进渡轮的快速靠泊操作，快速渡轮必须配备操纵增强装置，例如操纵杆，单杆控制系统。KW Fadeley等^[10]总结了早期喷水推进船舶控制系统的特点，系统地介绍了喷水推进器及其控制系统的结构和原理。总体来说，国外针对喷水推进各方面研究起步比国内要早，喷水推进矢量控制方面也一样，并且一直保持着领先地位。但国外的喷水推进矢量控制技术主要掌握在推进器厂商内部，并未将关键技术对外公开发表。

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