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船舶动力系统的精细建模与实时控制

一、引言

船舶动力系统是指船舶上负责转换能量的系统，包括主机、传

动系统、舵机和船舶辅助设备。合理的船舶动力系统精细建模和

实时控制可以提高船舶的节能效率、稳定性和航行性能，对保证

航行安全和降低运营成本起到重要作用。本文将从船舶动力系统

的精细建模和实时控制两个方面进行探讨。

二、船舶动力系统的精细建模

精细建模是指将船舶动力系统的各部分进行详细分析，并建立

数学模型。针对不同的系统部分，需要采用不同的数学模型进行

建模。

1、主机

主机是船舶动力系统的核心，也是产生推进力的主要设备。建

立主机数学模型需要考虑多个因素，如燃烧室内的燃烧和燃气膨

胀过程、主机性能和转速曲线等。传统的主机数学模型通常采用

热力学循环模型（如循环图）进行建模，但是该模型只考虑了主

机在定常状态下的工作情况，不能准确地反映主机在动态工况下

的性能。

近年来，基于神经网络和遗传算法的非线性建模方法得到了广

泛应用，该方法可以更准确地刻画主机的非线性特性，并能够考

虑主机在复杂工况下的性能。

2、传动系统

传动系统是将主机转动能量传输到推进器的系统，建立传动系

统的数学模型需要考虑多个因素，如传动结构、传动装置、轴承

和摩擦等。传统的传动系统数学模型通常采用等效转子模型进行

建模，但是该模型只考虑了传动系统在低频工况下的传动性能，

不能很好地反映传动系统在高频工况下的性能。

近年来，基于有限元分析和多体动力学仿真的建模方法得到了

广泛应用，该方法可以更准确地研究传动系统在复杂工况下的传

动特性和振动响应。

3、舵机

舵机是船舶控制的关键部分，建立舵机的数学模型需要考虑多

个因素，如舵叶形状、涡流、舵机姿态和水动力特性等。舵机数

学模型通常采用流体力学模型进行建模，但是该模型只考虑了舵

机的静态水动力特性，不能很好地反映舵机的动态性能。

近年来，基于CFD流体力学仿真和模糊控制算法的建模方法

得到了广泛应用，该方法可以更准确地刻画舵机的水动力特性，

并能够考虑舵机的动态性能和非线性特性。

三、船舶动力系统的实时控制

实时控制是指根据船舶动力系统的实时状况进行控制，以保持

其最佳工作状态。船舶动力系统的实时控制主要包括推进力控制、

稳态控制和动态控制。

1、推进力控制

推进力控制是指根据给定的航行速度和船舶负载情况，合理调

节主机输出功率和传动系统传动比例，以达到船舶的最佳运行状

态。推进力控制需要采用最优化控制算法和PID控制算法进行控

制。

2、稳态控制

稳态控制是指根据船舶航行状态和负载情况，合理调节船舶动

力系统的稳态性能，以确保船舶的稳定性和安全性。稳态控制需

要采用滑模控制算法和神经网络控制算法进行控制。

3、动态控制

动态控制是指根据船舶航行状态和动态特性，合理调节船舶动

力系统的动态性能，以确保船舶的航行性能和稳定性。动态控制

需要采用模糊控制算法和自适应控制算法进行控制。

四、总结

船舶动力系统的精细建模和实时控制是现代船舶技术发展的重

要方向，对提高船舶的节能效率、稳定性和航行性能具有重要作

用。建立合理的船舶动力系统模型和控制算法，可以提高船舶动

力系统的运行效率和稳定性，降低航行中的风险和成本。未来，

随着航行任务的多样化和船舶技术的发展，对船舶动力系统的精

细建模和实时控制会提出更高的要求和挑战。