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出版者:中国建筑工业出版社

作者:伍悦滨

出品人:

页数:297

译者:

出版时间:2006-2

价格:26.00元

装帧:简裝本

isbn号码:9787112076765

丛书系列:

图书标签:

• 自然科学
• 数学力学热学
• 建筑环境与能源应用工程
• 建筑技术
• 流体力学
• 工程
• 物理
• 数学
• 机械
• 水力学
• 气力学
• 传热
• 流体动力学
• 计算流体力学

船舶动力学与控制 本书深入探讨船舶在水介质中的运动规律、外部载荷的识别与分析，以及如何通过先进的控制技术来实现船舶姿态的精确调控与航行状态的最优化。 第一部分 船舶动力学基础 本部分将从牛顿力学和欧拉方程出发，建立描述船舶在六自由度空间中运动的数学模型。我们将详细分析不同载荷对船舶运动的影响，包括： 静水中的运动特性： 详细阐述船舶在静水环境下的水动力导数，包括纵荡、横荡、垂荡、横摇、纵摇和首摇等各自由度的运动响应。我们将分析船舶几何形状、水线面面积、重心与浮心相对位置等因素如何影响这些导数，并介绍如何通过实验水池试验和数值模拟等方法来获取这些参数。 波浪中的运动响应： 深入研究船舶在规则波和不规则波中的运动响应。我们将介绍波浪谱理论、波浪力的计算方法（如莫里森方程、三维源汇法），以及船舶在波浪中产生的六自由度运动（垂荡、纵摇、横摇等）的特点。本书将重点关注波浪对船舶稳性和适航性的影响，并讨论如何通过改变船舶设计参数来减弱波浪不利影响。 推进系统与操纵系统对运动的影响： 分析螺旋桨推力、舵力、艉推力等推进和操纵装置如何产生力和力矩，并作用于船舶整体运动。我们将详细讲解推进器的推力-滑转特性、舵的升力-迎角关系，以及这些系统在不同工况下的响应，如何为船舶的精确控制提供输入。 环境载荷的识别与建模： 除了波浪，还将详细分析风、流等环境载荷对船舶运动的影响。我们将介绍风载荷的计算方法，考虑风速、风向、船体表面积等因素；分析海流对船舶的拖曳力，以及如何考虑不同深度流速的变化。本书将探讨如何综合考虑这些载荷，构建更贴近实际的船舶动力学模型。 第二部分 船舶运动控制 本部分将聚焦于船舶运动控制的理论与实践，从经典的控制理论延伸至现代先进控制策略的应用。 经典控制理论在船舶控制中的应用： PID 控制： 详细讲解比例-积分-微分（PID）控制器在船舶航向、速度和摇荡控制中的设计与整定方法。我们将分析PID参数对系统响应的影响，并探讨不同应用场景下的PID优化策略。 状态空间方法： 介绍线性状态空间模型在描述船舶运动和设计控制器方面的优势。我们将讲解可控性、可观性等基本概念，并介绍LQR（线性二次型调节器）等基于状态反馈的控制器设计方法。 先进控制策略： 模型预测控制 (MPC)： 深入阐述MPC的原理、算法以及在船舶自动驾驶、动态定位和航线保持等方面的应用。我们将详细介绍MPC如何利用船舶动力学模型预测未来系统的行为，并优化控制输入，以实现对船舶运动的鲁棒性和最优控制。 自适应控制： 探讨自适应控制在应对船舶动力学模型不确定性（如载荷变化、操纵系统性能衰减）时的作用。我们将介绍自适应PID、自适应LQR等不同类型的自适应控制方法，以及它们在提高船舶控制系统鲁棒性方面的优势。 模糊逻辑控制与神经网络控制： 介绍模糊逻辑控制和神经网络控制在处理非线性、难以精确建模的船舶动力学问题中的应用。我们将分析模糊控制器如何模仿人类专家的决策过程，以及神经网络如何通过学习来逼近复杂的控制规律。 鲁棒控制： 重点讨论如何设计能够容忍模型不确定性和外部扰动的鲁棒控制器，以确保船舶在各种复杂工况下的安全性和稳定性。 传感器信息融合与状态估计： 导航传感器： 详细介绍GPS、INS（惯性导航系统）、声纳、激光雷达等传感器的工作原理及其在船舶定位、姿态测量中的作用。 卡尔曼滤波及其变种： 深入讲解卡尔曼滤波（Kalman Filter）及其扩展卡尔曼滤波（EKF）、无迹卡尔曼滤波（UKF）等方法在融合多源传感器数据、估计船舶运动状态方面的应用。本书将通过具体实例展示如何利用这些滤波技术提高船舶运动状态估计的精度和可靠性。 船舶自动驾驶系统： 航线规划与跟踪： 介绍自动驾驶系统中的航线规划算法，以及如何设计控制器实现对预定航线的精确跟踪。 避碰系统： 探讨船舶自动避碰的理论基础，包括环境感知、目标预测、碰撞风险评估以及避碰策略的制定。 动态定位系统： 详细介绍动态定位系统（DP）的原理和控制方法，以及其在钻井平台、铺管船等特殊船舶上的关键作用。 第三部分 实践应用与案例分析 本书最后将结合实际工程问题，通过详细的案例分析，巩固理论知识并展示其工程应用价值。 大型集装箱船舶的航行控制： 分析大型船舶在远洋航行中如何通过先进的控制系统保持航向和速度，应对复杂海况，并实现燃油经济性最优。 海上平台动态定位系统的设计与调试： 详细介绍为海上钻井平台设计的动态定位系统，包括传感器配置、控制算法选择、以及系统在实际作业中的表现。 水下航行器（AUV）的运动控制： 探讨水下航行器在水下复杂环境中如何实现自主导航、避障和目标作业，及其特有的控制挑战。 高速水翼船或气垫船的操纵性能分析： 研究这类高速船舶由于水动力特性剧烈变化而带来的控制难题，以及相应的控制策略。 本书旨在为船舶工程、海洋工程、自动化控制等领域的学生、研究人员和工程师提供一个全面而深入的参考，帮助读者掌握船舶动力学与控制的核心理论，并能将其应用于实际工程设计与开发中。

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坦白说，初次翻阅时，我有点担心这本书会过于偏重理论而显得晦涩难懂，毕竟流体力学这个领域常常伴随着艰深的数学背景。然而，这本书的叙事方式却出乎意料地流畅和亲切。作者巧妙地运用了一种“问题驱动”的学习路径，他不是先抛出一堆公式让你死记硬背，而是先抛出一个实际的工程难题——比如如何设计一个高效的泵站，或者如何预测河道泥沙的冲淤变化——然后循序渐进地引入所需的理论工具。这种讲故事一般的叙述方式，极大地激发了我的学习兴趣。特别是关于相似性原理和量纲分析的章节，讲得极其到位，作者用生活中的例子，比如用小比例模型来预测大型船舶的水动力性能，把抽象的概念讲得活灵活现，让人立刻就能理解这种方法论的强大之处。对我这种不是数学专业出身的工程师来说，这种处理方式简直是福音，它让你在掌握核心物理概念的同时，不会被繁复的微积分推导绊倒，真正实现了理论与实践的完美平衡。

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这本书的内容深度和广度都超出了我的预期，尤其是对一些复杂流体现象的描述，简直是教科书级别的详尽。我记得有一次在做实验时遇到了一个棘手的问题，正是书里提到的那个罕见的边界层分离模式，让我茅塞顿开，顺利解决了难题。作者对理论的阐述非常透彻，从最基本的连续性方程、动量方程到纳维-斯托克斯方程的推导，每一步都清晰可见，绝没有那种为了凑篇幅而堆砌公式的空洞感。更难得的是，它并没有止步于理想流体，而是花了大量篇幅讨论了湍流模型，从雷诺平均、涡量输运到最新的大涡模拟（LES）都有所涉及，这对于一个想深入研究实际工程问题的工程师来说，无疑是宝贵的资源。书中的图表制作得极其精美，那些流线图、等压面图，每一个细节都经过精心设计，完美地将抽象的数学概念可视化，大大降低了理解难度。我甚至能想象出作者在编写这些章节时，是多么细致入微地斟酌每一个措辞和插图的布局，力求让读者能够真正“看到”流体在运动。这本书与其说是一本教材，不如说是一部浓缩了数十年工程实践智慧的工具书，我强烈推荐给所有从事相关领域工作的人士。

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这本书的特色，我想在于它对“物理图像”的极端重视。很多教材只是告诉你“怎么算”，但这本书却执着于告诉你“为什么会这样”。例如，在解释伯努利原理时，它不仅仅停留于能量守恒的代数表达，而是深入探讨了流线曲率与压力梯度之间的内在物理联系，甚至配有动态模拟的描述，让你能真切地感受到流体微团在受力下的加速度和压力分布变化。这种对物理本质的深挖，使得我不再只是机械地套用公式，而是真正开始用流体力学家的思维去分析问题。对于那些需要进行复杂系统优化设计的工程师而言，这种深入骨髓的理解至关重要，因为它能帮助你在参数空间中做出更优的决策，而不是仅仅依赖数值计算的结果。这本书成功地架起了一座桥梁，连接了纯粹的数学建模和真实的物理世界，读完之后，我感觉自己看待周围的一切流体现象（从水龙头滴水到风吹树叶）的视角都发生了根本性的改变，这是一种非常宝贵的能力提升。

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这本书的排版和装帧实在是让人眼前一亮，拿到手里就感觉物有所值。不同于市面上那些充斥着低质量纸张和模糊印刷的教材，这本的纸张厚实，字体清晰锐利，即便是长时间阅读那些密集的数学符号和复杂的矢量运算，眼睛也不会感到疲劳。装帧设计也很有格调，那种沉稳又不失现代感的封面，放在书架上都显得很有档次。内容组织上，作者采用了高度模块化的方式，每一章都像一个独立的小世界，既有坚实的理论基础，又有紧密结合实际工程案例的分析。我特别欣赏它在章节末尾设置的“工程启示”栏目，它不仅仅是简单的习题，而是引人深思的案例分析，比如航空器翼型设计中的气动中心漂移问题，或者管道网络中的水锤效应处理，这些都是书本知识在真实世界中落地的绝佳体现。阅读这本书的过程，就像是跟随一位经验丰富的老教授进行一对一的辅导，他总能在关键时刻点拨你，让你豁然开朗。这种细腻的关怀，是很多冷冰冰的纯理论书籍所不具备的，它真的体现了“为读者着想”的匠人精神。

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这本书的参考文献和拓展阅读部分做得相当扎实和专业，这对于任何希望在特定领域深耕的读者来说，都是极其重要的品质。我发现作者不仅引用了经典的奠基性文献，还关注了近十年内发表在高水平期刊上的最新研究成果。例如，在介绍非牛顿流体在钻井液中的应用时，它不仅给出了经典的本构方程，还提及了针对高剪切速率下流变学特性的修正模型，并明确指出了这些模型的适用边界。这种对前沿动态的把握，使得这本书的价值远远超越了一本普通的参考手册，它更像是一个通往更深层次研究领域的“索引”和“路标”。我花了大量时间研究它的附录部分，里面详细列举了常用的流体材料参数表，精度之高令人印象深刻，这为我在进行定量计算时提供了极大的便利和信心。总的来说，这本书体现了一种严谨的学术态度和对领域前沿的持续关注，它不是一本静态的知识合集，而是一个动态更新的知识平台。

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