CN101462590A - 船舶操纵与主推进联合控制方法及其模拟系统 - Google Patents

Abstract

船舶操纵与主推进联合控制方法及其模拟系统涉及船舶控制技术领域，该控制方法根据船舶驾驶员航向舵令、航速车令，实现综合协调船舶操纵性、主机工作特性、船舶装载、海洋环境扰动、航行安全、经济航行等因素的对船舶运动和推进主机运行的一体化联合控制；该模拟系统验证了船舶操纵与主推进联合控制方法的有效性。本发明有益效果是：提高船舶系统的整体经济性和操纵性，提高船舶运动控制效果，有利于船舶航行安全，防止柴油主机过载，提高动力装置可靠性和经济性。

Description

船舶操纵与主推进联合控制方法及其模拟系统

技术领域

本发明涉及船舶控制技术领域，尤其涉及一种船舶操纵与主推进联合控制方法及其模拟系统。

背景技术

船舶在航行中，由于航向改变、海洋环境风、浪、流等的干扰，使船舶阻力和螺旋桨扭矩发生变化，且船舶主机功率有限，并受到热负荷、机械负荷等条件限制，很难保证主机转速稳定和船舶速度恒定。船舶主机的转速直接影响船舶航速，而船舶速度和吃水的变化影响船舶的操纵性能，即船舶运动状态也与主机转速和运行工况密切相关，所以船舶运动与主机控制存在强耦合关系，是一个极为复杂的控制问题。

当船舶进入浅水和/或在窄航道中航行时，水流与船体的相对速度增加，使摩擦阻力、涡流阻力和兴波阻力均相对增大。当船舶进入浅水或窄航道时，若要保持原航速，则主机一般必然超负荷。当船舶在浅、狭水道航行或大舵角转向(特别是打满舵变航操纵)时，由于船舶阻力增大，会产生主机排烟温度升高、燃烧不完全，热负荷、机械负荷超负荷的情况，严重时可引起主机相关部件损坏。

当船舶转向时，舵要偏转一个角度，船体在斜水流中前进，船舶阻力要比直线航行时明显增加。在相同的螺旋桨转速和调距桨螺距下，船速会降低，螺旋桨特性(主机功率与螺旋桨转速的关系)曲线变陡。由于现代船舶主机装有全制式调速器，会自动加油，因此可能导致主机超负荷。

船舶推进及其控制、船舶运动控制是船舶中两个最重要的关键系统。但长期以来，船舶主推进(决定航速)和运动这两个相互耦合的复杂非线性系统是完全独立进行控制的。这种彼此独立的控制方式，由于没有直接考虑航速对于船舶舵效的显著影响，因此具有明显的局限性，在多数工况下，没有实现船舶系统的综合优化控制。因此，根据航速特征对于船舶的主推进和运动采用基于智能控制的一体化联合操纵才能实现船舶系统的总体优化运行。

发明内容

本发明的目的是提供一种船舶操纵与主推进联合控制方法及其模拟系统，提高船舶系统的整体经济性和操纵性，提高船舶运动控制效果，有利于船舶航行安全，防止柴油主机过载，提高动力装置可靠性和经济性。

为了达到上述目的，本发明的技术方案如下：

船舶操纵与主推进联合控制方法，包括如下步骤：(1)在船舶主机遥控系统中设置包含主机负荷、船速、舵角、船首回转角速度等变量的优化性能指标函数的程序，在达到相应舵效船速的前提下，自适应地减少主机供油量；(2)根据驾驶员操作指令和船舶航行状况计算给出在当前航行工况下的船舶操舵和主机给油量设定值，使船舶柴油主机工作在额定负荷或其近旁工作点时的经济、稳定可靠运行、效率最高的工作状态；(3)根据下述(i)、(ii)两种情况，设定船舶航向和主机控制器的给定值：(i)当判断船舶处于应急避碰或快速机动的特殊状态时，则根据主机的当前负荷状况，进行加速操作，增加燃油给定值，必要时可在短时段内超负荷运行，在不损坏主机的前提下完成船舶的快速机动性操纵；(ii)当现有主机负荷较高，航速较高时，舰船具有较好的航速储备，便于进行航向控制，此时若有大舵角操纵指令，则适当减少燃油给定值，改进主机的工作状况，进而减少有害气体排放，达到推进主机和航向的优化协调智能一体化控制的目标；(4)在主机遥控系统和自动舵控制系统中设置实现上述主机-舵协调联合智能控制程序模块；(5)根据船舶驾驶员指令，建立切换选择上述(i)、(ii)两个程序的智能判断模块，执行双模态控制，实现船舶操纵与主推进联合控制方法。

一种验证船舶操纵与主推进联合控制方法的模拟系统，包括：船舶运动虚拟现实仿真场景模块、船舶运动数学模型模块、船舶柴油主机三维运动模型模块、船舶主机推进系统数学模型模块、船舶操纵与主推进联合智能控制算法模块、船舶驾驶室操舵与主机遥控台、集控室主机遥控台、系统调度服务器和DCOM(Distributed Component Object Model)群组通信模块。系统调度服务器利用逻辑时间和逻辑时间戳机制，采用同步启动调度策略对七个子系统：船舶运动虚拟现实仿真场景模块、船舶运动数学模型模块、船舶柴油主机三维运动模型模块、船舶主机推进系统数学模型模块、船舶操纵与主推进联合智能控制算法模块、船舶驾驶室操舵与主机遥控台和集控室主机遥控台，进行协调调度，实现每个仿真子系统加入、仿真过程启动、数学模型运行、仿真结束等控制，DCOM群组通信模块实现数据的相互连接，它通过构建DCOM群组通信模型，采用一种动态和静态调度相结合的集中式负载平衡解决方案，实现各仿真子系统的多点通信要求。

本发明的有益效果在于：1)可以提高船舶的操纵性能，改善系统的整体经济性和安全性，延长主动力装置工作寿命，实现船舶系统的综合节能优化控制；2)本发明为新型船舶综合自动控制系统预研提供一个有效实用的可视化交互式仿真平台，减少海上试验次数，降低试验成本，缩短开发周期，保证海上试验的安全；3)本发明为船舶先进控制算法和技术试验、船舶航向和航速网络控制，船舶动力装置优化运行等科学实验提供一种模拟验证平台，可以作为船舶控制系统仿真的科研设备供教学使用。

附图说明

图1是本发明的船舶操纵与主推进联合控制模拟系统的结构框图。

图中：1、船舶运动虚拟现实仿真场景模块，2、船舶运动数学模型模块，3、船舶柴油主机三维运动模型模块，4、船舶主机推进系统数学模型模块，5、船舶操纵与主推进联合智能控制算法模块，6、船舶驾驶室操舵与主机遥控台，7、集控室主机遥控台，8、系统调度服务器，9、DCOM群组通信模块。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步详细地描述：

本发明的船舶操纵与主推进联合控制方法，根据船舶驾驶员航向舵令、航速车令，实现综合协调船舶操纵性、主机工作特性、船舶装载、海洋环境扰动、航行安全、经济航行等因素对船舶运动(自动舵)和主机运行(给油量)的一体化联合控制。

对于船舶大舵角变航操纵或浅、狭水道航行时，对船舶柴油主机和自动舵采用综合优化联合控制的具体步骤如下：

(1)在主机遥控系统中设置包含主机负荷、船速、舵角、船首回转角速度等变量的优化性能指标函数的程序，在达到相应舵效船速的前提下，自适应地适当减少主机供油量；

(2)根据驾驶员操作指令和船舶航行状况计算给出在当前航行工况下的船舶操舵和主机给油量设定值，尽量使船舶柴油主机工作在额定负荷或其近旁工作点时的经济、稳定可靠运行、效率最高的工作状态；

(3)船舶航向和主机控制器的给定值设定：

(i)当判断船舶处于应急避碰或快速机动的特殊状态，则根据主机的当前负荷状况，进行加速操作(增加燃油给定值)，必要时可在短时段内超负荷10％运行，在不损坏主机的前提下完成船舶的快速机动性操纵；

(ii)当现有主机负荷较高，航速较高时，船舶具有较好的航速储备，便于进行航向控制，此时若有大舵角操纵指令时，可适当减少燃油给定值，改进主机的工作状况，进而减少有害气体排放，达到推进主机和航向的优化协调智能一体化控制的目标；

(4)在主机遥控系统和自动舵控制系统中设置实现上述车(主机)-舵协调联合智能控制程序模块；

(5)根据船舶驾驶员指令，建立切换选择上述(i)、(ii)两个程序的智能判断模块，执行双模态控制，完成船舶操纵与主推进联合控制方法。

对于船舶开阔水域直线航行工况，本发明的船舶联合控制系统可切换到船舶航向保持、主机独立控制模式，保留传统控制模式。

为了验证船舶操纵与主推进联合控制方法的有效性，本发明提供了一种船舶操纵与主推进联合控制模拟系统，该系统包括：船舶运动虚拟现实仿真场景模块1、船舶运动数学模型模块2、船舶柴油主机三维运动模型模块3、船舶主机推进系统数学模型模块4、船舶操纵与主推进联合智能控制算法模块5、船舶驾驶室操舵与主机遥控台6、集控室主机遥控台7、系统调度服务器8和DCOM群组通信模块9九个部分。其中，船舶驾驶室操舵与主机遥控台6和集控室主机遥控台7均含有物理/虚拟操控显示单元，船舶运动虚拟现实仿真场景模块1由VC和虚拟现实软件WTK混合编程实现，子系统模块：船舶运动数学模型模块2、船舶柴油主机三维运动模型模块3、船舶主机推进系统数学模型模块4和船舶操纵与主推进联合智能控制算法模块5均由Visual C++编程实现。

在船舶操纵与主推进联合控制模拟系统中，船舶操纵与主推进联合控制方法通过“船舶操纵与主推进联合智能控制算法”模块实现。

该模拟系统实现船舶操纵与主推进联合控制方法的过程如下：

船舶操纵与主推进联合控制模拟系统运行时，系统调度服务器8利用逻辑时间和逻辑时间戳机制，采用同步启动调度策略对七个子系统：船舶运动虚拟现实仿真场景模块1、船舶运动数学模型模块2、船舶柴油主机三维运动模型模块3、船舶主机推进系统数学模型模块4、船舶操纵与主推进联合智能控制算法模块5、船舶驾驶室操舵与主机遥控台6和集控室主机遥控台7，进行协调调度，实现每个仿真子系统加入、仿真过程启动、数学模型运行、仿真结束等控制，DCOM群组通信模块9实现数据的相互连接，它通过构建DCOM群组通信模型，采用一种动态和静态调度相结合的集中式负载平衡解决方案，实现各仿真子系统的多点通信要求。

该模拟系统可以仿真显示一艘船舶运动和主机推进运行的三维逼真视景。使用者操纵船舶驾驶室操舵与主机遥控台6中的控制舵盘或用鼠标拖动虚拟操舵仪中的虚拟舵盘操纵船舶运动虚拟现实仿真场景模块1中的三维船舶模型运动；操纵集控室主机遥控台7中的控制车钟或用鼠标拖动主机遥控单元的虚拟车钟/油门控制船舶柴油主机三维运动模型模块3中柴油主机的转速，实现柴油主机起动，换向，加、减速，稳定运行。该模拟系统配有与主机运行工况配合的机舱实时音响仿真效果。在上述船舶控制中，船舶驾驶室操舵与主机遥控台6、集控室主机遥控台7中的自动操舵系统和主机遥控系统根据联合控制综合性能指标函数和判断条件，选择船舶操纵与主推进联合智能控制算法模块5中相应的船舶操纵与主推进联合智能控制算法实现对船舶运动和主机推进的联合控制，并可仿真实现船舶的直线运行、Z型操纵、回转试验等典型的运动试验状态。

本发明的船舶操纵与主推进联合控制模拟系统可实现操舵控制功能及船舶运动数学模型的仿真计算，含有操舵仪上的转舵轮控制界面和离线仿真时船舶航向、舵角变化的曲线示意图界面，及其仿真模式、操纵方式、算法选择、参数设置等功能菜单。

模拟系统提供在线、离线两种仿真模式。在线仿真时，把船舶运动数学模型仿真计算得到的船舶航行位置和舵角、主机转速等参数通过DCOM群组通信模块9传输给船舶运动虚拟现实仿真场景模块1、船舶驾驶室操舵与主机遥控台6和集控室主机遥控台7显示。离线仿真时，在船舶运动虚拟现实仿真场景模块1中可显示船舶航向、舵角变化的曲线示意图。

用户选择在线方式时，则可通过集控室主机遥控台7中的集控室主机遥控系统界面右下角按钮，选择控制位置是在集控室遥控台或是驾驶室遥控台。集控室主机遥控系统包含机舱集控台车钟和油门控制器的可视化界面，在这个界面中，操纵人员可以根据车钟的不同车令来改变油门的大小，从而控制船舶柴油主机三维运动模型3中主机的转速，用户可以清楚地从三维可控主机场景中察觉出主机转速的变化，而且在该场景的右上角和左上角分别设置了船舶航速和主机转速显示仪表，并配有船舶机舱设备实时运行的音响效果，使用户产生身临其境的现场感。

为了便于验证各种控制算法的仿真效果及进行可视化计算，模拟系统可提供数种船舶运动与主推进系统联合智能控制算法用于所选船舶模型的控制。模拟系统可进行船舶主要参数设置：包括船舶运动仿真模型中的船舶长度、吃水、方形系数，风浪强度、方向、当前海况等，当这些参数变化时，船舶的航行海况、运行轨迹及控制舵角等随之作相应的改变。

模拟系统软件设计采用三个线程，分别用于用户界面显示、船舶运动数学模型仿真及控制算法计算、应用DCOM群组通信模块9进行网络数据的接收和发送。

本发明的船舶操纵与主推进联合控制方法，有利于从理论上研究船舶运动和柴油机的综合控制方法，提高船舶运动控制效果；有利于船舶航行安全；有利于防止柴油机过载，提高动力装置可靠性和经济性；有利于建立航海和轮机综合模拟器，提高模拟器的精度和船员的训练水平。本发明对于实现船舶的综合节能优化控制，对于我国发展高技术含量，高附加值的国产关键船舶控制系统，特别是研制船舶集成驾驶台系统具有积极推动作用，从而提高我国国产关键船用设备的装船率。本发明成果既可用于集装箱船、油船、滚装船等海洋运输船舶控制系统，也可推广应用于大中型水面舰船，将能带来巨大的经济和社会效益。

本发明为新型船舶综合自动控制系统预研提供一个有效实用的可视化交互式仿真平台，它可为船舶和舰船新型综合控制系统研制和投入实船试验提供方案论证和完成必要的前期研究仿真。从船舶运动控制系统的研制和试验的角度，该系统成为一种新颖实用、根据相关任务组态生成的船舶运动-主推进半物理仿真系统平台，为船舶运动和主推进先进控制算法研究、自动舵等船舶运动控制产品的陆上调试建造了一个良好的试验环境。它可用于对船舶运动和主推进先进控制算法的研究和改进，对智能控制器的有效性进行评价和检验，提供合理的算法和参数。因此，应用该模拟系统可以实现减少海上试验次数，降低试验成本，缩短开发周期，保证海上试验的安全，优化控制系统的目的。

Claims (3)

1、船舶操纵与主推进联合控制方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：

(1)在船舶主机遥控系统中设置包含主机负荷、船速、舵角、船首回转角速度等变量的优化性能指标函数的程序，在达到相应舵效船速的前提下，自适应地减少主机供油量；

(2)根据驾驶员操作指令和船舶航行状况计算给出在当前航行工况下的船舶操舵和主机给油量设定值，使船舶柴油主机工作在额定负荷或其近旁工作点时的经济、稳定可靠运行、效率最高的工作状态；

(3)根据下述(i)、(ii)两种情况，设定船舶航向和主机控制器的给定值：

(i)当判断船舶处于应急避碰或快速机动的特殊状态时，则根据主机的当前负荷状况，进行加速操作，增加燃油给定值，必要时可在短时段内超负荷运行，在不损坏主机的前提下完成船舶的快速机动性操纵；

(ii)当现有主机负荷较高，航速较高时，船舶具有较好的航速储备，便于进行航向控制，此时若有大舵角操纵指令，则适当减少燃油给定值，改进主机的工作状况，进而减少有害气体排放，达到推进主机和航向的优化协调智能一体化控制的目标；

(4)在主机遥控系统和自动舵控制系统中设置实现上述主机-舵协调联合智能控制程序模块；

(5)根据船舶驾驶员指令，建立切换选择上述(i)、(ii)两个程序的智能判断模块，执行双模态控制，实现船舶操纵与主推进联合控制方法。

2、一种验证权利要求1所述的船舶操纵与主推进联合控制方法的模拟系统，其特征在于，该系统包括：船舶运动虚拟现实仿真场景模块(1)、船舶运动数学模型模块(2)、船舶柴油主机三维运动模型模块(3)、船舶主机推进系统数学模型模块(4)、船舶操纵与主推进联合智能控制算法模块(5)、船舶驾驶室操舵与主机遥控台(6)、集控室主机遥控台(7)、系统调度服务器(8)和DCOM群组通信模块(9)；系统调度服务器(8)利用逻辑时间和逻辑时间戳机制，采用同步启动调度策略对七个子系统：船舶运动虚拟现实仿真场景模块(1)、船舶运动数学模型模块(2)、船舶柴油主机三维运动模型模块(3)、船舶主机推进系统数学模型模块(4)、船舶操纵与主推进联合智能控制算法模块(5)、船舶驾驶室操舵与主机遥控台(6)和集控室主机遥控台(7)，进行协调调度，实现每个仿真子系统加入、仿真过程启动、数学模型运行、仿真结束等控制，DCOM群组通信模块(9)实现数据的相互连接，它通过构建DCOM群组通信模型，采用一种动态和静态调度相结合的集中式负载平衡解决方案，实现各仿真子系统的多点通信要求。

3、如权利要求2所述的船舶操纵与主推进联合控制方法的模拟系统，其特征在于，使用者操纵船舶驾驶室操舵与主机遥控台(6)中的控制舵盘或用鼠标拖动虚拟操舵仪中的虚拟舵盘操纵船舶运动虚拟现实仿真场景模块(1)中的三维船舶模型运动；操纵集控室主机遥控台(7)中的控制车钟或用鼠标拖动主机遥控单元的虚拟车钟/油门控制船舶柴油主机三维运动模型模块(3)中柴油主机的转速，实现柴油主机起动，换向，加、减速，稳定运行；在上述船舶控制中，船舶驾驶室操舵与主机遥控台(6)、集控室主机遥控台(7)中的自动操舵系统和主机遥控系统根据联合控制综合性能指标函数和判断条件，选择船舶操纵与主推进联合智能控制算法模块(5)中相应的船舶操纵与主推进联合智能控制算法实现对船舶运动和主机推进的联合控制，并可仿真实现船舶的直线运行、Z型操纵、回转试验等典型的运动试验状态。

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