CN102991662B - 一种艉轴双螺旋桨电力推进船舶的舵效补偿装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种艉轴双螺旋桨电力推进船舶的舵效补偿控制装置，通过检测左右舷螺旋桨的转速和船舶航速，实时计算双桨推力差及其等价偏舵值，自动给出合适的舵效补偿量，以替代人工压舵。本发明还提供一种舵效补偿控制方法。本发明的舵效补偿控制装置结构简单，能方便地与现有各种类型的船舶操舵系统连接。

Description

一种艉轴双螺旋桨电力推进船舶的舵效补偿装置及方法

技术领域

本发明涉及船舶制造领域，具体涉及艉轴双螺旋桨电力推进船舶的舵效补偿系统。

背景技术

电力推进是一种先进的船舶推进方式，是以电动机作为推进动力装置替代常规柴油机推进动力装置驱动螺旋桨，从而实现船舶推进。这种推进方式能够显著提高船舶的技术经济性能，具有节能环保、操纵动力性良好的特点。船舶电力推进的典型结构型式主要有艉轴螺旋桨推进方式和可回转螺旋桨推进方式二种，且多为左右舷螺旋桨对称布置，以提高船舶的操纵性能和动力性能。

对于艉轴螺旋桨推进方式的电力推进船舶，在左右舷螺旋桨对称布置作用下，船舶正常航行时，如果左右舷双桨的转速控制相同，产生的推进力也相同，船舶按给定航向航行。但是，当电力推进系统因某种原因(如设备故障等)而造成左右舷螺旋桨的转速不等时(出现转速差)，左右舷螺旋桨的推力亦不等(出现推力差)，产生等价偏舵效应，这种偏舵效应所形成的转船力矩将使船舶偏离给定航向，从而影响船舶的安全航行。

通常情况下，为了消除这种因艉轴双桨转速差(推力差)而产生的偏舵效应，须通过操舵装置的人工压舵环节，由人工压舵角来抵消这种偏舵效应，以保证船舶的安全航行。但是，人工压舵的显著缺点是，等价偏舵效应的判定主要依靠船舶驾驶人员的经验，且当左右舷螺旋桨的转速差(推力差)变化时，需要重设压舵值，给船舶操纵带来了额外负担。

发明内容

为了解决上述问题，本发明提出一种艉轴双螺旋桨电力推进船舶的舵效补偿控制装置，通过检测左右舷螺旋桨的转速和船舶航速，实时计算双桨推力差及其等价偏舵值，自动给出合适的舵效补偿量，以替代人工压舵。本发明采用的技术方案如下所述。

一种艉轴双螺旋桨电力推进船舶的舵效补偿控制装置，该装置包含下述模块：

输入/输出通道，其用于连接外部信号，信号分别来自操舵手轮的指令舵角δ^*；经叠加舵效补偿角δ_b，后输出给操舵控制系统，作为实际指令舵角δ^**(δ^**＝δ^*+δ_b)；来自转速传感器的左舷螺旋桨转速信号n₁；来自转速传感器的右舷螺旋桨转速信号n₂；来自航速传感器的船舶航速信号v；

补偿运算电路，该电路包括三个运算单元，分别是左舷和右舷螺旋桨推力差估算单元、偏舵估算单元和比例限幅单元；推力差估算单元的输入为左右舷螺旋桨的实际转速n₁和n₂，输出为左右舷螺旋桨转速不等而造成的推力差ΔP，推力差估算单元输出的推力差为

$\mathrm{\ΔP}=K_P(n_1^2-n_2^2)---\left(1\right)$

式中K_P为推力差系数；

偏舵估算单元的输入为推力差ΔP和船舶航速v，输出为等价偏舵值

${\mathrm{\δ}}_d=K_d{K}_P(n_1^2-n_2^2)v---\left(2\right)$

式中K_d为等价偏舵系数；

比例限幅单元的输出为舵效补偿角

${\mathrm{\δ}}_b=\left\{\begin{array}{c}{K}_{\mathrm{\δ}}{K}_d{K}_P(n_1^2-n_2^2)v\\ A_{\mathrm{\δ}}\end{array}\right.---\left(3\right)$

式中K_δ为舵效系数，可通过设定面板的比例增益旋钮调节其大小；A_δ为最大舵效补偿角限制值，通过设定面板的最大补偿量旋钮调节其大小。

设定面板用于舵效补偿切换以及控制参数的设定，包括补偿切换开关：当补偿切换开关在“1”位置时，切除舵效补偿；在“2”位置时，接通补偿运算电路，实现自动舵效补偿；在“3”位置时，接通手动舵效补偿环节；

手动补偿设定旋钮：通过电位器调整，人工设定舵效补偿角δ_b＝δ_h；

比例增益调节旋钮：通过电位器调整，调节公式(3)中的K_δ，实现舵效补偿角的比例增益调节；

最大补偿量限制旋钮：通过电位器调整，调节公式(3)中的A_δ，实现最大舵效补偿角的限制。

其中，所述的输入/输出通道还设有备用通道。

其中，所述的比例限幅单元中，当时，取δ_b＝A_δ。

本发明的另一目的是提供一种艉轴双螺旋桨电力推进船舶的舵效补偿方法，该方法采用的技术方案如下所述。

一种艉轴双螺旋桨电力推进船舶的舵效补偿方法，通过检测左右舷螺旋桨的转速n₁和n₂以及船舶航速v，实时计算出左右舷螺旋桨的推力差ΔP及其等价偏舵值δ_d，自动给出合适的舵效补偿角δ_b，将此舵效补偿角δ_b叠加到指令舵角上，得到的δ^**＝δ^*+δ_b作为实际的指令舵角输出给操舵系统，从而使操舵系统的舵角控制给出的操舵信号中包含了抵消双桨转速差造成的偏舵效应。

本发明的舵效补偿控制装置结构简单，能方便地与现有各种类型的船舶操舵系统连接。

附图说明

图1是本发明实施例中艉轴双螺旋桨电力推进船舶的舵效补偿控制装置的示意图；

图2是本发明实施例中艉轴双螺旋桨电力推进船舶的舵效补偿控制装置的原理图。

具体实施方式

下面给出本发明的较佳的实施例，这些实施例并非限制本发明的内容。

实施例

请结合图1及图2所示，本发明提供一种艉轴双螺旋桨电力推进船舶的舵效补偿控制装置。

图1是本发明的固定艉轴双桨电力推进船舶舵效补偿装置的示意图，该舵效补偿装置3包括输入/输出(I/O)通道33-37、补偿运算电路31和设定面板32。此舵效补偿装置可以是模拟电路装置，也可以是单片微型计算机电路装置，后者依靠算法软件来实现其功能。

输入/输出通道用于连接外部信号。其中，输入/输出通道33接收来自操舵手轮(或操舵手柄)的指令舵角δ^*；经，叠加舵效补偿角δ_b后，通过输入/输出通道34输出给舵角控制器，作为实际指令舵角δ^**(δ^**＝δ^*+δ_b)；输入/输出通道35接收来自左桨转速传感器4的左舷螺旋桨转速信号n₁；输入/输出通道36接收来自右桨转速传感器5的右舷螺旋桨转速信号n₂；输入/输出通道37接收来自船舶航速传感器6的船舶航速信号v。如图2中所示，输入/输出(I/O)通道可设置I/O-6作为备用通道。

补偿运算电路31包括了三个运算单元：左舷和右舷螺旋桨推力差估算单元313、偏舵估算单元312和比例限幅单元311。

推力差估算单元313的输入为左右舷螺旋桨的实际转速n₁和n₂，输出为左右舷螺旋桨转速不等而造成的推力差ΔP。根据船舶流体力学理论，船舶正常航行时，螺旋桨的推力与其转速的平方成正比。因此，经推力差估算单元输出的推力差为

$\mathrm{\ΔP}=K_P(n_1^2-n_2^2)---\left(1\right)$

式中K_P为推力差系数。

在不动舵情况下，引起船舶转船而使其航行方向变化的等价偏舵效应，近似为左右舷螺旋桨的推力差ΔP及其与船舶航速v的乘积。因此，偏舵估算单元312的输入为推力差ΔP和船舶航速v，输出为等价偏舵值

${\mathrm{\δ}}_d=K_d{K}_P(n_1^2-n_2^2)v---\left(2\right)$

式中K_d为等价偏舵系数。

对偏舵运算单元输出的等价偏舵值δ_d进行比例增益设定和最大补偿值限制，输出舵效补偿角δ_b，用于抵消船舶航行时由于左右舷螺旋桨转速差(推力差)不等而造成的船舶偏航。因此，比例限幅单元311的输出为舵效补偿角

${\mathrm{\δ}}_b=\left\{\begin{array}{c}{K}_{\mathrm{\δ}}{K}_d{K}_P(n_1^2-n_2^2)v\\ A_{\mathrm{\δ}}\end{array}\right.---\left(3\right)$

式中K_δ为舵效系数，可通过设定面板32的比例增益旋钮调节其大小；A_δ为最大舵效补偿角限制值，通过设定面板32的最大补偿量旋钮调节其大小，当 $K_{\mathrm{\δ}}{K}_d{K}_P(n_1^2-n_2^2)v\≥A_{\mathrm{\δ}}$ 时，取δ_b＝A_δ。

设定面板32用于舵效补偿切换以及控制参数的设定。

(1)补偿切换开关：当补偿切换开关在“1”位置时，切除舵效补偿；在“2”位置时，接通补偿运算电路，实现自动舵效补偿；在“3”位置时，接通手动舵效补偿环节。

(2)手动补偿设定旋钮：通过电位器旋扭，人工设定舵效补偿角δ_b＝δ_h，可视作为一个人工压舵环节。

(3)比例增益调节旋钮：通过电位器旋扭，调节公式(3)中的K_δ，实现舵效补偿角的比例增益调节。

(4)最大补偿量限制旋钮：通过电位器旋扭，调节公式(3)中的A_δ，实现最大舵效补偿角的限制。

本发明舵效补偿原理如图2所示。虚线所围的舵效补偿装置作为常规船舶操舵系统的一个可切换的独立模块，通过检测左右舷螺旋桨的转速n₁和n₂以及船舶航速v，实时计算出左右舷螺旋桨的推力差ΔP及其等价偏舵值δ_d，自动给出合适的舵效补偿角δ_b，将此舵效补偿角δ_b叠加到指令舵角上，得到的δ^**＝δ^*+δ_b作为实际的指令舵角输出给操舵系统，从而使操舵系统的舵角控制给出的操舵信号中包含了抵消双桨转速差(推力差)造成的偏舵效应。

Claims (3)

1.一种艉轴双螺旋桨电力推进船舶的舵效补偿控制装置，该装置包含下述模块：

输入/输出通道，其用于连接外部信号，信号分别来自操舵手轮的指令舵角δ^*；经叠加舵效补偿角δ_b，后输出给操舵控制系统，作为实际指令舵角δ^**；来自转速传感器的左舷螺旋桨转速信号n₁；来自转速传感器的右舷螺旋桨转速信号n₂；来自航速传感器的船舶航速信号v；

补偿运算电路，该电路包括三个运算单元，分别是左舷和右舷螺旋桨推力差估算单元、偏舵估算单元和比例限幅单元；推力差估算单元的输入为左右舷螺旋桨的实际转速n₁和n₂，输出为左右舷螺旋桨转速不等而造成的推力差ΔP，推力差估算单元输出的推力差为

$\mathrm{\ΔP}=K_P(n_1^2-n_2^2)---\left(1\right)$

式中K_P为推力差系数；

偏舵估算单元的输入为推力差ΔP和船舶航速v，输出为等价偏舵值

${\mathrm{\δ}}_d=K_d{K}_P(n_1^2-n_2^2)v---\left(2\right)$

式中K_d为等价偏舵系数；

比例限幅单元的输出为舵效补偿角

${\mathrm{\δ}}_b=\left\{\begin{array}{c}{K}_{\mathrm{\δ}}{K}_d{K}_P(n_1^2-n_2^2)v\\ A_{\mathrm{\δ}}\end{array}\right.---\left(3\right)$

式中K_δ为舵效系数，可通过设定面板的比例增益旋钮调节其大小；A_δ为最大舵效补偿角限制值，通过设定面板的最大补偿量旋钮调节其大小；

设定面板用于舵效补偿切换以及控制参数的设定，包括补偿切换开关：当补偿切换开关在“1”位置时，切除舵效补偿；在“2”位置时，接通补偿运算电路，实现自动舵效补偿；在“3”位置时，接通手动舵效补偿环节；

手动补偿设定旋钮：通过电位器调整，人工设定舵效补偿角δ_b＝δ_h；

比例增益调节旋钮：通过电位器调整，调节公式(3)中的K_δ，实现舵效补偿角的比例增益调节；

最大补偿量限制旋钮：通过电位器调整，调节公式(3)中的A_δ，实现最大舵效补偿角的限制。

2.如权利要求1所述的舵效补偿控制装置，其特征在于，所述的比例限幅单元中，当 $K_{\mathrm{\δ}}{K}_d{K}_P(n_1^2-n_2^2)v\≥A_{\mathrm{\δ}}$ 时，取δ_b＝A_δ。

3.一种如权利要求1所述的舵效补偿控制装置的舵效补偿控制方法，其特征在于，通过检测左右舷螺旋桨的转速n₁和n₂以及船舶航速v，实时计算出左右舷螺旋桨的推力差ΔP及其等价偏舵值δ_d，自动给出合适的舵效补偿角δ_b，将此舵效补偿角δ_b叠加到指令舵角上，得到的δ^**＝δ^*+δ_b作为实际的指令舵角输出给操舵系统，从而使操舵系统的舵角控制给出的操舵信号中包含了抵消双桨转速差造成的偏舵效应。