CN103010445A - 一种舵桨合一可回转双螺旋桨电力推进船舶的舵效补偿装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种舵桨合一可回转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回转角，实时计算可回转双桨附加舵效值，自动给出合适的舵效补偿量，以替代人工操作。本发明还提供一种舵效补偿方法。本发明的舵效补偿控制装置结构简单，能方便地与现有各类舵桨合一可回转双桨电力推进回转操纵控制系统连接。

Description

一种舵桨合一可回转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，具体涉及舵桨合一可回转双螺旋桨电力推进船舶的舵效补偿系统及方法。

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。

对于可回转螺旋桨推进方式的电力推进船舶，取消了常规的舵机系统，通过可回转螺旋桨的回转操纵实现舵桨合一。即通过螺旋桨的水平回转，产生与船舶艏艉线成一定角度的推力，形成一大小可控的舵效（转船力矩）作用于船舶，实现船舶的航向控制。

根据船舶流体力学理论，左右舷可回转螺旋桨推力所产生的转船力矩可分为二部分：一部分是由螺旋桨推力在船舶艏艉线的垂直分量所产生的转船力矩，这是在船舶正常航行状态下，船舶航向操纵所需的期望舵效。另一部分则是由螺旋桨推力在船舶艏艉线的平行分量所产生的转船力矩。当左右舷螺旋桨转速相等（推力相等）以及回转角相等时，左右舷螺旋桨在船舶艏艉线的平行分量所产生的这种转船力矩相互抵消，不对船舶的航向控制造成影响。但是当左右舷螺旋桨转速不相等（推力不相等）或回转角不相等时，这种转船力矩不能相互抵消，从而对船舶航向控制产生不希望的附加舵效。

要消除这种因可回转双螺旋桨转速不相等（推力不相等）或回转角不相等而产生的附加舵效，通常是通过左右舷双桨的回转操纵人工控制，依靠额外增加一舷（或二舷）螺旋桨的回转角来抵消（或补偿）这种附加舵效，以保证船舶的安全航行。但是，人工操作的显著缺点是，附加舵效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或回转角发生变化时，需要重设补偿值，给船舶操纵带来了额外负担。

发明内容

本发明的目的之一是提供一种舵效补偿方法，该方法的步骤为：

首先计算附加舵效。当左右舷可回转螺旋桨推力P₁和P₂、回转角

和

时，由螺旋桨推力在船舶艏艉线的平行分量所产生的转船力矩N_d=N_1d-N_2d，这是船舶正常航行不希望的附加舵效转船力矩，即：

式中K_N为附加舵效转船力矩系数，y为螺旋桨回转立柱至船舶艏艉线的距离。

为了消除或补偿不希望的附加舵效，在螺旋桨回转操纵控制系统基础上，插入舵效补偿装置，所述舵效补偿装置作为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以及左右舷螺旋桨的回转角和；实时计算出附加舵效δ_N（δ_N∝N_d），自动给出合适的舵效补偿量δ_b；将此舵效补偿量δ_b叠加到左右舷可回转螺旋桨的指令回转角δ₁ ^*或δ₂ ^*上，得到的δ₁ ^**=δ₁ ^*+δ_b或δ₂ ^**=δ₂ ^*+δ_b作为实际的指令回转角输出给螺旋桨回转操纵控制系统，从而使回转操纵控制系统给出的回转角操纵信号中包含了抵消双桨转速不等（推力不等）或回转角不等造成的附加舵效。

本发明的另一目的是提供一种舵桨合一可回转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回转角，实时计算可回转双桨附加舵效值，自动给出合适的舵效补偿量，以替代人工操作。本发明采用的技术方案如下所述。

一种舵桨合一可回转双螺旋桨电力推进船舶的舵效补偿装置，该装置包含下述模块：

输入/输出通道，其用于连接外部信号，分别来自左右舷螺旋桨回转操纵系统的回转角指令δ₁ ^*和δ₂ ^*；经舵效补偿，叠加补偿信号δ_b后输出给回转操纵控制系统的指令舵角为δ₁ ^**（δ₁ ^**=δ₁ ^*+δ_b）和δ₂ ^**（δ₂ ^**=δ₂ ^*+δ_b）；来自转速传感器的左右舷螺旋桨转速信号n₁和n₂；来自回转角传感器的左右舷螺旋桨回转角信号

和

；

补偿运算电路包括了三个运算单元，分别是左右舷可回转螺旋桨推力及回转角运算单元、舵效估算单元和反相增益限幅单元；

推力及回转角运算单元的输入为左右舷螺旋桨的实际转速n₁和n₂以及实际回转角和

，输出为左右舷螺旋桨转速的平方n₁ ²和n₂ ²以及回转角的余弦和

。

舵效估算单元的输入是由于左右舷螺旋桨推力在船舶艏艉线的平行分量所产生的转船力矩，输出为与这种转船力矩成正比的附加舵效估算值δ_N（δ_N∝N_d），即：

反相增益限幅单元的输出是舵效补偿回转角，即：

式中K_δ为附加舵效系数，通过面板的比例增益旋钮调节其大小；A_δ为最大补偿量限制值，通过设定面板的最大补偿量旋钮调节其大小；最后进行信号反相，输出舵效补偿回转角δ_b=-δ_b'，用于抵消（补偿）由于左右舷螺旋桨转速（推力）不等或回转角不等而造成的船舶附加舵效。

设定面板用于对舵效补偿的切换，以及舵效补偿控制参数的设定，包括两个补偿切换开关，当第一补偿切换开关在“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。在第一补偿切换开关所设定的自动/手动补偿基础上，通过第二切换开关来切换单桨或双桨舵效补偿方式，即当第二补偿切换开关在“1”位置时，实现双桨补偿，此时须通过减幅器将舵效补偿信号衰减一半后输出；在“2”位置时，实现左桨补偿；在“3”位置时，实现右桨补偿。

手动补偿设定旋钮，通过电位器旋扭，人工设定舵效补偿量δ_b=δ_h，可视作为一个舵桨合一的“人工压舵”环节。

比例增益调节旋钮，通过电位器旋扭，调节公式（3）中的K_δ，实现附加舵效补偿的比例增益调节。

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，实现附加舵效补偿的最大补偿量限制。

其中，在反相增益限幅单元中，当

时，取δ_b=A_δ。

其中，所述的输入/输出通道还设有备用通道。

本发明的舵效补偿控制装置结构简单，能方便地与现有各类舵桨合一可回转双桨电力推进回转操纵控制系统连接。

附图说明

图1是本发明实施例中舵桨合一可回转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是本发明实施例中舵桨合一可回转双螺旋桨电力推进船舶的舵效补偿控制装置的原理图；

图3是本发明实施例中舵桨合一可回转双螺旋桨电力推进船舶的舵效补偿控制装置中补偿运算电路的原理图。

图4是本发明实施例中舵桨合一可回转双螺旋桨电力推进船舶的舵效补偿控制装置中设定面板的原理图。

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

请见图2所示，本发明提供的一种舵效补偿方法首先计算附加舵效。当左右舷可回转螺旋桨推力P₁和P₂、回转角

和

时，由螺旋桨推力在船舶艏艉线的平行分量所产生的转船力矩N_d=N_1d-N_2d，这是船舶正常航行不希望的附加舵效转船力矩，即：

式中K_N为附加舵效转船力矩系数，y为螺旋桨回转立柱至船舶艏艉线的距离。

为了消除或补偿不希望的附加舵效，在螺旋桨回转操纵控制系统基础上，插入舵效补偿装置，所述舵效补偿装置作为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以及左右舷螺旋桨的回转角和

；实时计算出附加舵效δ_N（δ_N∝N_d），自动给出合适的舵效补偿量δ_b；将此舵效补偿量δ_b叠加到左右舷可回转螺旋桨的指令回转角δ₁ ^*或δ₂ ^*上，得到的δ₁ ^**=δ₁ ^*+δ_b或δ₂ ^**=δ₂ ^*+δ_b作为实际的指令回转角输出给螺旋桨回转操纵控制系统，从而使回转操纵控制系统给出的回转角操纵信号中包含了抵消双桨转速不等（推力不等）或回转角不等造成的附加舵效。

请见图1所示，一种舵桨合一可回转双螺旋桨电力推进船舶的舵效补偿装置，该舵效补偿装置3包含下述模块：

输入/输出通道33-40，其用于连接外部信号，输入/输出通道33和35分别接收来自左、右舷螺旋桨回转指令发生器1、3的回转角指令δ₁ ^*和δ₂ ^*；经舵效补偿，叠加补偿信号δ_b后经输入/输出通道34和36输出给左、右桨回转控制器2、4，作为实际指令回转角δ₁ ^**（δ₁ ^**=δ₁ ^*+δ_b）和δ₂ ^**（δ₂ ^**=δ₂ ^*+δ_b）；输入/输出通道37和38接收来自左、右桨转速传感器5、6的左右舷螺旋桨转速信号n₁和n₂；输入/输出通道39和40接收来自左、右桨回转角传感器7、8的左右舷螺旋桨回转角信号

和

；所述的输入/输出通道还设有备用通道。

请结合图3所示，补偿运算电路31包括了三个运算单元，分别是左右舷可回转螺旋桨推力及回转角运算单元311、舵效估算单元312和反相增益限幅单元313；

推力及回转角运算单元311的输入为左右舷螺旋桨的实际转速n₁和n₂以及实际回转角

和

。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，附加舵效与回转角的余弦成正比。因此，通过乘法器(A)、(B)和余弦器(C)、(D)，输出为左右舷螺旋桨转速的平方n₁ ²和n₂ ²以及回转角的余弦

和

。

舵效估算单元312的输入是由于左右舷螺旋桨推力在船舶艏艉线的平行分量所产生的转船力矩，因此，通过乘法器(E)和(F)分别得到和

，再由反相器(G)和加法器(H)，输出为与转船力矩成正比的舵效估算值δ_N（δ_N∝N_d），即：

反相增益限幅单元313的输出是舵效补偿回转角，对舵效估算单元输出的等价舵效值δ_N，通过调节旋钮(I)进行比例增益设定K_δ；通过调节旋钮(J)进行最大补偿值限制A_δ；通过取小器(K)获得两路信号中的较小信号值，即：

式中K_δ为附加舵效系数，通过面板的比例增益旋钮调节其大小；A_δ为最大补偿量限制值，通过面板的最大补偿量旋钮调节其大小，当

时，取δ_b=A_δ；最后进行信号反相，输出舵效补偿回转角δ_b=-δ_b'，用于抵消（补偿）由于左右舷螺旋桨转速（推力）不等或回转角不等而造成的船舶附加舵效。

请结合图4所示，设定面板32用于对舵效补偿的切换，以及舵效补偿控制参数的设定，包括两个补偿切换开关，当第一补偿切换开关K1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。在第一补偿切换开关所设定的自动/手动补偿基础上，通过第二切换开关K2来切换单桨或双桨舵效补偿方式，即当第二补偿切换开关在“1”位置时，实现双桨补偿，此时须通过减幅器将舵效补偿信号衰减一半后输出；在“2”位置时，实现左桨补偿；在“3”位置时，实现右桨补偿。

手动补偿设定旋钮R1，通过电位器旋扭，人工设定舵效补偿量δ_b=δ_h，可视作为一个舵桨合一的“人工压舵”环节。

比例增益调节旋钮R2，通过电位器旋扭，调节公式（6）中的K_δ，实现附加舵效补偿的比例增益调节。

最大补偿量限制旋钮R3，通过电位器旋扭，调节公式（6）中的A_δ，实现附加舵效补偿的最大补偿量限制。

Claims (3)

1.一种舵桨合一可回转双螺旋桨电力推进船舶的舵效补偿方法，该方法的步骤为：

首先计算附加舵效，当左右舷可回转螺旋桨推力P₁和P₂、回转角

和

时，由螺旋桨推力在船舶艏艉线的平行分量所产生的转船力矩N_d = N_1d -N_2d，这是船舶正常航行不希望的附加舵效转船力矩，即：

式中K_N为附加舵效转船力矩系数，y为螺旋桨回转立柱至船舶艏艉线的距离；

为了消除或补偿不希望的附加舵效，在螺旋桨回转操纵控制系统基础上，插入舵效补偿装置，所述舵效补偿装置作为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以及左右舷螺旋桨的回转角

和；实时计算出附加舵效δ_N（δ_N∝N_d），自动给出合适的舵效补偿量δ_b；将此舵效补偿量δ_b叠加到左右舷可回转螺旋桨的指令回转角δ₁ ^*或δ₂ ^*上，得到的δ₁ ^**=δ₁ ^*+δ_b或δ₂ ^**=δ₂ ^*+δ_b作为实际的指令回转角输出给螺旋桨回转操纵控制系统，从而使回转操纵控制系统给出的回转角操纵信号中包含了抵消双桨转速不等或回转角不等造成的附加舵效。

2.如权利要求1中一种舵桨合一可回转双螺旋桨电力推进船舶的舵效补偿方法中所述的舵效补偿装置，其特征在于，该装置包含下述模块：

输入/输出通道，其用于连接外部信号，分别来自左右舷螺旋桨回转操纵系统的回转角指令δ₁ ^*和δ₂ ^*；经舵效补偿，叠加补偿信号δ_b后输出给回转操纵控制系统的指令舵角为δ₁ ^**和δ₂ ^**；来自转速传感器的左右舷螺旋桨转速信号n₁和n₂；来自回转角传感器的左右舷螺旋桨回转角信号

和

；

补偿运算电路包括了三个运算单元，分别是左右舷可回转螺旋桨推力及回转角运算单元、舵效估算单元和反相增益限幅单元；

推力及回转角运算单元的输入为左右舷螺旋桨的实际转速n₁和n₂以及实际回转角

和，输出为左右舷螺旋桨转速的平方n₁ ²和n₂ ²以及回转角的余弦

和

；

舵效估算单元的输入是由于左右舷螺旋桨推力在船舶艏艉线的平行分量所产生的转船力矩，输出为与这种转船力矩成正比的附加舵效估算值δ_N（δ_N∝N_d），即：

反相增益限幅单元的输出是舵效补偿回转角，即：

式中K_δ为附加舵效系数，通过面板的比例增益旋钮调节其大小；A_δ为最大补偿量限制值，通过设定面板的最大补偿量旋钮调节其大小，最后进行信号反相，输出舵效补偿回转角δ_b=-δ_b'，用于抵消由于左右舷螺旋桨转速不等或回转角不等而造成的船舶附加舵效；

设定面板用于对舵效补偿的切换，以及舵效补偿控制参数的设定，包括两个补偿切换开关，当第一补偿切换开关在“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；在第一补偿切换开关所设定的自动/手动补偿基础上，通过第二切换开关来切换单桨或双桨舵效补偿方式，即当第二补偿切换开关在“1”位置时，实现双桨补偿，此时须通过减幅器将舵效补偿信号衰减一半后输出；在“2”位置时，实现左桨补偿；在“3”位置时，实现右桨补偿；

手动补偿设定旋钮，通过电位器旋扭，人工设定舵效补偿量δ_b = δ_h，可视作为一个舵桨合一的“人工压舵”环节；

比例增益调节旋钮，通过电位器旋扭，调节公式（3）中的K_δ，实现附加舵效补偿的比例增益调节；

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，实现附加舵效补偿的最大补偿量限制。

3.如权利要求2所述的舵效补偿装置，其特征在于，在反相增益限幅单元中，当

时，取δ_b=A_δ。

Images