CN103935482A - 一种改善船舶耐波性的航行自控系统 - Google Patents

一种改善船舶耐波性的航行自控系统 Download PDF

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王永宁
胥文清
王云生
龚俊斌
王五桂
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Abstract

本发明公开了一种改善船舶耐波性的航行自控系统，不仅能改善横摇特性，还能改善纵摇、垂荡特性。控制单元通过艏部倒T型水翼和艉部双压浪板间的差模运动实现船舶纵摇角的控制，通过艉部双压浪板间的差模运动实现船舶横摇角的控制，通过艏部倒T型水翼和双压浪板间的共模运动控制船舶的整体升沉。

Description

一种改善船舶耐波性的航行自控系统
技术领域
本发明属于船舶航行自动控制系统设计领域,具体涉及一种用于改善船舶耐波性的航行自控系统。
背景技术
船舶在风浪中航行时，受到风浪的影响，船舶会产生运动响应，在高海况条件下，船舶产生大幅度运动响应，在这种情况下船员会产生晕船或不适，船上设备的可用性降低，船舶的适航性会大幅减弱,甚至会威胁到船舶的海事安全。改善船舶的耐波性，减小船舶在风浪中的运动响应是船舶性能设计重要内容和努力方向。
目前，国内已经开展了基于减摇鳍的单体船舶耐波性改善方法和装置的研究，但只能改善横摇特性，不能改善纵摇、垂荡特性。
最近业内还开展了基于稳定鳍的小水线面双体船姿态稳定装置的研制，采用2对稳定鳍进行横摇、纵摇和垂荡特性改善。但是小水线面船纵向无法实现自稳，风浪条件下存在倾覆的风险，其控制系统需不断进行控制以保持自稳不倾覆，然后才是减摇，控制算法复杂，同时采用的控制执行机构也更复杂，通常采用阻力损失较大的多鳍结构形式。该鳍形式的附体的阻力通常要大幅大于压浪板或水翼，从而具有快速性损失大的缺陷。
同时，现有技术还提出了用于改善船舶耐波性的固定翼装置，但固定翼装置的在各种海况下翼角固定，无法根据波浪、航速情况调节翼角度至最佳角度，航行阻力大、产生的对抗摇荡的力又不能与实际需求对应，自然减摇效果差，快速性损失大，海况适用性差。
综上，目前国内尚无通用性好、快速性损失小、实现方式简单、改善船舶耐波性效率高的实用化航行自控系统。
发明内容
有鉴于此，本发明针对船舶在风浪大幅度摇荡引起的舒适性、安全性问题提出一种用于改善船舶耐波性的航行自控系统。
为了解决上述技术问题，本发明是这样实现的：
该改善船舶耐波性的航行自控系统，包括：传感单元、控制单元、驱动单元和执行机构；
执行机构包括艏部倒T型水翼和艉部双压浪板，该艉部双压浪板包括左压浪板和右压浪板；
传感单元用于采集船体姿态；
控制单元根据所述船体姿态，控制3个执行机构的联合运动来实现船舶姿态、升沉控制，输出控制指令到驱动单元，具体控制方案为：
通过艏部倒T型水翼和艉部双压浪板间的差模运动实现船舶纵摇角的控制；
通过艉部双压浪板间的差模运动实现船舶横摇角的控制；
通过艏部倒T型水翼和双压浪板间的共模运动控制船舶的整体升沉；
驱动单元，用于驱动执行机构运动。
优选地，所述控制单元包括3个控制通道：
控制通道1为艏艉差模运动控制通道，首先由控制算法根据船舶纵向姿态计算艏部倒T型水翼的第一最佳攻角αT1，然后取-αT1作为艉部两个压浪板的第一最佳攻角α左压1和α右压1；
控制通道2为艉部差模运动控制通道，首先由控制算法根据船舶横向姿态计算艉部左压浪板的第二最佳攻角α左压2，然后取其-α左压2作为艉部右压浪板的第二最佳攻角α右压2；
控制通道3为艏艉共模运动控制通道，首先由控制算法根据船舶重心升沉数值计算艏部倒T型水翼的第二最佳攻角αT2，取αT2和艏部倒T型水翼最大可用攻角αmax分别与αT1的差值中的小者为倒T型水翼的第三最佳攻角αT3，然后取-αT3×k作为艉部两个压浪板的第三最佳攻角α左压3和α右压3，k为艉部的两个压浪板力矩之和与艏部倒T型水翼力矩的比例因子；
针对每个执行机构，将3个最佳功角求取代数和，作为该执行机构的控制功角并翻译为控制指令输出。
优选地，所述传感单元采用安装于船体重心区域的MEMS集成式陀螺仪，用于采集表征船舶纵向姿态的纵摇角度和纵摇角速度、表征船舶横向姿态的横摇角度和横摇角速度、以及表征船舶重心升沉数值的垂荡速度和垂荡加速度。
优选地，该系统进一步包括触摸屏，触摸屏显示用户操作界面，通过触摸屏用户操作界面的操作实现系统启停、控制参数设置。
优选地，所述控制单元采用DSP控制器，DSP控制器预留以太网口用于对系统运行进行监控和远程调试。
有益效果：
首先，本发明通过控制艏部倒T型水翼和艉部双压浪板这3个执行机构的联合运动来实现船舶姿态、升沉控制，从而改善船舶在风浪大幅度摇荡引起的舒适性、安全性状况。
其次，通过艏部倒T型水翼和艉部压浪板间的差模运动来实现对船舶纵摇角的控制；通过艉部双压浪板间的差模运动来实现对船舶横摇角的控制，从而通过减少横摇角、纵摇角来改善船舶客舱、驾驶室等位置的本地垂荡特性；通过倒T型水翼和艉部压浪板间的共模运动来控制船舶的整体升沉进一步改善客舱、驾驶室等人员活动区域的垂荡特性。
相比于减摇鳍的设计方案，本发明不仅能改善横摇特性，还能改善纵摇、垂荡特性。
相对稳定鳍的设计方案，本发明执行机构结构更为简单、可靠，且执行机构数量减少；更符合水动力特性，阻力小，升阻比大，产生所需的同样大小控制力带来的阻力(副作用)要小很多，因此速度损失小，快速行好。
相比于固定翼装置的设计方案，本发明可以根据波浪和船体姿态、航速信息自动调节执行结构攻角，获取最佳的控制力大小、方向和作用时机，而固定翼在各种海况下翼角固定，无法根据波浪、航速情况调节翼角度至最佳角度，产生的对抗摇荡的力又不能与实际需求对应，导致航行阻力大,且无法提供适宜的用于减摇的控制力，有时还适得其反，自然其快速性损失大，且无法适应各种海况。
最后，本发明采用MEMS集成式陀螺仪，传感器体积小，安装方便；功能全，能同时测量到满足需求的全部测量数据；价格低廉，便于工程实际推广应用。
附图说明
图1为本发明改善船舶耐波性的航行自控系统的组成示意图。
图2为执行机构安装位置示意图。
图3为控制单元中三个控制通道的示意图。
具体实施方式
下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。
本发明提出了一种改善船舶耐波性的航行自控系统，其基本思想是：采用控制3个执行机构的联合运动来实现船舶姿态、升沉控制。前执行机构采用艏部倒T型水翼，后执行结构采用艉部的双压浪板；通过艏部倒T型水翼和艉部压浪板间的差模运动来实现对船舶纵摇角的控制；通过艉部双压浪板间的差模运动来实现对船舶横摇角的控制，从而通过减少横摇角、纵摇角来改善船舶客舱、驾驶室等位置的本地垂荡特性；通过倒T型水翼和艉部压浪板间的共模运动来控制船舶的整体升沉进一步改善客舱、驾驶室等人员活动区域的垂荡特性。
图1为本发明改善船舶耐波性的航行自控系统的组成示意图。如图1所示，该系统包括传感单元、控制单元、驱动单元和执行机构。
(1)执行机构
如图2所示，执行机构包括艏部倒T型水翼和艉部双压浪板，倒T型水翼安装于船体艏部下方，艉部双压浪板包括左压浪板和右压浪板，安装于船体艉部左右两侧。根据船舶吨位、尺寸、船型等确定倒T型水翼和压浪板的大小、安装方式。
(2)传感单元
本发明采用MEMS集成式陀螺仪实时采集船舶的运动、姿态信息，包括表征船舶纵向姿态的纵摇角度ξ5和纵摇角速度、表征船舶横向姿态的横摇角度ξ3和横摇角速度、以及表征船舶重心升沉数值的垂荡速度ξ1和垂荡加速度。将MEMS集成式陀螺仪安装于船体重心区域基座上。
在实际中，也可以只采用传感器件采集纵摇角度ξ5、横摇角度ξ3和垂荡速度ξ1，采用求微分的方式计算获得纵摇角速度、横摇角速度和垂荡加速度，从而减少对传感器件的要求。
(3)控制单元
控制单元采用DSP控制器实现。DSP控制器负责数据采集、控制算法、数据通信和用户界面(UI)控制。
数据采集是指从传感器获取采集数据。
控制算法包括3个控制通道的计算，采用带优先级的3个独立控制通道直接指令合成输出的方式实现对3个执行机构的攻角进行控制，不进行复杂的运动、姿态解耦合计算。根据工程经验，在进行控制系统设计时，可以将穿浪双体船的复杂运动简化为质点三个正交方向的平动和围绕摇心的三个正交转动。在进行工程简化处理时，可以假定摇心与质心重叠，正交分解后的各运动分量之间相互独立，因此可以分别进行独立控制。按照本应用减摇、提高船舶适航性、舒适性的目的，结合船池试验数据分析，选取其中重点关注的纵摇、横摇和垂荡三个正交分量进行控制，并根据对穿浪双体船适航性、舒适性的影响重要性确定有限的控制力在三个通道的分配先后顺序。如图3所示，具体为：
控制通道1为艏艉差模运动控制通道，首先由控制算法根据船舶纵向姿态计算艏部倒T型水翼的第一最佳攻角αT1，然后取-αT1作为艉部两个压浪板的第一最佳攻角α左压1和α右压1；
控制通道2为艉部差模运动控制通道，首先由控制算法根据船舶横向姿态计算艉部左压浪板的第二最佳攻角α左压2，然后取其-α左压2作为艉部右压浪板的第二最佳攻角α右压2；
控制通道3为艏艉共模运动控制通道，首先由控制算法根据船舶重心升沉数值计算艏部倒T型水翼的第二最佳攻角αT2，取αT2和艏部倒T型水翼最大可用攻角αmax分别与αT1的差值中的小者αT3＝min(αT2-αT1,αmax-αT1)为倒T型水翼的第三最佳攻角αT3，然后取-αT3×k作为艉部两个压浪板的第三最佳攻角α左压3和α右压3，k为艉部的两个压浪板力矩之和与艏部倒T型水翼力矩的比例因子；
针对每个执行机构，将3个最佳功角求取代数和，作为该执行机构的控制功角并翻译为控制指令输出给驱动单元。即：对于艏部倒T型水翼，αT1、αT2、αT3计算代数和；对于艉部左压浪板，α左压1、α左压2、α左压3计算代数和；对于艉部右压浪板，α右压1、α右压2、α右压3计算代数和。
上述三个控制通道的控制算法均可以采用常规控制算法的实现方式，例如PI控制器、PID控制器、P控制器等等，控制器的输入即为船舶纵向姿态/船舶横向姿态/船舶重心升沉数值，输出即为αT1/α左压2/αT2，在已知输入和输出的基础上，通过PID参数整定方法获得P、I、D是本领域的已知技术手段，不是本发明重点，这里不详述。
数据通信是指：DSP控制器预留以太网口用于对系统运行进行监控和远程调试。
UI控制是指：系统进一步包括触摸屏，触摸屏显示用户操作界面，DSP控制器负责触摸屏的控制，通过触摸屏用户操作界面的操作实现系统启停、控制参数设置、艏部倒T型水翼伸出及回收。
(4)驱动单元
驱动单元包括：伺服控制器，艏部倒T型水翼的液压系统和反馈通道，艉部左压浪板的液压系统和反馈通道，艉部右压浪板的液压系统和反馈通道。
伺服控制器用于将控制单元输出的执行机构转角信息转换为液压系统的转动圈数、运动行程等信息，并输出需要的驱动脉冲信号；
每个执行通道均采用偏差控制方案，即指令信号指定的攻角减去执行机构的反馈量，作为液压系统输入。
根据船舶吨位、尺寸、船型等确定液压系统的选型。
针对某一特定船舶，本发明实施步骤如下：
步骤1：根据船舶吨位、尺寸、船型等，确定执行机构倒T型水翼和压浪板的大小、安装方式和各执行机构驱动通道液压系统的具体选型。
步骤2：进行倒T型水翼、压浪板和液压驱动设备的安装。
步骤3：将MEMS集成式陀螺仪安装于船体重心区域基座上。
步骤4：将DSP控制器、伺服控制器和触摸屏等安装在船舶的驾驶室或设备舱。
步骤5：对MEMS集成式陀螺仪进行标校。
步骤6：通过触摸屏进行设置进入自检模式，对DSP控制器、伺服控制器和MEMS集成式陀螺仪间的数据通信进行自检测试。
步骤7：MEMS集成式陀螺仪、DSP控制器、伺服控制器和液压系统、执行机构等进行联调。
步骤8：联调测试通过，可以实船应用；应用过程中通过触摸屏观测系统运行状态，并可对系统运行参数进行设定；
步骤9：根据需要，也可将DSP控制器接入船舶上的以太网，通过远程方式进行检测、设置和调试。
不同条件下试验结果表明，对于典型船舶典型航速条件下，通过本航行自控系统，纵向减摇达到50％以上，纵向减摇达到70％以上，垂向加速度降低60％以上，并且具有良好普适性。
综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种改善船舶耐波性的航行自控系统，其特征在于，包括：传感单元、控制单元、驱动单元和执行机构；
执行机构包括艏部倒T型水翼和艉部双压浪板，该艉部双压浪板包括左压浪板和右压浪板；
传感单元用于采集船体姿态；
控制单元根据所述船体姿态，控制3个执行机构的联合运动来实现船舶姿态、升沉控制，输出控制指令到驱动单元，具体控制方案为：
通过艏部倒T型水翼和艉部双压浪板间的差模运动实现船舶纵摇角的控制；
通过艉部双压浪板间的差模运动实现船舶横摇角的控制；
通过艏部倒T型水翼和双压浪板间的共模运动控制船舶的整体升沉；
驱动单元，用于驱动执行机构运动。
2.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述控制单元包括3个控制通道：
控制通道1为艏艉差模运动控制通道，首先由控制算法根据船舶纵向姿态计算艏部倒T型水翼的第一最佳攻角αT1，然后取-αT1作为艉部两个压浪板的第一最佳攻角α左压1和α右压1；
控制通道2为艉部差模运动控制通道，首先由控制算法根据船舶横向姿态计算艉部左压浪板的第二最佳攻角α左压2，然后取其-α左压2作为艉部右压浪板的第二最佳攻角α右压2；
控制通道3为艏艉共模运动控制通道，首先由控制算法根据船舶重心升沉数值计算艏部倒T型水翼的第二最佳攻角αT2，取αT2和艏部倒T型水翼最大可用攻角αmax分别与αT1的差值中的小者为倒T型水翼的第三最佳攻角αT3，然后取-αT3×k作为艉部两个压浪板的第三最佳攻角α左压3和α右压3，k为艉部的两个压浪板力矩之和与艏部倒T型水翼力矩的比例因子；
针对每个执行机构，将3个最佳功角求取代数和，作为该执行机构的控制功角并翻译为控制指令输出。
3.如权利要求1或2所述的系统，其特征在于，所述传感单元采用安装于船体重心区域的MEMS集成式陀螺仪，用于采集表征船舶纵向姿态的纵摇角度和纵摇角速度、表征船舶横向姿态的横摇角度和横摇角速度、以及表征船舶重心升沉数值的垂荡速度和垂荡加速度。
4.如权利要求1所述的系统，其特征在于，该系统进一步包括触摸屏，触摸屏显示用户操作界面，通过触摸屏用户操作界面的操作实现系统启停、控制参数设置。
5.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述控制单元采用DSP控制器，DSP控制器预留以太网口用于对系统运行进行监控和远程调试。
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