CN109050818B - 一种基于多推进器的船艇减摇方法 - Google Patents

一种基于多推进器的船艇减摇方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种基于多推进器的船艇减摇方法，通过加装在船艇纵轴纵剖面左右两侧的辅助推进器通过产生与船艇摇摆相反的减摇力矩实现减摇。与现有技术相比，本发明具有有效地抵消船艇的横摇等优点。

Description

一种基于多推进器的船艇减摇方法
技术领域
本发明涉及海洋工程无人艇技术领域，尤其是涉及一种基于多推进器的船艇减摇方法。
背景技术
船艇在海上航行或工作时，由于受到海浪、海风以及海流等海洋环境扰动的作用，不可避免地产生摇荡运动。剧烈的摇荡不但影响船舶的航行，还会极大地影响船艇设备的正常工作，并给船艇带来不安全因素。
海浪、海风以及海流等海洋环境扰动会导致船艇的六个自由度的运动，称之为横摇、纵摇、艏摇、横荡、纵荡、垂荡(或升沉)，其中船艇横摇不良影响最大，减摇效果也最佳，因此船艇减摇装置主要以减轻横摇为目的。而纵摇和艏摇程度较轻，减摇必要性不大，且摇摆力矩大，减摇的效果和经济性均较差，所以在船艇上通常没有专门为其设置减摇装置。
在恶劣的海况下，船艇横摇30～40°是常见的，海况越恶劣，波倾角q越大，船艇摇摆越激烈。当船艇遭遇到一个波长远超过船宽、波倾角为q的横浪时，会受到波浪给予的一个横摇力矩，此力矩称为横倾力矩，在数值上与船在静水中倾斜q时复原力矩相等。为了平衡波倾角量为q的波浪作用于船舶的横摇力矩，减摇装置必须提供与该力矩相等的减摇力矩。实际上减摇装置所提供的减摇力矩不会与横倾力矩相等，只能克服一部分的横摇。其最大减摇力矩所能克服的波浪波倾角q可以作为衡量减摇装置能力的标志，称为减摇装置的减摇能力。
目前采用的船艇减摇技术有舭龙骨、减摇水舱、减摇鳍、减摇陀螺、舵减摇等几种，长度较小的艇主要采用减摇陀螺技术。
发明内容
本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种基于多推进器的船艇减摇方法。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
一种基于多推进器的船艇减摇方法，通过加装在船艇纵轴纵剖面左右两侧的辅助推进器通过产生与船艇摇摆相反的减摇力矩实现减摇。
所述的辅助推进器安装在船艇纵轴横剖面的下方。
通过滤波和辨识提取船艇横摇信息产生减摇力矩。
所述的船艇横摇信息包括幅值和周期。
所述的减摇力矩等于波浪作用于艇的横摇力矩。
所述的左右两侧的辅助推进器产生的推力大小相等且方向相反，并且通过输入虚拟推力进行控制。
所述的虚拟推力根据推进器的动力种类划分为：
对于电推船艇，虚拟推力为电机电调上的PWM波占空比；
对于电控柴油机，虚拟推力为直流伺服电机上的电压；
对于泵喷船艇，虚拟推力为电液控制阀控制信号。
通过对横摇角和期望艏摇角构建减摇控制器，并进行多目标优化产生减摇力矩，具体为：
Figure BDA0001727278610000021
其中，ψ为船艇横摇角，ψr为船艇横摇角给定值，
Figure BDA0001727278610000022
为艏摇角，
Figure BDA0001727278610000023
为期望艏摇角(保持艏向)，f为虚拟推力，δ为船艇舵角，fm为最大虚拟推力，δm为最大舵偏，Q和R为权矩阵，
所述的船艇横摇角给定值ψr的曲线周期与波浪力矩周期相同，并且船艇横摇角给定值ψr的曲线相位滞后船艇横摇角90°。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
本专利提出一种新的船艇减摇技术，在船艇上安装多部推进器，利用不同推进器产生的推力，在船艇上产生一对与摇摆相反的升力，形成减摇力矩，减摇力矩等于波浪作用于船艇的横摇力矩，能有效地抵消船艇的横摇。
附图说明
图1为本发明中船舶轴线对称排列三推进器结构示意图。
图2为本发明中船舶轴线对称排列二推进器结构示意图。
图3为本发明中利用左右辅助推进器进行减摇的原理图。
图4为本发明中波浪力矩、船舶横摇和减摇力矩的关系示意图。
图5为本发明中减摇控制系统工作原理框图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。
实施例
多数船艇推进和转向系统由安装在船艇尾部的主推进器和舵组成，很难抑制横摇。为了抑制船艇的横摇，本发明提出了一种三推进器的结构，如图1所示。位于船艇纵轴纵剖面上的是主推进器，左右两侧的辅助推进器相对于船艇纵轴纵剖面对称排列，均安装在船艇纵轴横剖面的下方。主推进器通过安装在后方的舵产生艏摇力矩，左右辅助推进器依靠推力差可产生艏摇力矩。本发明提出的船艇横摇抑制方法针对该结构提出，但并不限于该结构，可以直接用于图2所示的两推进器结构。
本发明提出的船艇横摇抑制方法的工作原理如下：由于左右两侧的辅助推进器均安装在纵轴横剖面的下方，与横剖面形成一定的夹角，依靠推力差产生横摇力矩。左右辅助推进器产生艏摇力矩的同时，还会产生一个与艏摇力矩响应周期不同的横摇力矩，该横摇力矩在量上与波浪产生的横摇力矩相当，能够相互抵消。
船舶在海浪作用下摇摆，表征船舶摇摆运动特性的要素有摇摆角振幅和摇摆周期。摇摆角振幅表征摇摆的偏移强度，取决于船舶的固有振荡频率、受迫力矩的频率以及阻尼力矩系数。摇摆周期表征摇摆的快慢程度，由受迫力矩的周期决定。船艇在规则波中摇摆时，最终将与波浪周期相合。实际的海浪多是严重不规则性的，船在不规则波中的摇摆平均周期通常不等于船的固有周期，存在相位差。船的固有周期与波浪周期之比值对船的摇摆振幅和相位有直接的影响。当船的固有周期与波浪周期相近时就会发生共振，船舶会出现谐摇，在同样的波浪扰动力矩下摇摆振幅最大。此时船的横摇角滞后波浪力矩90°。同理，当船的固有周期T远大于或远小于波浪周期τ(T/τ<0.7或T/T>1.4)，船舶的摇摆振幅会明显地减小下来。只要正确地控制左右辅助推进器产生推力的方向、大小和相位，就可以达到利用左右辅助推进器进行减摇的目的，如图3。
从原理上，本发明提出的利用左右辅助推进器的减摇技术，与舵减摇工作原理类似，但二者有本质不同。舵减摇是一种被动工作方式，响应速度慢，必须在船艇保持一定航速时才能工作，当船艇低速行进或者静止时就失去了减摇。舵减摇需要很大的功率和舵速，民用船艇舵机必须进行改造方可安装。另外，舵减摇控制器对船舶参数高度敏感，船舶装载的改变、航速的变化和舵机参数的改变都会使减摇结果明显下降。而左右辅助推进器减摇技术是一种主动工作方式，响应速度快，不管船艇是否运动或者静止均能有效工作，对功率要求不高，对船舶参数的敏感度相对较低，其代价是要增加两个推进器。但对于小型船艇而言，结构简单，噪声小，成本远低于减摇器。
原则上，左右辅助推进器的推力方向和大小可以独立选择，但在工程上，为了实现简单，可以选择二者的推力大小相等，方向相反。由于推力无法直接测量，所以在控制中，系统的输入实际是虚拟推力。虚拟推力的定义依据推进器的动力种类不同而不同。对于电推船艇，虚拟推力就是电机电调上的PWM波占空比；对于电控柴油机，虚拟推力就是直流伺服电机上的电压；对于泵喷船艇，虚拟推力就是电液控制阀控制信号。
假设单部辅助推进器的虚拟推力为f，船艇舵角为δ，由此导致的船艇横摇角为ψ，艏摇角为
Figure BDA0001727278610000041
则行进和减摇系统是一个两入两出的多变量系统，其传递函数用G(s)表示，系统输入分别是虚拟推力f和船艇舵角δ，系统输出是船艇横摇角ψ，艏摇角
Figure BDA0001727278610000042
即
Figure BDA0001727278610000043
减摇控制器的目标是一个多目标优化问题，即在跟踪给定值ψr的同时尽量保持艏向
Figure BDA0001727278610000044
由于虚拟推力不可能无穷大，舵偏也具有一定的范围，所以优化目标还要受到最大虚拟推力fm和最大舵偏δm的限制，即
Figure BDA0001727278610000045
其中的Q和R是权矩阵，依据设计者对控制变量约束(fm和δm)的考虑进行试凑选取，原则是不破坏约束。设计的关键在于，给定值ψr的曲线周期要与波浪力矩周期相同，此时减摇力矩最大，同时给定值ψr的曲线相位要滞后船舶横摇角90°，如图4。多目标优化可以采用已有的成熟方法，包括线性二次最优、H无穷、机器学习等，采用定量控制方法可避免权矩阵的选择问题。但在应用这些方法时要考虑跟踪周期性信号的时滞，即重复控制问题。由于优化问题求解只有在确定模型结构及其参数后才能迭代进行，一般无法事先得到显式控制器。
需要强调的是，本发明的关键创新点在于采用辅助推进器产生减摇力矩，减摇力矩要跟踪ψr，其周期要与波浪力矩周期相同，相位要滞后船舶横摇角90°。依据这一思想可以定义出多种不同的多目标优化函数及其约束条件。实际上，通过不同多目标优化函数优化后得到的结果并没有显著的差异。
步骤1：初始化。数据采集模块读取陀螺仪数据，该数据是与角速度成正比的电压信号。
步骤2：参数滤波。滤波模块对数据进行野值剔除，然后进行傅里叶变换，提取横摇信息，包括幅值和周期。
步骤3：确定期望横摇角。计算模块根据横摇幅值和周期，依据图4确定期望横摇角。具体方法是将船艇横摇角平移90°，然后计算每点的幅值和相位。
步骤4：模型辨识。辨识模块分别对期望横摇角和期望艏摇角施加激励，测量实际横摇角和实际艏摇角，采用最小二乘方法辨识船舶动态响应模型G(s)。通常G(s)的表达式如下：
Figure BDA0001727278610000051
步骤5：减摇控制。针对横摇角和期望艏摇角设计控制器，对系统进行多目标优化，在控制模块中实现重复控制器。

Claims (6)

1.一种基于多推进器的船艇减摇方法，其特征在于，通过加装在船艇纵轴纵剖面左右两侧的辅助推进器通过产生与船艇摇摆相反的减摇力矩实现减摇，所述的左右两侧的辅助推进器产生的推力大小相等且方向相反，并且通过输入虚拟推力进行控制，所述的虚拟推力根据推进器的动力种类划分为：
对于电推船艇，虚拟推力为电机电调上的PWM波占空比；
对于电控柴油机，虚拟推力为直流伺服电机上的电压；
对于泵喷船艇，虚拟推力为电液控制阀控制信号；
通过对船艇横摇角和期望艏摇角构建减摇控制器，并进行多目标优化产生减摇力矩，具体为：
Figure FDA0002189768870000011
其中，ψ为船艇横摇角，ψr为船艇横摇角给定值，
Figure FDA0002189768870000012
为艏摇角，
Figure FDA0002189768870000013
为期望艏摇角，f为虚拟推力，δ为船艇舵角，fm为最大虚拟推力，δm为最大舵偏，Q和R为权矩阵。
2.根据权利要求1所述的一种基于多推进器的船艇减摇方法，其特征在于，所述的辅助推进器安装在船艇纵轴横剖面的下方。
3.根据权利要求1所述的一种基于多推进器的船艇减摇方法，其特征在于，通过滤波和辨识提取船艇横摇信息产生减摇力矩。
4.根据权利要求3所述的一种基于多推进器的船艇减摇方法，其特征在于，所述的船艇横摇信息包括幅值和周期。
5.根据权利要求1所述的一种基于多推进器的船艇减摇方法，其特征在于，所述的减摇力矩等于波浪作用于艇的横摇力矩。
6.根据权利要求1所述的一种基于多推进器的船艇减摇方法，其特征在于，所述的船艇横摇角给定值ψr的曲线周期与波浪力矩周期相同，并且船艇横摇角给定值ψr的曲线相位滞后船艇横摇角90°。
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