CN111003114A - 一种用于中小型船舶的减摇方法及系统 - Google Patents

一种用于中小型船舶的减摇方法及系统 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种用于中小型船舶的减摇方法及系统，所述方法包括以下步骤：S1、在船舶船身的左右两侧的中部对称设置两个推进机构；S2、建立船舶的力学模型；S3、计算所述力学模型的动力学方程；S4、采集多组船舶在不同情况下处于平衡状态时的上述数据；S5、采集船舶运行时的船舶运行环境数据和船舶自身运行数据，当θ＞10°时，计算得到此时要使船舶恢复平衡时推进机构所需要提供的推动力f(t)；S6、船舶倾斜一侧的所述推动机构开始工作，向船舶施加大小为|f(t)|的推力，使得船舶恢复平衡。本发明提供一种用于中小型船舶的减摇方法及系统，及时对船舶的倾斜进行修正，有效的提高船舶航行的稳定性和安全性。

Description

一种用于中小型船舶的减摇方法及系统
技术领域
本发明涉及船舶控制领域。更具体地说，本发明涉及一种用于中小型船舶的减摇方法及系统。
背景技术
随着经济全球化，国家之间的贸易额也不断攀升，各国之间的运输方式目前以船舶运输为主，为保证长途运输中海上人员的安全，以及短程游行中乘船人员的舒适性，船舶的减摇工作是必不可少的，传统的减摇方式更多的是靠船舶本身的设计，通过增大船身阻尼，降低重心等方式减摇，但这些传统减摇方式都存在些许弊端，如通过增大船身阻尼的方式减摇，将会降低船舶航海时转向的灵活性，无法快速的避让前方的障碍物，而降低重心的减摇方式，将会降低船舶的载荷，船舶的翻覆概率也会升高。
发明内容
本发明的目的是提供一种用于中小型船舶的减摇方法及系统，及时对船舶的倾斜进行修正，有效的提高船舶航行的稳定性和安全性。
代表了实现根据本发明的这些目的和其它优点，提供了一种用于中小型船舶的减摇方法，包括以下步骤：
S1、在船舶船身的左右两侧的中部对称设置两个推进机构，所述推进机构的推进方向均朝向其远离所述船舶的一侧；
S2、建立船舶的力学模型，其中，所述力学模型中将船舶摇晃时的重力势能与动能之间的转化视为弹簧的弹性势能与动能之间的转化；
S3、计算所述力学模型的动力学方程：
Figure BDA0002315063910000011
其中，m为船舶的总重量；r为船舶底部中点到船舶质心的高度差；
Figure BDA0002315063910000012
为船舶竖直方向角加速度；c为水对船舶的阻尼，其中c＝αT+βh+γv，α、β和γ为权重系数，T为水温，h为船舶的吃水深度，v为船舶的实时速度；
Figure BDA0002315063910000021
为船舶竖直方向角速度；k为所述弹簧的弹性系数；θ为船舶竖直方向倾斜角度；f为推进机构所提供的推动力；L为所述推进机构与船底的高度差；
由上式(1)可知，
Figure BDA0002315063910000022
S4、采集多组船舶在不同情况下处于平衡状态时的上述数据，船舶处于平衡状态时f＝0，并将采集得到的上述数据代入上式(1)中，得到α、β、γ和k的值；
S5、采集船舶运行时的竖直方向的实时角加速度
Figure BDA0002315063910000023
竖直方向额实时角速度
Figure BDA0002315063910000024
竖直方向的实时倾斜角度θ(t)、水面实时温度T(t)、船舶实时吃水深度h(t)、和船舶实时速度v(t)，当θ＞10°时，将上述数据代入式(2)中，计算得到此时要使船舶恢复平衡时推进机构所需要提供的推动力f(t)
S6、船舶倾斜一侧的所述推动机构开始工作，向船舶施加大小为|f(t)|的推力，使得船舶恢复平衡。
优选的是，所述的一种用于中小型船舶的减摇方法中，所述力学模型包括支架、杆体、弹簧、小球和阻尼器，所述杆体水平设置，其一端与所述支架转动连接，所述小球设置在所述杆体的另一端，所述弹簧竖直设置在所述小球上方，其上端与所述支架连接，其下端与小球的上端连接，所述杆体的下端具有一连接点，所述阻尼器竖直设置在所述杆体下方，其上端与所述连接点连接，其下端与地面连接，所述杆体的上端具有一受力点，所述受力点处收到竖直向下的力，其中，所述杆体的长度代表r；所述弹簧的弹性系数代表k；所述小球的质量代表m；所述受力点受到向下的力代表f；所述受力点到所述杆体一端的距离代表L；所述连接点到所述杆体一端的距离代表h；所述阻尼器的阻尼代表c；对所述杆体施加向下的力f后，杆体与水平方向的夹角代表θ。
优选的是，所述的一种用于中小型船舶的减摇方法中，船舶朝向其任意一侧倾斜时，该侧的所述推进机构被禁止启动。
优选的是，所述的一种用于中小型船舶的减摇方法中，所述推进机构包括液压泵和高压水枪，所述液压泵设置在船舶的发动机舱内，两根所述高压水枪分别对称设置在船身的左右两侧的中部，并与船身垂直，所述液压泵与对应的所述高压水枪连接。
本发明还提供一种用于中小型船舶的减摇系统，包括船舶航行环境温度传感器、船舶航行角速度传感器、船舶航行角加速度传感器、船舶航行倾角传感器、船舶航行压力传感器、船舶航行速度传感器、两个推进机构和控制器，两个所述推进机构分别对称设置在船舶船身的左右两侧的中部，且所述推进机构的推进方向均朝向所述船舶，所述船舶航行环境温度传感器、船舶航行角速度传感器、船舶航行角加速度传感器、船舶航行倾角传感器、船舶航行压力传感器、船舶航行速度传感器和两个推进机构分别与所述控制器电连接。
优选的是，所述的一种用于中小型船舶的减摇系统中，所述推进机构包括液压泵和高压水枪，所述液压泵设置在船舶的发动机舱内，两根所述高压水枪分别对称设置在船身的左右两侧的中部，并与船身垂直，所述液压泵与对应的所述高压水枪连接，所述液压泵均与所述控制器电连接。
本发明的有益效果是：在传统的减摇方式中，减摇多为被动减摇，诸如增大船身阻尼，重心等，是在外激励的作用下，加大阻尼系数的值。而本发明则是在外激励的作用下，通过二阶偏微分方程的并行迭代算法的处理，通过推进机构加入一个修正力，实现自适应动态优化调节控制，从而主动的，可控的，智能的调节系统的振幅，达到减摇的目的。
本发明的其它优点、目标和特征将部分通过下面的说明体现，部分还将通过对本发明的研究和实践而代表本领域的技术人员所理解。
附图说明
图1代表本发明所述的船舶的纵截面示意图；
图2代表本发明所述的船舶的力学模型；
图3代表本发明所述的减摇系统的电连接示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步的详细说明，以令本领域技术人员参照说明书文字能够据以实施。
需要说明的是，在本发明的描述中，术语“横向”、“纵向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系代表基于附图所示的方位或位置关系，仅是代表了便于描述本发明和简化描述，并不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解代表对本发明的限制。
如图1-图2所示，本发明的实施例提供一种用于中小型船舶的减摇方法，包括以下步骤：
S1、在船舶船身的左右两侧的中部对称设置两个推进机构，所述推进机构的推进方向均朝向其远离所述船舶的一侧；所述推进机构包括液压泵和高压水枪，所述液压泵设置在船舶的发动机舱内，两根所述高压水枪分别对称设置在船身的左右两侧的中部，并与船身垂直，所述液压泵与对应的所述高压水枪连接；
S2、建立船舶的力学模型，其中，所述力学模型中将船舶摇晃时的重力势能与动能之间的转化视为弹簧的弹性势能与动能之间的转化；
因当前市面上，绝大多数船舶均为轴对称设计，如图1所示，故设船舶底部中点为O，则其质心在O点正上方位置Z，设O与Z点距离为r，船舶吃水深度为h，X点为推进装置安装位置，距船底距离为L。
由于船舶整体的结构非常复杂，因此想要对其进行振动分析，必须先将实际系统抽象简化形成动力学模型，动力模型的应用使得对复杂的机械系统进行分析成为可能。直接对动力模型进行分析和计算，不仅具有较高的可靠性，还大大减少了原本的工作量。构建的船舶力学模型为质量-阻尼-弹簧的单自由度系统，模型如附图中图2所示：
所述力学模型包括支架、杆体、弹簧、小球和阻尼器，所述杆体水平设置，其一端与所述支架转动连接，所述小球设置在所述杆体的另一端，所述弹簧竖直设置在所述小球上方，其上端与所述支架连接，其下端与小球的上端连接，所述杆体的下端具有一连接点，所述阻尼器竖直设置在所述杆体下方，其上端与所述连接点连接，其下端与地面连接，所述杆体的上端具有一受力点，所述受力点处收到竖直向下的力，其中，所述杆体的长度代表船舶底部中点到船舶质心的高度差r；所述弹簧的弹性系数代表k；所述小球的质量代表船舶的总重量m；所述受力点受到向下的力代表推进机构所提供的推动力f；所述受力点到所述杆体一端的距离代表推进机构与船底的高度差L；所述连接点到所述杆体一端的距离代表船舶的吃水深度h；所述阻尼器的阻尼代表水对船舶的阻尼c；对所述杆体施加向下的力f后，杆体与水平方向的夹角代表船舶竖直方向倾斜角度θ；
S3、得出系统的力学模型后，还需建立系统的运动方程，目前常用于振动系统运动方程建立的原理有D’Alembert原理、Lagrange方程和Hamilton原理，他们有其独特的优缺点，需要根据合适的场合以及需求来应用。其中D’Alembert原理相较于其他两种方法，此方法更为简单且方便计算，因此对于较为简单的振动系统来说是最适用的，它的原理是在解决动力学问题的时候用静力学的方法：将惯性力的概念融入，用力的平衡方程来代替动力学方程。上述特性均适合本发明所需要求，故根据D’Alembert原理，对于该系统而言，根据动量矩定理，给出所述力学模型的动力学方程：
Figure BDA0002315063910000051
其中，m为船舶的总重量；r为船舶底部中点到船舶质心的高度差；
Figure BDA0002315063910000052
为船舶竖直方向角加速度；c为水对船舶的阻尼，其中c＝αT+βj+γv，α、β和γ为权重系数，T为水温，h为船舶的吃水深度，v为船舶的实时速度；
Figure BDA0002315063910000053
为船舶竖直方向角速度；k为所述弹簧的弹性系数；θ为船舶竖直方向倾斜角度；f为推进机构所提供的推动力；L为所述推进机构与船底的高度差；
由上式(1)可知，
Figure BDA0002315063910000054
S4、采集多组船舶在不同情况下处于平衡状态时的上述数据，船舶处于平衡状态时f＝0，并将采集得到的上述数据代入上式(1)中，得到α、β、γ和k的值；
S5、采集船舶运行时的竖直方向的实时角加速度
Figure BDA0002315063910000055
竖直方向额实时角速度
Figure BDA0002315063910000056
竖直方向的实时倾斜角度θ(t)、水面实时温度T(t)、船舶实时吃水深度h(t)、和船舶实时速度v(t)，当θ＞10°时，将上述数据代入式(2)中，计算得到此时要使船舶恢复平衡时推进机构所需要提供的推动力f(t)
S6、船舶倾斜一侧的所述推动机构开始工作，向船舶施加大小为|f(t)|的推力，使得船舶恢复平衡。
该实施例中，在发动机舱装载一个液压泵，并将力传递到位于船身两侧中部的推进机构，根据多传感器得到的船舶的实时数据，再通过二阶偏微分方程的模型并行迭代算法的处理，得到系统的最优解，控制推进力的大小，实现自适应动态优化调节控制，从而实现船舶减摇最优化节能控制，有效的提高船舶航行的稳定性和安全性。采取液压推进的方式，可实现大范围的无级调速，传动比可高达1:1000，易于实现载荷控制、速度控制和方向控制，可以进行集中控制、遥控和实现自动控制，其控制传动平稳，反应快，并能高速启动和频繁换向，且液压原件均为标准件易于设计和推广应用，其高速启动和可频繁换向等特点特别适合本发明所需性能。
优选的是，所述的一种用于中小型船舶的减摇方法中，船舶朝向其任意一侧倾斜时，该侧的所述推进机构被禁止启动。
如图3所示，本发明还提供一种用于中小型船舶的减摇系统，包括船舶航行环境温度传感器、船舶航行角速度传感器、船舶航行角加速度传感器、船舶航行倾角传感器、船舶航行压力传感器、船舶航行速度传感器、两个推进机构和控制器，两个所述推进机构分别对称设置在船舶船身的左右两侧的中部，且所述推进机构的推进方向均朝向所述船舶，所述船舶航行环境温度传感器、船舶航行角速度传感器、船舶航行角加速度传感器、船舶航行倾角传感器、船舶航行压力传感器、船舶航行速度传感器和两个推进机构分别与所述控制器电连接；所述推进机构包括液压泵和高压水枪，所述液压泵设置在船舶的发动机舱内，两根所述高压水枪分别对称设置在船身的左右两侧的中部，并与船身垂直，所述液压泵与对应的所述高压水枪连接，所述液压泵均与所述控制器电连接。
该实施例中，船舶航行环境温度传感器，用于测量车外环境的温度值，其型号为TA138A；船舶航行角速度传感器，用于测量船舶摇晃的角速度，其型号为XV-3510CB；船舶航行角加速度传感器，用于测量船舶摇晃的角加速度，其型号为Endevco-7302B；船舶航行倾角传感器，用于实时检测摇船舶的摇晃幅度，其型号为PSD-S1；压力传感器，用于测量船舶的吃水深度，其型号为MS5837-30BA。
尽管本发明的实施方案已公开如上，但其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列运用，它完全可以被适用于各种适合本发明的领域，对于熟悉本领域的人员而言，可容易地实现另外的修改，因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本发明并不限于特定的细节和这里示出与描述的实施例。

Claims (6)

1.一种用于中小型船舶的减摇方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、在船舶船身的左右两侧的中部对称设置两个推进机构，所述推进机构的推进方向均朝向其远离所述船舶的一侧；
S2、建立船舶的力学模型，其中，所述力学模型中将船舶摇晃时的重力势能与动能之间的转化视为弹簧的弹性势能与动能之间的转化；
S3、计算所述力学模型的动力学方程：
Figure FDA0002315063900000011
其中，m为船舶的总重量；r为船舶底部中点到船舶质心的高度差；
Figure FDA0002315063900000012
为船舶竖直方向角加速度；c为水对船舶的阻尼，其中c＝αT+βh+γv，α、β和γ为权重系数，T为水温，h为船舶的吃水深度，v为船舶的实时速度；
Figure FDA0002315063900000013
为船舶竖直方向角速度；k为所述弹簧的弹性系数；θ为船舶竖直方向倾斜角度；f为推进机构所提供的推动力；L为所述推进机构与船底的高度差；
由上式(1)可知，
Figure FDA0002315063900000014
S4、采集多组船舶在不同情况下处于平衡状态时的上述数据，船舶处于平衡状态时f＝0，并将采集得到的上述数据代入上式(1)中，得到α、β、γ和k的值；
S5、采集船舶运行时的竖直方向的实时角加速度
Figure FDA0002315063900000015
竖直方向额实时角速度
Figure FDA0002315063900000016
竖直方向的实时倾斜角度θ(t)、水面实时温度T(t)、船舶实时吃水深度h(t)、和船舶实时速度v(t)，当θ＞10°时，将上述数据代入式(2)中，计算得到此时要使船舶恢复平衡时推进机构所需要提供的推动力f(t)
S6、船舶倾斜一侧的所述推动机构开始工作，向船舶施加大小为|f(t)|的推力，使得船舶恢复平衡。
2.如权利要求1所述的一种用于中小型船舶的减摇方法，其特征在于，所述力学模型包括支架、杆体、弹簧、小球和阻尼器，所述杆体水平设置，其一端与所述支架转动连接，所述小球设置在所述杆体的另一端，所述弹簧竖直设置在所述小球上方，其上端与所述支架连接，其下端与小球的上端连接，所述杆体的下端具有一连接点，所述阻尼器竖直设置在所述杆体下方，其上端与所述连接点连接，其下端与地面连接，所述杆体的上端具有一受力点，所述受力点处收到竖直向下的力，其中，所述杆体的长度代表r；所述弹簧的弹性系数代表k；所述小球的质量代表m；所述受力点受到向下的力代表f；所述受力点到所述杆体一端的距离代表L；所述连接点到所述杆体一端的距离代表h；所述阻尼器的阻尼代表c；对所述杆体施加向下的力f后，杆体与水平方向的夹角代表θ。
3.如权利要求1所述的一种用于中小型船舶的减摇方法，其特征在于，船舶朝向其任意一侧倾斜时，该侧的所述推进机构被禁止启动。
4.如权利要求1所述的一种用于中小型船舶的减摇方法，其特征在于，所述推进机构包括液压泵和高压水枪，所述液压泵设置在船舶的发动机舱内，两根所述高压水枪分别对称设置在船身的左右两侧的中部，并与船身垂直，所述液压泵与对应的所述高压水枪连接。
5.一种用于中小型船舶的减摇系统，采用如权利要求1-3任一项所述的一种用于中小型船舶的减摇方法，其特征在于，包括船舶航行环境温度传感器、船舶航行角速度传感器、船舶航行角加速度传感器、船舶航行倾角传感器、船舶航行压力传感器、船舶航行速度传感器、两个推进机构和控制器，两个所述推进机构分别对称设置在船舶船身的左右两侧的中部，且所述推进机构的推进方向均朝向所述船舶，所述船舶航行环境温度传感器、船舶航行角速度传感器、船舶航行角加速度传感器、船舶航行倾角传感器、船舶航行压力传感器、船舶航行速度传感器和两个推进机构分别与所述控制器电连接。
6.如权利要求5所述的一种用于中小型船舶的减摇系统，其特征在于，所述推进机构包括液压泵和高压水枪，所述液压泵设置在船舶的发动机舱内，两根所述高压水枪分别对称设置在船身的左右两侧的中部，并与船身垂直，所述液压泵与对应的所述高压水枪连接，所述液压泵均与所述控制器电连接。
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