CN112278176A - 一种船舶姿态控制拓扑结构及控制系统 - Google Patents

一种船舶姿态控制拓扑结构及控制系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种船舶姿态控制拓扑结构及控制系统，其特征在于：包括嵌套的船舶姿态控制闭环外环和船舶姿态控制闭环内环；船舶姿态控制闭环外环由传感器A、观测器、控制器A、推力分配单元A、加法器A、转换器、执行机构、加法器B和船体组成，该控制闭环可实现船舶的横移、纵移和艏摇控制。船舶姿态控制闭环内环由传感器B、控制器B、力矩转换单元、推力分配单元B、加法器A、转换器、执行机构、加法器B和船体组成，该控制闭环可实现船舶的横摇和纵摇控制。本发明通过内外环双层嵌套闭环控制共同实现横移、纵移、艏摇、横摇和纵摇多自由度姿态控制，满足作业工况，提高船舶操纵性。

Description

一种船舶姿态控制拓扑结构及控制系统
技术领域
本发明涉及一种船舶姿态控制拓扑结构及控制系统。
背景技术
船舶在海上的运动具有六个自有度，在笛卡尔直角坐标系内，沿着XYZ三个轴移动的运动为横移、纵移和垂荡，绕着XYZ三个轴转动的运动为横摇、纵摇和艏摇。通过六个自由度的操纵能够有效地控制船舶在海上的运动姿态。
大多数船舶在海上以航行为主要目的，而某些工程船则以海上作业为主要任务。当工程船处于作业工况时，其在海上的运动姿态会受到风、浪、流等外部环境的影响，为使其能够保持相对静止或固定轨迹的循迹状态，该类船舶需要具备姿态控制和调整的能力。
传统的船舶姿态控制主要是实现横移、纵移和艏摇三个自由度的操纵，该类控制拓扑结构往往应用于航行及低海况作业场景，实现船舶基本的三自由度姿态控制，虽然能够控制船舶位移和方向的改变，但并不能减小海浪对于船体横摇和纵摇的影响。在海况比较恶劣的情况下，风浪流的合力作用在船舶上，使得传统的三自由度姿态控制已经不能满足使用需求，还需要对船舶的横摇和纵摇姿态进行有效操纵，以确保船上人员的作业安全。
发明内容
本发明要解决的技术问题是：传统的船舶姿态控制不能满足高海况工程作业下的多自由度姿态控制的问题。
为了解决上述问题，本发明的技术方案是提供了一种船舶姿态控制拓扑结构，其特征在于：包括嵌套的船舶姿态控制闭环外环和船舶姿态控制闭环内环；
所述船舶姿态控制闭环外环用于实现船舶的横移、纵移和艏摇控制，包括传感器A、观测器、控制器A、推力分配单元A、执行机构和船体，所述船体通过传感器A与观测器的输入端连接，所述观测器的输出端通过控制器A与推力分配单元A的输入端连接；
所述船舶姿态控制闭环内环用于实现船舶的横摇和纵摇控制，包括传感器B、控制器B、力矩转换单元、推力分配单元B、执行机构和船体，所述船体通过传感器B与控制器B的输入端连接，所述控制器B的输出端通过力矩转换单元与推力分配单元B的输入端连接；
所述推力分配单元A和推力分配单元B分别用于获取控制器A和力矩转换单元输出的控制合力并将所述控制合力分解为执行机构所需的推力分力，所述推力分力经矢量叠加后输送至执行机构，并通过执行机构传输至船体实现船舶姿态控制。
优选地，所述推力分配单元A的输出端和推力分配单元B的输出端通过加法器A与执行机构的输入端连接，所述加法器A将推力分配单元A和推力分配单元B输出的两路矢量输入信息进行加法运算，输出一路矢量信息传输至执行机构。
优选地，所述执行机构包括多个推力器，用于产生横移力、纵移力、横摇力矩、纵摇力矩和艏摇力矩。
优选地，所述加法器A和执行机构之间通过转换器连接，所述转换器用于将分配后的各个推进器分力转换为不同推进器可识别的底层设定指令。
优选地，所述执行机构和船体之间通过加法器B连接，所述加法器B将执行机构的输出和外界风浪流两路矢量信息进行加法运算，输出一路矢量信息传输至船体。
优选地，所述控制器A的输入端分别连接观测器的输出端和用户指令，控制器A的输出端连接推力分配单元A，根据用户指令和观测器输入的信息计算出船舶所需的控制合力并传输至推力分配单元A。
优选地，所述传感器A用于采集船舶位置信息、艏向信息和海洋环境信息，并将采集到的数据信息传输至观测器；所述观测器根据接收到的传感器A的数据信息给出船舶状态估计值并传输至控制器A，观测器兼具滤除海浪高频干扰的作用。
优选地，所述传感器B用于采集船舶的横摇角、纵摇角、横摇角速度和纵摇角速度并将采集到的数据信息传输至控制器B；所述控制器B根据接收到传感器B的数据信息进行船舶横摇或纵摇力矩的计算。
优选地，所述力矩转换单元将横摇或纵摇力矩转换为所需控制合力并传输至推力分配单元B。
本发明的另一个技术方案是提供了一种船舶姿态控制系统，其特征在于：应用上述任意一项所述的一种船舶姿态控制拓扑结构。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
本发明通过船舶姿态控制闭环外环可实现船舶横移、纵移、艏摇控制，通过船舶姿态控制闭环内环可实现横摇和纵摇控制，通过内外环双层嵌套闭环控制共同实现横移、纵移、艏摇、横摇和纵摇多自由度姿态控制，满足高海况工程作业工况，提高船舶操纵性。既确保船舶能够保持稳定的姿态便于操作部位进行控制，同时还能兼顾工程作业的安全和需求精度。
附图说明
图1为本发明一种船舶姿态控制拓扑结构示意图；
图2为工程船执行机构配置图。
具体实施方式
为使本发明更明显易懂，兹以优选实施例，并配合附图作详细说明如下。
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有付出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，但不作为本发明的限定。
下面针对某型工程船进行作业工况时的船舶姿态控制进行具体实施方式阐述。图2给出了该工程船的执行机构配置情况，此配置下执行机构由四个推力器组成，包括两个槽道推进器14，可实现X轴方向的横向出力，两个直翼推进器15，可实现全方位出力并能对船体产生横摇和纵摇力矩。
图1给出了本发明船舶姿态控制拓扑结构图。
本发明设计的拓扑结构图包括两个船舶姿态控制闭环，由控制外环和控制内环嵌套组成“船舶姿态双层嵌套闭环控制”结构。
船舶姿态控制闭环外环由传感器A、观测器、控制器A、推力分配单元A、加法器A、转换器、执行机构、加法器B和船体组成，该控制闭环可实现船舶的横移、纵移和艏摇控制。
船舶姿态控制闭环内环由传感器B、控制器B、力矩转换单元、推力分配单元B、加法器A(与外环共用)、转换器(与外环共用)、执行机构(与外环共用)、加法器B(与外环共用)和船体(与外环共用)组成，该控制闭环可实现船舶的横摇和纵摇控制。
传感器A归属于外环部分，具备一路输入信号与船体连接，获取船舶状态信息；具备一路输出信号，与观测器连接，输出船舶位置信息、艏向信息和海洋环境等信息。
观测器归属于外环部分，具备一路输入信号，与传感器A连接，获取船舶位置信息、艏向信息和海洋环境等信息；具备一路输出信号，与控制器A连接，输出船舶状态估计值(如位置、航向、速度等)，并兼具滤除海浪高频干扰的作用。
控制器A归属于外环部分，具备两路输入信号，一路与观测器连接，获取船舶状态估计值，另一路同时获取用户输入的作业指令；具备一路输出信号，与推力分配单元A连接，根据用户指令和观测器输入信息计算并输出船舶横移、纵移和艏摇所需的控制合力
Figure BDA0002762451210000041
推力分配单元A归属于外环部分，具备一路输入信号，与控制器A连接，获取船舶所需的控制合力
Figure BDA0002762451210000042
具备一路输出信号，与加法器A连接，根据给定的控制合力、优化目标和约束条件，将控制合力
Figure BDA0002762451210000043
分解为各个推力器控制的分力
Figure BDA0002762451210000044
该分力具有多维度。
传感器B归属于内环部分，具备一路输入信号，与船体连接，获取船舶状态信息；具备一路输出信号，与控制器B连接，输出船舶的横摇角、纵摇角、横摇角速度和纵摇角速度。
控制器B归属于内环部分，具备一路输入信号，与传感器B连接，获取船舶的横摇角、纵摇角、横摇角速度和纵摇角速度；具备一路输出信号，与力矩转换单元连接，根据横摇角、纵摇角、横摇角速度和纵摇角速度计算并输出船舶横摇或纵摇力矩M。
力矩转换单元归属于内环部分，具备一路输入信号，与控制器B连接，获取横摇和纵摇控制力矩M；具备一路输出信号，与推力分配单元B连接，根据船舶横摇或纵摇力矩M转换输出船舶横摇和纵摇所需的控制合力
Figure BDA0002762451210000045
推力分配单元B归属于内环部分，具备一路输入信号，与力矩转换单元连接，获取船舶所需的控制合力
Figure BDA0002762451210000051
具备一路输出信号，与加法器A连接，根据给定的控制合力、优化目标和约束条件，将控制合力
Figure BDA0002762451210000052
分解为各个推力器控制的分力
Figure BDA0002762451210000053
该分力具有多维度。
加法器A为内环与外环的公共接入点，具备两路输入信号，与推力分配单元A和推力分配单元B连接，获取内外环闭环控制对各个推力器分配的分力信息
Figure BDA0002762451210000054
和
Figure BDA0002762451210000055
具备一路输出信号，与转换器连接，通过矢量加法输出各个推力器分配到的N维控制推力向量
Figure BDA0002762451210000056
此实例中N＝4。
转换器为内环和外环的公共部分，应具备将各个推进器推力分力转换为不同推进器可识别的底层设定指令的能力。转换器具备一路输入信号，与加法器A连接，获取N维控制推力向量
Figure BDA0002762451210000057
具备N路输出信号，与N个推力器组成的执行机构连接，将各个推力器分配到的推力信息转换为其可识别的底层设定指令，此实例中N＝4。
执行机构为内环和外环的公共部分，应由具备产生横移力、纵移力、横摇力矩、纵摇力矩和艏摇力矩的N个推力器组成；所含推力器的总能力应能产生横移力、纵移力、横摇力矩、纵摇力矩和艏摇力矩。该N个推力器可以为槽道推进器14、螺旋桨推进器、舵桨推进器、吊舱推进器、直翼推进器15等工程中已应用的推力器，由任意种类和任意数量的组合，安装于船体不同的需要位置，以满足船舶姿态横移、纵移、艏摇、横摇和纵摇五自由度的控制需求。此实例中N＝4，由两个槽道推进器14和两个直翼推进器15组成，其中两个槽道推进器14安装于船体艏部，两个直翼推进器15安装于船体艉部。执行机构具备4路输入信号，获取各个推力器对应的底层设定指令；具备一路输出信号，与加法器B连接，输出作用效果。此实例中N＝4，底层设定指令为转速和螺距信号。
加法器B为内环和外环的公共部分，具备两路输入信号，与执行机构和外界风浪流信息连接，获取其作用效果；具备一路输出信号，与船体连接，将执行机构和风浪流合力作用于船体。加法器A和加法器B应具备将两路矢量输入信息进行加法运算，输出一路矢量信息的能力。
船体为内环与外环的公共接入点，具备一路输入信号，与加法器B连接，获取执行机构和风浪流合力作用；具备两路输出信号，一路与传感器A连接，输出船舶位置信息、艏向信息和海洋环境等信息，另一路与传感器B连接，输出船舶横摇和纵摇信息。
控制器A和推力分配单元A输出的推力
Figure BDA0002762451210000061
和
Figure BDA0002762451210000062
用于船舶横移、纵移和艏摇控制，控制器B、力矩转换单元和推力分配单元B输出的力矩M、推力
Figure BDA0002762451210000063
和
Figure BDA0002762451210000064
用于船舶横摇和纵摇控制，合力
Figure BDA0002762451210000065
用于船舶横移、纵移、艏摇、横摇和纵摇的多自由度姿态控制。
本发明还公开了一种船舶控制系统，应用上述任意一项所述的船舶姿态控制拓扑结构。
以上所述仅为本发明较佳的实施例，并非因此限制本发明的实施方式及保护范围，对于本领域技术人员而言，应当能够意识到凡运用本发明说明书及图示内容所作出的等同替换和显而易见的变化所得到的方案，均应当包含在本发明的保护范围内。

Claims (10)

1.一种船舶姿态控制拓扑结构，其特征在于：包括嵌套的船舶姿态控制闭环外环和船舶姿态控制闭环内环；
所述船舶姿态控制闭环外环用于实现船舶的横移、纵移和艏摇控制，包括传感器A、观测器、控制器A、推力分配单元A、执行机构和船体，所述船体通过传感器A与观测器的输入端连接，所述观测器的输出端通过控制器A与推力分配单元A的输入端连接；
所述船舶姿态控制闭环内环用于实现船舶的横摇和纵摇控制，包括传感器B、控制器B、力矩转换单元、推力分配单元B、执行机构和船体，所述船体通过传感器B与控制器B的输入端连接，所述控制器B的输出端通过力矩转换单元与推力分配单元B的输入端连接；
所述推力分配单元A和推力分配单元B分别用于获取控制器A和力矩转换单元输出的控制合力并将所述控制合力分解为执行机构所需的推力分力，所述推力分力经矢量叠加后输送至执行机构，并通过执行机构传输至船体实现船舶姿态控制。
2.如权利要求1所述的一种船舶姿态控制拓扑结构，其特征在于：所述推力分配单元A的输出端和推力分配单元B的输出端通过加法器A与执行机构的输入端连接，所述加法器A将推力分配单元A和推力分配单元B输出的两路矢量输入信息进行加法运算，输出一路矢量信息传输至执行机构。
3.如权利要求1所述的一种船舶姿态控制拓扑结构，其特征在于：所述执行机构包括多个推力器，用于产生横移力、纵移力、横摇力矩、纵摇力矩和艏摇力矩。
4.如权利要求2所述的一种船舶姿态控制拓扑结构，其特征在于：所述加法器A和执行机构之间通过转换器连接，所述转换器用于将分配后的各个推进器分力转换为不同推进器可识别的底层设定指令。
5.如权利要求1所述的一种船舶姿态控制拓扑结构，其特征在于：所述执行机构和船体之间通过加法器B连接，所述加法器B将执行机构的输出和外界风浪流两路矢量信息进行加法运算，输出一路矢量信息传输至船体。
6.如权利要求1所述的一种船舶姿态控制拓扑结构，其特征在于：所述控制器A的输入端分别连接观测器的输出端和用户指令，控制器A的输出端连接推力分配单元A，根据用户指令和观测器输入的信息计算出船舶所需的控制合力并传输至推力分配单元A。
7.如权利要求1所述的一种船舶姿态控制拓扑结构，其特征在于：所述传感器A用于采集船舶位置信息、艏向信息和海洋环境信息，并将采集到的数据信息传输至观测器；所述观测器根据接收到的传感器A的数据信息给出船舶状态估计值并传输至控制器A，观测器兼具滤除海浪高频干扰的作用。
8.如权利要求1所述的一种船舶姿态控制拓扑结构，其特征在于：所述传感器B用于采集船舶的横摇角、纵摇角、横摇角速度和纵摇角速度并将采集到的数据信息传输至控制器B；所述控制器B根据接收到传感器B的数据信息进行船舶横摇或纵摇力矩的计算。
9.如权利要求1所述的一种船舶姿态控制拓扑结构，其特征在于：所述力矩转换单元将横摇或纵摇力矩转换为所需控制合力并传输至推力分配单元B。
10.一种船舶姿态控制系统，其特征在于：应用如权利要求1至9任意一项所述的一种船舶姿态控制拓扑结构。
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