CN113859462B - 一种主动式海上船舶平台姿态控制装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种主动式海上船舶平台姿态控制装置及方法，姿态控制装置包括上层水舱、下层左水舱组、下层右水舱组、左导水管道、右导水管道、导气管、液压‑水缸机组、水缸驱动液压系统、平台姿态控制系统；在船舶平台边缘的四个角位置，分别对称安装上层水舱；下层左水舱组通过右导水管道与右侧上层水舱相连通，下层右水舱组通过左导水管道与左侧上层水舱相连通；下层左水舱组分别通过液压‑水缸机组与下层右水舱组相连；平台姿态控制系统分别驱动船舶平台各边的水缸驱动液压系统调节船舶平台四边上层水舱、下层左水舱组、下层右水舱组中的水量。本发明具有抗摇摆性能强，抗复杂海况性能好的优点，特别适用于特种大型船舶平台的姿态控制。

Description

一种主动式海上船舶平台姿态控制装置及方法

技术领域

本发明涉及一种海上平台姿态控制系统，具体涉及一种主动式海上船舶平台姿态控制装置及方法，属于海上船舶平台建造的技术领域。

背景技术

国内外对水舱减摇的研究从工作原理可分为被动式减摇水舱、被动可控式减摇水舱和主动式减摇水舱。其中主要以被动式减摇或被动可控式减摇为主，被动可控式减摇水舱主要通过安装控制系统，借以调节阀门开关，采用变量泵、空气压缩机、鼓风机等设备，控制水舱边舱液位，改变舱内水的振荡周期达到减摇效果，但现有被动式减摇针对大型船舶或海上平台时减摇效率低。主动式减摇水舱是通过控制系统根据船舶摇摆情况实时迅速实现舱内水的变化，而主动达到减摇效果，但因能量消耗大，实施起来困难大，一般很少采用，目前只在军事等特殊领域应用过，如国外核动力航母，有利用水泵将水从航母一舷注入另一舷的主动式减摇。

发明内容

针对上述现有技术中存在的不足，本发明提供了一种主动式海上船舶平台姿态控制装置及方法，其用电液伺服系统主动控制液体转移，重新分配平台平衡配重，以控制海上船舶平台姿态，并进一步拓展减摇水舱的功能，通过主动式减摇水舱控制，拓展船舶平台抗横摇、抗倾摇和主动生摇等功能。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种主动式海上船舶平台姿态控制装置，其特征在于，所述姿态控制装置包括上层水舱、下层左水舱组、下层右水舱组、左导水管道、右导水管道、导气管、液压-水缸机组、水缸驱动液压系统、平台姿态控制系统；

在船舶平台边缘的四个角位置，分别对称安装所述上层水舱；相邻两个所述上层水舱的上部之间通过所述导气管连通；在两个相邻所述上层水舱之间，所述下层左水舱组、所述下层右水舱组对称布置在所述船舶平台边缘中心；所述下层左水舱组通过所述右导水管道与所在所述船舶平台边缘右侧的所述上层水舱相连通，所述下层右水舱组通过所述左导水管道与所在所述船舶平台边缘左侧的所述上层水舱相连通；

在所述船舶平台四边，所述下层左水舱组分别通过所述液压-水缸机组与所述下层右水舱组相连；四套所述液压-水缸机组分别通过所述水缸驱动液压系统与所述平台姿态控制系统相连，所述平台姿态控制系统分别驱动所述船舶平台各边的所述水缸驱动液压系统调节所述船舶平台四边所述上层水舱、所述下层左水舱组、所述下层右水舱组中的水量，以维持所述船舶平台的平衡。

进一步地，所述下层左水舱组包括多个并排排列的左下层水舱，多个所述左下层水舱的第一上部开口分别与左联通管道相连，所述左联通管道与所述右导水管道相连；所述下层右水舱组与所述下层左水舱组相对，所述下层右水舱组中的右下层水舱数量与所述下层左水舱组中的所述左下层水舱数量相等，多个所述右下层水舱的第二上部开口分别与右联通管道相连，所述右联通管道与所述左导水管道相连。

进一步地，所述液压-水缸机组由多组液压-水缸组成，所述液压-水缸数量与所述下层左水舱组中的左下层水舱数量及所述下层右水舱组中的所述右下层水舱数量相应；

所述液压-水缸包括左水缸、右水缸、水缸活塞、水缸活塞杆、长液压油缸、油缸导轨支架、滑动导轨、滑动滚轮夹具架、长推拉杆；

所述油缸导轨支架设置在所述左下层水舱和所述右下层水舱中间，所述长液压油缸设置在所述油缸导轨支架上表面中间位置，所述油缸导轨支架上表面的左右两端对称铺设所述滑动导轨；

所述长液压油缸的油缸活塞杆的左右两端对称连接所述滑动滚轮夹具架，两个所述滑动滚轮夹具架的滚轮分别置于左右两侧所述滑动导轨上，并能沿所述滑动导轨移动；所述滑动滚轮夹具架通过所述长推拉杆与所述水缸活塞杆相连，所述水缸活塞安装在所述水缸活塞杆上；左侧的所述水缸活塞嵌入套接所述左水缸，所述左水缸嵌入所述左下层水舱的右端面开口与所述左下层水舱连通；右侧的所述水缸活塞嵌入套接所述右水缸，所述右水缸嵌入所述右下层水舱的左端面开口与所述右下层水舱连通。

进一步地，所述水缸驱动液压系统由四套液压系统组成，四套所述液压-水缸机组通过所述液压系统分别驱动；

所述液压系统包括油箱、第一液压泵、第二液压泵、第一高压滤器、第二高压滤器、伺服阀、电磁阀；所述第一液压泵和所述第二液压泵的输入端分别通过油路与所述油箱相连，所述第一液压泵的输出端通过油路与所述第一高压滤器的输入油路相连，所述第二液压泵的输出端通过油路与所述第二高压滤器的输入油路相连，所述第一高压滤器和所述第二高压滤器的输出油路分别与所述伺服阀、所述电磁阀相连通；

所述伺服阀和所述电磁阀上均具有第一输出油路、第二输出油路，且所述第一输出油路、所述第二输出油路分别具有多个分支油路，所述分支油路数量与所述液压-水缸机组中的所述长液压油缸的数量相匹配；所述伺服阀和所述电磁阀的所述第一输出油路相连通后通过所述分支油路与所述液压-水缸机组中的多个所述长液压油缸的一侧分别相连，所述伺服阀和所述电磁阀的所述第二输出油路相连通后通过所述分支油路与所述液压-水缸机组中多个所述长液压油缸的另一侧分别相连。

进一步地，所述第一高压滤器和第二高压滤器的输出油路相连通，连通的油路两端分别连接蓄能器、溢流阀；所述伺服阀和所述电磁阀的回油端口以及所述溢流阀的输出端通过回油管路汇合后回油至所述油箱底部。

进一步地，四套所述液压-水缸机组分别通过液压启动柜与所述平台姿态控制系统相连。

进一步地，所述平台姿态控制系统设有姿态控制台、姿态操纵面板、显示器、姿态控制器和电源装置，在所述姿态控制台上，所述姿态操纵面板和所述显示器分别与所述姿态控制器相连，所述姿态控制器分别与四套所述液压-水缸机组、传感器组、所述液压启动柜相连接；所述电源装置分别为所述姿态控制台、所述姿态操纵面板、所述显示器、所述姿态控制器、所述水缸驱动液压系统、传感器组、所述液压启动柜供电。

本发明还公开了一种根据上述中任一项所述的主动式海上船舶平台姿态控制装置的姿态控制方法，其特征在于，所述姿态控制方法包括如下步骤：

S1、检查姿态控制装置无异常后，启动船舶平台四周边缘上设置的所有第一液压泵、第二液压泵，分置于船舶平台四边的四套水缸驱动液压系统均置于初始化状态；

S2、姿态控制器42将四套水缸驱动液压系统的横摇生摇或纵摇生摇控制指令信号分别传输到对应的水缸驱动液压系统，控制水缸驱动液压系统中伺服阀和电磁阀阀口的开口大小和方向，带动相应液压-水缸机组中的油缸活塞杆运行；

当油缸活塞杆向左运动时，推动左水缸的水进入左下层水舱，左下层水舱中的水经右导水管道注入船舶平台相应边缘右侧的上层水舱中，船舶平台边缘左侧的上层水舱的水通过左导水管道进入右下层水舱中；

当油缸活塞杆向右运动时，推动右水缸的水进入右下层水舱，右下层水舱中的水经左导水管道注入船舶平台相应边缘左侧的上层水舱中，船舶平台边缘右侧的上层水舱的水通过右导水管道进入左下层水舱中；

S3、当姿态控制器收到船舶平台7纵向或横向陀螺传感器的倾斜角度信号达到预定目标要求后，取消横摇生摇或纵摇生摇作业；通过姿态操纵面板手动设置四个上层水舱的注水量，姿态控制器将注水量控制指令信号传输到对应的水缸驱动液压系统，通过控制伺服阀和电磁阀阀口的开口大小和方向，油缸活塞杆带动水缸活塞杆、水缸活塞运行，调节船舶平台的水平姿态；

S4、显示器显示图形数据界面上实时显示并保存上层水舱的信息。

进一步地，当船舶平台需要手动调节平台横向和纵向倾斜角度姿态时，通过姿态操作面板上设置的姿态控制启停自锁按钮、横摇生摇自锁按钮、纵摇生摇自锁按钮、自动/手动转换开关、1#水舱注水控制旋钮、2#水舱注水控制旋钮、3#水舱注水控制旋钮、4#水舱注水控制旋钮、旋转调节幅值设置旋钮和频率设置旋钮手动设置横摇生摇或纵摇生摇控制指令信号；

在步骤S2中，旋转自动/手动转换开关至手动作业模式，按下横摇生摇自锁按钮或纵摇生摇自锁按钮、旋转调节幅值设置旋钮和频率设置旋钮手动设置生摇的幅值、频率；

在步骤S3中，再次按下横摇生摇自锁按钮或纵摇生摇自锁按钮取消生摇作业，按下姿态控制启停自锁按钮，1#水舱注水控制旋钮、2#水舱注水控制旋钮、3#水舱注水控制旋钮、4#水舱注水控制旋钮分别手动独立选择对应上层水舱的注水量。

进一步地，当船舶平台需要自动保持在横向或纵向水平姿态时，通过姿态操作面板上设置的平台姿态运行自锁按钮、横摇减摇自锁按钮、纵摇减摇自锁按钮、自动/手动转换开关，以及船舶平台侧部设置的加速度传感器和陀螺传感器，自动设置横摇生摇或纵摇生摇控制指令信号；

在步骤S2中，旋转自动/手动转换开关至自动作业模式，单独按下横摇减摇自锁按钮或纵摇减摇自锁按钮，姿态控制器采集加速度传感器和陀螺传感器检测的信号，根据船舶平台加速度和倾斜角度自动调整姿态控制器的控制指令信号；

在步骤S3中，当船舶平台需要自动保持水平姿态时，再次按下横摇减摇自锁按钮或纵摇减摇自锁按钮，取消单独的横摇减摇或纵摇减摇作业；按下平台姿态运行自锁按钮，姿态控制器采集加速度传感器和陀螺传感器检测的信号，根据船舶平台加速度和倾斜角度自动调整姿态控制器的控制指令信号。

本发明的有益效果：

本发明通过对船舶平台四边配重的重新分配，实现船舶平台行驶或停泊过程中水平姿态的调整，使得船舶平台具有抗横摇、抗倾摇和主动生摇等功能。

本发明通过在船舶平台边缘四角上分别设置的上层水舱及船舶平台四边上分别设置的下层左水舱组、下层右水舱组组成四组X型水舱结构，将需调节的配重分成多组水舱同时完成，大大降低了水量的调整时间，提高了船舶平台水平姿态调整的效率。而且，在水量调整过程中，还利用重力、吸力的影响缩短长液压油缸的行程，节省了使用成本。

本发明中平台姿态控制系统通过计算机控制技术、电液伺服控制技术、水舱减摇控制技术相融合，全方位主动式进行平台姿态控制，使船舶无论在静止或航行中，不仅具有适应不同周期抗横摇、抗倾摇的功能，而且具有生摇功能，同时也具有调节整个平台水平姿态的功能，特别适用于特种大型船舶平台的姿态控制。而且平台姿态控制系统可在手动和自动两种作业模式下实现对油缸活塞杆的驱动，可在航行或停泊时根据不同海况选择快速的作业方式，提高了水平姿态的调整效率，而自动平衡作业模式时对油缸活塞杆运动的控制，能够根据海况情况实时自动快速调整船舶平台的水平姿态，大大降低了人工成本。

附图说明

图1为本发明主动式海上船舶平台姿态控制装置的结构框图；

图2为本发明主动式海上船舶平台姿态控制装置的立体结构示意图；

图3为本发明中液压-水缸机组立体结构示意图；

图4为本发明中单个液压-水缸水舱立体结构示意图；

图5为本发明主动式海上船舶平台姿态控制装置驱动液压系统原理图；

图6为本发明主动式海上船舶平台姿态控制装置的电控检测系统示意图；

图7为本发明主动式海上船舶平台姿态控制装置的控制台操纵面板示意图；

图8为本发明的船舶平台水平姿态的控制策略示意图。

其中：1-上层水舱、2-左导水管道、3-左下层水舱、4-右下层水舱、5-右导水管道、6-导气管、7-船舶平台、8-水舱支架、9-第一上部开口、10-第二上部开口、11-左联通管道、12-右联通管道、13-漏水槽、14-左水缸、15-右水缸、16-水缸活塞、17-水缸活塞杆、18-长液压油缸、19-油缸导轨支架、20-滑动导轨、21-滑动滚轮夹具架、22-油缸支座、23-油缸活塞杆、24-长推拉杆、25-法兰、26-油箱、27-第一液压泵、28-第二液压泵、29-第一电机、30-第二电机、31-第一高压滤器、32-第二高压滤器、33-伺服阀、34-电磁阀、35-蓄能器、36-溢流阀、37-单向阀、38-液压启动柜、39-姿态控制台、40-姿态操纵面板、41-显示器、42-姿态控制器、43-传感器组、44-加速度传感器、45-陀螺传感器、46-1#水缸驱动液压机组启/停自锁按钮、47-2#水缸驱动液压机组启/停自锁按钮、48-3#水缸驱动液压机组启/停自锁按钮、49-4#水缸驱动液压机组启/停自锁按钮、50-抽水泵自动运行自锁按钮、51-准备就绪指示灯、52-姿态控制启停自锁按钮、53-横摇生摇自锁按钮、54-纵摇生摇自锁按钮、55-平台姿态运行自锁按钮、56-横摇减摇自锁按钮、57-纵摇减摇自锁按钮、58-蜂鸣器、59-自动/手动转换开关、60-1#水舱注水旋钮、61-2#水舱注水旋钮、62-3#水舱注水旋钮、63-4#水舱注水旋钮、64-幅值设置旋钮、65-频率设置旋钮、66-归零按钮、67-试灯按钮、68-电源装置。

具体实施方式

下面结合说明书附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例仅用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

本申请文件中的上、下、左、右、内、外、前端、后端、头部、尾部等方位或位置关系用语是基于附图所示的方位或位置关系而建立的。附图不同，则相应的位置关系也有可能随之发生变化，故不能以此理解为对保护范围的限定。

本发明中，术语“安装”、“相连”、“相接”、“连接”、“固定”等应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，也可以是一体地连接，也可以是机械连接，也可以是电连接或可以相互通信，也可以是直接连接，也可以是通过中间媒介间接连接，可以是两个元器件内部的联通，也可以是两个元器件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

本实施例记载了一种主动式海上船舶平台姿态控制装置及方法，其依据主动式减摇水舱，实现船舶平台的姿态控制，适用于大型船舶平台在恶劣海况航行和停泊时，控制船舶平台的水平姿态。

如图1和图2所示，姿态控制装置包括上层水舱1、下层左水舱组、下层右水舱组、左导水管道2、右导水管道5、导气管6、漏水槽13、液压-水缸机组、水缸驱动液压系统、平台姿态控制系统。

在船舶平台7边缘的四个角位置，分别对称设置水舱支架8，每个水舱支架8上均支撑安装一个上层水舱1，相邻两个上层水舱1的上部之间通过导气管6连通。在相邻两个上层水舱1中间，即在船舶平台7每个边缘中心处，下层左水舱组、下层右水舱组对称布置在船舶平台7上。

下层左水舱组包括多个并排排列的左下层水舱3，本实施例以三个左下层水舱3为例进行说明，三个左下层水舱3的第一上部开口9均连接左联通管道11，下层右水舱组与下层左水舱组对应，设有三个并排排列的右下层水舱4，三个右下层水舱4的第二上部开口10均连接右联通管道12。左联通管道11通过右导水管道5与所在船舶平台7边缘右侧的上层水舱1相连通，右联通管道12通过左导水管道2与所在船舶平台7边缘左侧的上层水舱1相连通。另外，漏水槽13设置在左下层水舱3与右下层水舱4之间的船舶平台7上，用于储存漏水，以防水在船舶平台7上自由流动。

本实施例中共设有四套液压-水缸机组，设置在船舶平台7四边的下层左水舱组分别通过液压-水缸机组与下层右水舱组相连，通过液压-水缸机组调节上层水舱1与左下层水舱3、右下层水舱4的水量。

液压-水缸机组由多组液压-水缸组成，液压-水缸数量与下层左水舱组和下层右水舱组中的左下层水舱3和右下层水舱4数量相应。如图3和图4所示，液压-水缸包括左水缸14、右水缸15、水缸活塞16、水缸活塞杆17、长液压油缸18、油缸导轨支架19、滑动导轨20、滑动滚轮夹具架21等。

油缸导轨支架19设置在左下层水舱3和右下层水舱4中间，长液压油缸18设置在油缸导轨支架19上表面中间位置，长液压油缸18的左右两端分别通过油缸支座22固定在油缸导轨支架19上，油缸导轨支架19上表面的左右两端对称铺设滑动导轨20。

长液压油缸18的油缸活塞杆23的左右两端对称连接滑动滚轮夹具架21，左右两侧的滑动滚轮夹具架21的滚轮分别置于左右两侧滑动导轨20上，并可沿滑动导轨20移动。两侧的滑动滚轮夹具架21分别与长推拉杆24轴向一端相连，长推拉杆24轴向另一端通过法兰25与水缸活塞杆17相连，水缸活塞16安装在水缸活塞杆17上。左侧的水缸活塞16嵌入套接左水缸14，左水缸14嵌入左下层水舱3的右端面开口与左下层水舱3连通。右侧的水缸活塞16嵌入套接右水缸15，右水缸15嵌入右下层水舱4的左端面开口与右下层水舱4连通。

本实施例中水缸驱动液压系统由四套完全相同并独立的液压系统组成。每套液压-水缸机组均由独立的液压系统驱动。

如图5所示，液压系统包括油箱26，油箱26可采用不锈钢油箱。第一液压泵27和第二液压泵28的输入端分别通过油路与油箱26相连，第一液压泵27和第二液压泵28分别通过第一电机29、第二电机30提供动力。第一液压泵27的输出端通过油路与第一高压滤器31的输入油路相连，第二液压泵28的输出端通过油路与第二高压滤器32的输入油路相连，第一高压滤器31和第二高压滤器32的输出油路分别与大通径的伺服阀33、电磁阀34相连通。同时，第一高压滤器31和第二高压滤器32的输出油路相连通，连通的油路两端分别连接蓄能器35、溢流阀36。伺服阀33和电磁阀34上均具有第一输出油路、第二输出油路，且第一输出油路、第二输出油路分别具有多个分支油路，分支油路数量与液压-水缸机组中的长液压油缸18的数量相匹配，如本实施例中第一输出油路、第二输出油路分别具有三个分支油路。伺服阀33和电磁阀34的第一输出油路相连通后通过三条分支油路分别与三个长液压油缸18一侧相连，伺服阀33和电磁阀34的第二输出油路相连通后通过三条分支油路分别与三个长液压油缸18的另一侧相连。伺服阀33和电磁阀34的回油端口以及溢流阀36的输出端通过回油管路汇合后连接单向阀37，经单向阀37后回油管路进入油箱26底部。

平台姿态控制系统可设置在船舶平台7上任意位置，平台姿态控制系统通过信号电缆线与四套液压-水缸机组和船舶平台7上的各传感器分别相连。在每套液压-水缸机组旁分别设置液压启动柜38，用于控制启停第一电机29和第二电机30。

如图6所示，平台姿态控制系统设有姿态控制台39、姿态操纵面板40、显示器41、姿态控制器42和电源装置68，在姿态控制台39上，姿态操纵面板40和显示器41分别与姿态控制器42相连，电源装置68分别为姿态控制台39、姿态操纵面板40、显示器41、姿态控制器42、水缸驱动液压系统中的阀组(即四组伺服阀33和四组电磁阀34)、传感器组43、液压启动柜38等供电。

姿态控制台39上的姿态控制器42通过信号电缆线分别与四套液压-水缸机组、传感器组43(包括加速度传感器44、陀螺传感器45、位移传感器、力传感器等)、伺服阀33、电磁阀34、液压启动柜38相连接。

如图7所示，本实施例中姿态操纵面板40上设有1#水缸驱动液压机组启/停自锁按钮46、2#水缸驱动液压机组启/停自锁按钮47、3#水缸驱动液压机组启/停自锁按钮48、4#水缸驱动液压机组启/停自锁按钮49、抽水泵自动运行自锁按钮50、准备就绪指示灯51、姿态控制启停自锁按钮52、横摇生摇自锁按钮53、纵摇生摇自锁按钮54、平台姿态运行自锁按钮55、横摇减摇自锁按钮56、纵摇减摇自锁按钮57、蜂鸣器58、自动/手动转换开关59、1#水舱注水控制旋钮60、2#水舱注水控制旋钮61、3#水舱注水控制旋钮62、4#水舱注水控制旋钮63、幅值设置旋钮64、频率设置旋钮65、归零按钮66、试灯按钮67。姿态操纵面板40上的各按钮可选用带指示灯的按钮，当按钮按下后，指示灯点亮。

1#水缸驱动液压机组启/停自锁按钮46、2#水缸驱动液压机组启/停自锁按钮47、3#水缸驱动液压机组启/停自锁按钮48、4#水缸驱动液压机组启/停自锁按钮49、抽水泵自动运行自锁按钮50分别与四个液压启动柜38相连，准备就绪指示灯51、姿态控制启停自锁按钮52、横摇生摇自锁按钮53、纵摇生摇自锁按钮54、平台姿态运行自锁按钮55、横摇减摇自锁按钮56、纵摇减摇自锁按钮57、蜂鸣器58、自动/手动转换开关59、1#水舱注水控制旋钮60、2#水舱注水控制旋钮61、3#水舱注水控制旋钮62、4#水舱注水控制旋钮63、幅值设置旋钮64、频率设置旋钮65、归零按钮66、试灯按钮67分别与姿态控制器42相连接。

船舶平台7在海上作业时，通过调节船舶平台7四角布置的上层水舱1水量，重新分配船舶平台7平衡配重，实现维持船舶平台7的平衡，也可人为控制船舶平台7一维和二维的水平姿态。本实施例中船舶平台7姿态控制可分为：手动作业模式和自动平衡作业模式两种。

为方便调节船舶平台7的平衡，船舶平台7的四边及四边上的设备分别按Ⅰ#、Ⅱ#、Ⅲ#、Ⅳ#编号说明。在作业前，将船舶平台7四边的Ⅰ#、Ⅱ#、Ⅲ#、Ⅳ#液压启动柜38均置于遥控模式，通过电源装置68为平台姿态控制系统供电。将1#水舱注水控制旋钮60、2#水舱注水控制旋钮61、3#水舱注水控制旋钮62、4#水舱注水控制旋钮63置于中位，将幅值设置旋钮64置于零位，显示器41上显示各设备工作状态和设置参数。

按下设置在姿态操纵面板40上的试灯按钮67进行试灯检查，检查各个指示灯以及蜂鸣器58工作是否正常。

按下1#水缸驱动液压机组启/停自锁按钮46、2#水缸驱动液压机组启/停自锁按钮47、3#水缸驱动液压机组启/停自锁按钮48、4#水缸驱动液压机组启/停自锁按钮49，启动对应的Ⅰ#、Ⅱ#、Ⅲ#、Ⅳ#液压系统中的第一电机29、第二电机30，运行对应的第一液压泵27、第二液压泵28，启动后，为四套液压-水缸机组中的长液压油缸18提供动力油源，同时按下归零按钮66，初始化水缸驱动液压系统，此时准备就绪指示灯51亮起。

当船舶平台7需要手动调节船舶平台7横向和纵向倾斜平台角度姿态时，进行手动作业模式时：

1、完成作业前各项准备后，旋转自动/手动转换开关59至手动作业模式，按下横摇生摇自锁按钮53或纵摇生摇自锁按钮54，同时，旋转调节幅值设置旋钮64和频率设置旋钮65，将横摇生摇或纵摇生摇启动指令和生摇的幅值、频率信号从姿态操作面板40传输到姿态控制器42，姿态控制器42将控制指令信号传输到对应的水缸驱动液压系统，控制相应的伺服阀33和电磁阀34阀口的开口大小和方向，驱动油缸活塞杆23往复运动，从而带动水缸活塞杆17、水缸活塞16运行。

当水缸活塞16向左运动时，推动左水缸14的水进入左下层水舱3，左下层水舱3中的水通过左联通管道11经右导水管道5注入船舶平台7相应边缘右侧的上层水舱1中，与之对应的左侧上层水舱1的水在重力及吸力(右水缸15中的水缸活塞16同时向左运动，对与之相连的左侧上层水舱1中的水产生吸力)作用下通过左导水管道2进入右下层水舱4中，此时，右侧的上层水舱1和下层右水舱组均处于注水状态，左侧的上层水舱1和下层左水舱组处于排水状态。

当水缸活塞16向右运动时，推动右水缸15的水进入右下层水舱4，右下层水舱4中的水通过右联通管道12经左导水管道2注入相应左侧的上层水舱1中，对应的右侧上层水舱1的水在重力及吸力(左水缸14中的水缸活塞16同时向右运动，对与之相连的右侧上层水舱1中的水产生吸力)作用下通过右导水管道5进入左下层水舱3中，此时，左侧的上层水舱1和下层左水舱组均处于注水状态，右侧的上层水舱1和下层右水舱组处于排水状态。

因液压-水缸机组中的水缸活塞16往复运动，使四个上层水舱1、四个下层左水舱组和四个下层右水舱组的水量配置周期变化，通过主动控制船舶平台7水量配置，可使船舶平台7产生横摇生摇或纵摇生摇，生摇的幅值由幅值设置旋钮64设定值控制，生摇的频率由频率设置旋钮65设定值控制。

2、当姿态控制器42收到船舶平台7纵向或横向陀螺传感器45的倾斜角度信号达到预定目标要求后，再次按下横摇生摇自锁按钮53或纵摇生摇自锁按钮54，取消生摇作业，此时，按下姿态控制启停自锁按钮52，手动独立选择1#水舱注水控制旋钮60、2#水舱注水控制旋钮61、3#水舱注水控制旋钮62、4#水舱注水控制旋钮63可分别控制船舶平台7上四个上层水舱1的注水量，1#水舱注水控制旋钮60、2#水舱注水控制旋钮61、3#水舱注水控制旋钮62、4#水舱注水控制旋钮63设定值输送到姿态控制器42，姿态控制器42将注水量控制指令信号传输到对应的水缸驱动液压系统，通过控制伺服阀33和电磁阀34阀口的开口大小和方向，驱动油缸活塞杆23运动速度和方向，从而带动水缸活塞杆17、水缸活塞16运行，以调节船舶平台7的水平姿态。

当水缸活塞16向左运动时，推动左水缸14中的水进入左下层水舱3，左下层水舱3中的水通过左联通管道11经右导水管道5注入相应的右侧上层水舱1中，对应的左侧上层水舱1的水在重力和吸力作用下通过左导水管道8进入下层右水舱组中，此时，右侧的上层水舱1和下层右水舱组均处于注水状态，左侧的上层水舱1和下层左水舱组处于排水状态。

当水缸活塞16向右运动时，推动右水缸15的水进入右下层水舱4，右下层水舱4中的水通过右联通管道12经左导水管道2注入相应左侧的上层水舱1中，对应的右侧上层水舱1的水在重力和吸力作用下通过右导水管道5进入左下层水舱3中，此时，左侧的上层水舱1和下层左水舱组均处于注水状态，右侧的上层水舱1和下层右水舱组处于排水状态。

四个上层水舱1、四个下层左水舱组和四个下层右水舱组的水量配置及注水量变化由相应的水舱注水旋钮设定值控制，从而可以手动调节船舶平台7的水平姿态。

3、在手动作业时，上层水舱1的液位信号、横摇生摇角速度信息、横摇生摇角度信息、纵摇生摇角速度信息、纵摇生摇角度信息、生摇频率信息、平台水平姿态信息等信息均在显示器41显示图形数据界面上实时显示，并保存相关检测信息。

当船舶平台7需要自动保持在横向/纵向水平姿态时，可进入自动作业模式时：

1、完成作业前各项准备后，旋转自动/手动转换开关59至自动作业模式，单独按下横摇减摇自锁按钮56或纵摇减摇自锁按钮57，姿态控制器42采集船舶平台7上四组加速度传感器44(见图6，其分置于船舶平台7四边)和两组陀螺传感器45(见图6，其分置于船舶平台7相邻的两侧，用于检测横向、纵向的倾斜角度)检测信号后，根据船舶平台7加速度和倾斜角度自动调整姿态控制器42的控制指令信号，并将指令信号传输到对应的水缸驱动液压系统，控制伺服阀33和电磁阀34的开口和方向，驱动油缸活塞杆23往复运动，从而带动水缸活塞杆17、水缸活塞16运动。

平台姿态控制系统具体地自动控制油缸活塞杆23往复运动的方法如下：

姿态控制器42接收陀螺传感器45检测的平台横摇/纵摇角度信号Φ，通过求导，计算出船舶平台7每侧的平台横摇/纵摇趋势Φ＇。姿态控制器42通过相对应的水缸驱动液压系统分别控制各液压-水缸机组中的油缸活塞杆23(油缸活塞杆中间位置位移X为0)往复运动。如图8所示，控制过程中，油缸活塞杆23运动的相位X(图8中曲线X1、X2，其中的横线值指油缸活塞杆23的最大位移量)与平台横摇/纵摇趋势Φ＇相差180°(即油缸活塞杆23运动方向与平台横摇/纵摇趋势相反)，油缸活塞杆23在船舶平台7有横摇/纵摇趋势时开始运动。当船舶平台7在较大幅度横摇/纵摇过程中，平台横摇/纵摇趋势Φ＇为正且有增大趋势时，姿态控制器42通过水缸驱动液压系统控制油缸活塞杆23向右舷快速移动，平台横摇/纵摇趋势Φ＇达到最大值时停止；当平台横摇/纵摇趋势Φ＇为正且有减小趋势时，姿态控制器42通过水缸驱动液压系统控制油缸活塞杆23向左舷快速移动，并在平台横摇/纵摇趋势Φ＇减少到0时，油缸活塞杆23到达中间位置(X＝0)，即油缸活塞杆23在长液压油缸18中行程的中间位置，也为油缸活塞杆23的初始位置。当平台横摇/纵摇趋势Φ＇为负且绝对值有增大趋势时，姿态控制器42通过水缸驱动液压系统控制油缸活塞杆23向右舷快速移动，平台横摇/纵摇趋势Φ＇达到最大值时停止；当平台横摇/纵摇趋势Φ＇为负且绝对值有减小趋势时，姿态控制器42通过水缸驱动液压系统控制油缸活塞杆23，按图8中所示曲线向右舷快速移动，并在平台横摇/纵摇趋势Φ＇减少到0时，油缸活塞杆23到达中间位置(X＝0)。当船舶平台7左右舷横摇/纵摇幅度较小时，如图8所示，减摇水舱控制器51通过水缸驱动液压系统控制降低油缸活塞杆23的运动速度，达到船舶平台7小幅度横摇/纵摇减摇的目的。

在自动控制时水舱中水的流动过程如下：

当水缸活塞16向左运动时，推动左水缸14中的水进入左下层水舱3，左下层水舱3中的水通过左联通管道11经右导水管道5注入相应的右侧上层水舱1中，对应的左侧上层水舱1的水在重力作用下通过左导水管道8进入右下层水舱4中，此时，右侧的上层水舱1和下层右水舱组均处于注水状态，左侧的上层水舱1和下层左水舱组处于排水状态。

当水缸活塞16向右运动时，推动右水缸15的水进入右下层水舱4，右下层水舱4中的水通过右联通管道12经左导水管道2注入相应左侧的上层水舱1中，对应的右侧上层水舱1的水在重力作用下通过右导水管道5进入左下层水舱3中，此时，左侧的上层水舱1和下层左水舱组均处于注水状态，右侧的上层水舱1和下层右水舱组处于排水状态。

通过主动控制上层水舱1和下层左水舱组、下层右水舱组的水量配置，并与船舶平台7横摇或纵摇相抵制时，使得船舶平台7在相应的横摇或纵摇方向主动进行减摇控制。

2、再次按下横摇减摇自锁按钮56或纵摇减摇自锁按钮57，取消单独的横摇减摇或纵摇减摇作业。此时，按下平台姿态运行自锁按钮55，姿态控制器42采集船舶平台7上四组加速度传感器44和两组陀螺传感器45检测信号后，根据检测出的船舶平台7的加速度和倾斜角速度，姿态控制器42自动调整控制指令信号，并将控制指令信号传输到对应的四组水缸驱动液压系统，控制伺服阀33和电磁阀34的开口和方向，驱动油缸活塞杆23往复运动，带动水缸活塞杆17、水缸活塞16随之移动，使得左水缸14或右水缸15的水进入下层左水舱组或下层右水舱组中。其中，进入下层左水舱组中的水经左联通管道11与右导水管道5分别注入相对应连接的右侧上层水舱1中，进入下层右水舱组中的水经右联通管道12与左导水管道2注入相应的左侧的上层水舱1中。同时，对应边另一侧的上层水舱1中的水在重力作用下分别通过相连的左导水管道2、右导水管道5进入相应的下层右水舱组、下层左水舱组。本实施例通过主动改变Ⅰ-Ⅳ#四个上层水舱1、四个下层左水舱组和四个下层右水舱组的水量配置，可达到自动抗船舶平台7振荡，实现船舶平台7保持水平的目的。

3、与前述一样，在自动作业时，船舶平台7四角上层水舱1液位信号、横摇角速度信息、横摇角度信息、纵摇角速度信息、纵摇角度信息、横摇纵摇频率信息、平台振荡信息等信息均在显示器41显示图形数据界面上实时显示，并保存相关检测信息。

虽然上面结合本发明的优选实施例对本发明的原理进行了详细的描述，本领域技术人员应该理解，上述实施例仅仅是对本发明的示意性实现方式的解释，并非对本发明包含范围的限定。实施例中的细节并不构成对本发明范围的限制，在不背离本发明的精神和范围的情况下，任何基于本发明技术方案的等效变换、简单替换等显而易见的改变，均落在本发明保护范围之内。

Claims (10)

1.一种主动式海上船舶平台姿态控制装置，其特征在于，所述姿态控制装置包括上层水舱(1)、下层左水舱组、下层右水舱组、左导水管道(2)、右导水管道(5)、导气管(6)、液压-水缸机组、水缸驱动液压系统、平台姿态控制系统；

在船舶平台(7)边缘的四个角位置，分别对称安装所述上层水舱(1)；相邻两个所述上层水舱(1)的上部之间通过所述导气管(6)连通；在两个相邻所述上层水舱(1)之间，所述下层左水舱组、所述下层右水舱组对称布置在所述船舶平台(7)边缘中心；所述下层左水舱组通过所述右导水管道(5)与所在所述船舶平台(7)边缘右侧的所述上层水舱(1)相连通，所述下层右水舱组通过所述左导水管道(2)与所在所述船舶平台(7)边缘左侧的所述上层水舱(1)相连通；

在所述船舶平台(7)四边，所述下层左水舱组分别通过所述液压-水缸机组与所述下层右水舱组相连；四套所述液压-水缸机组分别通过所述水缸驱动液压系统与所述平台姿态控制系统相连，所述平台姿态控制系统分别驱动所述船舶平台(7)各边的所述水缸驱动液压系统调节所述船舶平台(7)四边所述上层水舱(1)、所述下层左水舱组、所述下层右水舱组中的水量，以维持所述船舶平台(7)的平衡。

2.根据权利要求1所述的主动式海上船舶平台姿态控制装置，其特征在于，所述下层左水舱组包括多个并排排列的左下层水舱3，多个所述左下层水舱(3)的第一上部开口(9)分别与左联通管道(11)相连，所述左联通管道(11)与所述右导水管道(5)相连；所述下层右水舱组与所述下层左水舱组相对，所述下层右水舱组中的右下层水舱(4)数量与所述下层左水舱组中的所述左下层水舱(3)数量相等，多个所述右下层水舱(4)的第二上部开口(10)分别与右联通管道(12)相连，所述右联通管道(12)与所述左导水管道(2)相连。

3.根据权利要求2所述的主动式海上船舶平台姿态控制装置，其特征在于，所述液压-水缸机组由多组液压-水缸组成，所述液压-水缸数量与所述下层左水舱组中的左下层水舱(3)数量及所述下层右水舱组中的所述右下层水舱(4)数量相应；

所述液压-水缸包括左水缸(14)、右水缸(15)、水缸活塞(16)、水缸活塞杆(17)、长液压油缸(18)、油缸导轨支架(19)、滑动导轨(20)、滑动滚轮夹具架(21)、长推拉杆(24)；

所述油缸导轨支架(19)设置在所述左下层水舱(3)和所述右下层水舱(4)中间，所述长液压油缸(18)设置在所述油缸导轨支架(19)上表面中间位置，所述油缸导轨支架(19)上表面的左右两端对称铺设所述滑动导轨(20)；

所述长液压油缸(18)的油缸活塞杆(23)的左右两端对称连接所述滑动滚轮夹具架(21)，两个所述滑动滚轮夹具架(21)的滚轮分别置于左右两侧所述滑动导轨(20)上，并能沿所述滑动导轨(20)移动；所述滑动滚轮夹具架(21)通过所述长推拉杆(24)与所述水缸活塞杆(17)相连，所述水缸活塞(16)安装在所述水缸活塞杆(17)上；左侧的所述水缸活塞(16)嵌入套接所述左水缸(14)，所述左水缸(14)嵌入所述左下层水舱(3)的右端面开口与所述左下层水舱(3)连通；右侧的所述水缸活塞(16)嵌入套接所述右水缸(15)，所述右水缸(15)嵌入所述右下层水舱(4)的左端面开口与所述右下层水舱(4)连通。

4.根据权利要求3所述的主动式海上船舶平台姿态控制装置，其特征在于，所述水缸驱动液压系统由四套液压系统组成，四套所述液压-水缸机组通过所述液压系统分别驱动；

所述液压系统包括油箱(26)、第一液压泵(27)、第二液压泵(28)、第一高压滤器(31)、第二高压滤器(32)、伺服阀(33)、电磁阀(34)；所述第一液压泵(27)和所述第二液压泵(28)的输入端分别通过油路与所述油箱(26)相连，所述第一液压泵(27)的输出端通过油路与所述第一高压滤器(31)的输入油路相连，所述第二液压泵(28)的输出端通过油路与所述第二高压滤器(32)的输入油路相连，所述第一高压滤器(31)和所述第二高压滤器(32)的输出油路分别与所述伺服阀(33)、所述电磁阀(34)相连通；

所述伺服阀(33)和所述电磁阀(34)上均具有第一输出油路、第二输出油路，且所述第一输出油路、所述第二输出油路分别具有多个分支油路，所述分支油路数量与所述液压-水缸机组中的所述长液压油缸(18)的数量相匹配；所述伺服阀(33)和所述电磁阀(34)的所述第一输出油路相连通后通过所述分支油路与所述液压-水缸机组中的多个所述长液压油缸(18)的一侧分别相连，所述伺服阀(33)和所述电磁阀(34)的所述第二输出油路相连通后通过所述分支油路与所述液压-水缸机组中多个所述长液压油缸(18)的另一侧分别相连。

5.根据权利要求4所述的主动式海上船舶平台姿态控制装置，其特征在于，所述第一高压滤器(31)和第二高压滤器(32)的输出油路相连通，连通的油路两端分别连接蓄能器(35)、溢流阀(36)；所述伺服阀(33)和所述电磁阀(34)的回油端口以及所述溢流阀(36)的输出端通过回油管路汇合后回油至所述油箱(26)底部。

6.根据权利要求1所述的主动式海上船舶平台姿态控制装置，其特征在于，四套所述液压-水缸机组分别通过液压启动柜(38)与所述平台姿态控制系统相连。

7.根据权利要求6所述的主动式海上船舶平台姿态控制装置，其特征在于，所述平台姿态控制系统设有姿态控制台(39)、姿态操纵面板(40)、显示器(41)、姿态控制器(42)和电源装置(68)，在所述姿态控制台(39)上，所述姿态操纵面板(40)和所述显示器(41)分别与所述姿态控制器(42)相连，所述姿态控制器(42)分别与四套所述液压-水缸机组、传感器组(43)、所述液压启动柜(38)相连接；所述电源装置(68)分别为所述姿态控制台(39)、所述姿态操纵面板(40)、所述显示器(41)、所述姿态控制器(42)、所述水缸驱动液压系统、传感器组(43)、所述液压启动柜(38)供电。

8.一种根据权利要求1至7中任一项所述的主动式海上船舶平台姿态控制装置的姿态控制方法，其特征在于，所述姿态控制方法包括如下步骤：

S1、检查姿态控制装置无异常后，启动船舶平台(7)四周边缘上设置的所有第一液压泵(27)、第二液压泵(28)，分置于船舶平台(7)四边的四套水缸驱动液压系统均置于初始化状态；

S2、姿态控制器42将四套水缸驱动液压系统的横摇生摇或纵摇生摇控制指令信号分别传输到对应的水缸驱动液压系统，控制水缸驱动液压系统中伺服阀(33)和电磁阀(34)阀口的开口大小和方向，带动相应液压-水缸机组中的油缸活塞杆(23)运行；

当油缸活塞杆(23)向左运动时，推动左水缸(14)的水进入左下层水舱(3)，左下层水舱(3)中的水经右导水管道(5)注入船舶平台(7)相应边缘右侧的上层水舱(1)中，船舶平台(7)边缘左侧的上层水舱(1)的水通过左导水管道(2)进入右下层水舱(4)中；

当油缸活塞杆(23)向右运动时，推动右水缸(15)的水进入右下层水舱(4)，右下层水舱(4)中的水经左导水管道(2)注入船舶平台(7)相应边缘左侧的上层水舱(1)中，船舶平台(7)边缘右侧的上层水舱(1)的水通过右导水管道(5)进入左下层水舱(3)中；

S3、当姿态控制器(42)收到船舶平台7纵向或横向陀螺传感器(45)的倾斜角度信号达到预定目标要求后，取消横摇生摇或纵摇生摇作业；通过姿态操纵面板(40)手动设置四个上层水舱(1)的注水量，姿态控制器(42)将注水量控制指令信号传输到对应的水缸驱动液压系统，通过控制伺服阀(33)和电磁阀(34)阀口的开口大小和方向，油缸活塞杆(23)带动水缸活塞杆(17)、水缸活塞(16)运行，调节船舶平台(7)的水平姿态；

S4、显示器(41)显示图形数据界面上实时显示并保存上层水舱(1)的信息。

9.根据权利要求8所述的主动式海上船舶平台姿态控制方法，其特征在于，当船舶平台(7)需要手动调节平台横向和纵向倾斜角度姿态时，通过姿态操纵面板(40)上设置的姿态控制启停自锁按钮(52)、横摇生摇自锁按钮(53)、纵摇生摇自锁按钮(54)、自动/手动转换开关(59)、1#水舱注水控制旋钮(60)、2#水舱注水控制旋钮(61)、3#水舱注水控制旋钮(62)、4#水舱注水控制旋钮(63)、旋转调节幅值设置旋钮(64)和频率设置旋钮(65)手动设置横摇生摇或纵摇生摇控制指令信号；

在步骤S2中，旋转自动/手动转换开关(59)至手动作业模式，按下横摇生摇自锁按钮(53)或纵摇生摇自锁按钮(54)、旋转调节幅值设置旋钮(64)和频率设置旋钮(65)手动设置生摇的幅值、频率；

在步骤S3中，再次按下横摇生摇自锁按钮(53)或纵摇生摇自锁按钮(54)取消生摇作业，按下姿态控制启停自锁按钮(52)，1#水舱注水控制旋钮(60)、2#水舱注水控制旋钮(61)、3#水舱注水控制旋钮(62)、4#水舱注水控制旋钮(63)分别手动独立选择对应上层水舱(1)的注水量。

10.根据权利要求8所述的主动式海上船舶平台姿态控制方法，其特征在于，当船舶平台(7)需要自动保持在横向或纵向水平姿态时，通过姿态操纵面板(40)上设置的平台姿态运行自锁按钮(55)、横摇减摇自锁按钮(56)、纵摇减摇自锁按钮(57)、自动/手动转换开关(59)，以及船舶平台(7)侧部设置的加速度传感器(44)和陀螺传感器(45)，自动设置横摇生摇或纵摇生摇控制指令信号；

在步骤S2中，旋转自动/手动转换开关(59)至自动作业模式，单独按下横摇减摇自锁按钮(56)或纵摇减摇自锁按钮(57)，姿态控制器(42)采集加速度传感器(44)和陀螺传感器(45)检测的信号，根据船舶平台(7)加速度和倾斜角度自动调整姿态控制器(42)的控制指令信号；

在步骤S3中，当船舶平台(7)需要自动保持水平姿态时，再次按下横摇减摇自锁按钮(56)或纵摇减摇自锁按钮(57)，取消单独的横摇减摇或纵摇减摇作业；按下平台姿态运行自锁按钮(55)，姿态控制器(42)采集加速度传感器(44)和陀螺传感器(45)检测的信号，根据船舶平台(7)加速度和倾斜角度自动调整姿态控制器(42)的控制指令信号。

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