高速船舶艉部截流器系统及控制方法与流程

本发明涉及一种控制系统，特别涉及一种适用于高速船舶的艉部截流器系统及控制方法。

背景技术：

近年来，随着交通工具的高速化，出现了一系列的新型高速船型包括高速单体快艇、穿浪双体高速船等。高速船舶的局限性为其在低速转向高速航行时，船体吃水逐渐减少，容易受到风、浪、流等外部干扰的影响，从而引起船体较大幅度的摇荡，尤其体现在纵向运动上。

为提高高速船舶的适航性和船员的舒适度，研究通过改进船舶线型来改善其耐波性收效甚微，而通过加装附体来减小船舶的摇荡取得的效果较为显著。目前应用于船舶姿态控制的减摇鳍、减摇水舱和减摇陀螺等主要用于减小船舶的横摇运动，且系统重量、占舱空间、动态响应时间等局限性使其无法在高速船舶具有良好的应用。当前高速船舶的应用领域越来越广泛，船舶行业对适航性概念不断重视，也对高速船舶运动姿态控制系统提出了更高的要求。

技术实现要素：

为了解决船舶高速航行时横向和纵向运动控制及转向时失速等技术问题，本发明提供了一种适装于高速船舶的截流器系统及控制方法，采用电动伺服驱动系统执行机构截流板运动，从而改变船体表面的压力分布，产生升力，对船形成与扰动力矩相抗衡的稳定力矩，达到控制船舶运动姿态的效果。

为实现上述目的，本发明的技术方案是：一种高速船舶艉部截流器系统，包括驾驶室显示控制单元、中央控制单元、驱动供电箱、伺服驱动单元组、执行机构组，驾驶室显示控制单元接收操作人员的控制指令，中央控制单元采集船舶横摇、纵摇和垂荡三自由度姿态信号以及航速信号、舵令信号，经核心控制模块解算输出控制指令，并通过CAN总线将控制指令信号发送至各伺服驱动单元组，驱动各执行机构组带动截流板运动，所述各伺服驱动单元组接收截流板的状态反馈信号，将接收到的状态反馈信号传送到中央控制单元进行处理，并通过驾驶室显示控制单元的人机交互界面进行行程状态指示和报警显示。

所述中央控制单元内部通过RS232接收船舶姿态测量传感器信号，外部分别通过RS485接收GPS信号或通过DI接收计程仪信号，通过AI接收操舵信号，通过LAN与驾驶室控制显示单元网口通信。

一种高速船舶艉部截流器系统的控制方法，包括手动控制模式和自动控制模式，中央控制单元接收驾驶室控制显示单元的操作模式指令，采集船舶姿态测量传感器信号、航速信号和操舵指令信号，对各截流器执行机构截流板的运动行程进行解算，选用手动控制模式时，通过驾驶室控制显示单元上的横倾、纵倾角度控制按钮，输出相应部位水平安装的截流板行程控制指令信号，分别驱动相应的执行机构组带动水平安装的截流板运动；选用自动控制模式时，则分为自动纵倾控制、自动横倾控制、实时姿态控制、协同转向控制和辅助操舵控制模式：在自动纵倾、自动横倾模式下，核心控制模块根据倾角控制目标和当前船舶姿态及航速信号，调用系统内专家库相应模式下截流板行程参数，实时解算并输出相应部位水平安装截流板行程控制指令信号；在实时姿态控制模式下，核心控制模块根据当前船舶姿态及航速信号，解算减小船舶的横摇所需的行程和控制纵向最优姿态的垂向行程，求和处理后将控制指令实时分配至各水平安装截流板执行机构的伺服驱动单元；在协同转向控制模式下，核心控制模块根据船舶转舵信号，输出相应部位水平安装截流板行程控制指令型号，减小转向时船舶横倾；在辅助转舵模式下，核心控制模块根据当前船舶姿态、航速信号和操舵指令，核心控制模块解算垂向安装截流板的行程控制指令，减小船舶转向半径，减轻船舶转弯时失速带来的不良影响。

在平静海况下，使用自动纵倾控制模式，并可结合协同转向控制；在剧烈海况下，使用实时姿态控制模式，调节船舶最优的运动姿态；辅助转舵模式适用于使用喷水推进的高速船舶，可与自动纵倾控制、实时姿态控制等模式结合使用。

本发明的有益效果是：

本发明的高速船舶艉部截流器系统及控制方法，能实现对高速船舶的纵倾及横倾调节、实时运动姿态控制、协同转向控制及辅助操舵控制，系统可靠性高、结构简单、安装便捷，对高速船舶的运动姿态控制效果明显，有效提高了高速船舶的适航性能。

附图说明

图1为本发明的高速船舶艉部截流器系统工作原理示意图；

图2为本发明的高速船舶艉部截流器系统结构框图；

图3为本发明的艉部截流器在高速单体船艉部安装示意图；

图4为本发明的艉部截流器在穿浪双体高速船艉部安装示意图；

图5为本发明的高速船舶艉部截流器系统控制系统原理框图；

图6为本发明的高速船舶艉部截流器系统执行机构示意图；

图7为本发明的高速船舶艉部截流器系统控制功能模块图。

具体实施方式

下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。

如图1所示，截流器执行机构安装在高速船舶艉部，它能改变船体周围流场和船体受力。在截流器周围，特别是截流器的前方，流体的速度和压力较不带截流器的情况下会有很大的改变。尽管截流器也在船体上产生了阻力，但只要高度行程选取合适，这个阻力的作用可以忽略。截流板的运动改变了船体表面的压力分布，在船体上产生纵倾力矩，减小纵倾角。截流板在垂直方向运动，从而改变船体表面的压力分布，产生升力，对船形成与扰动力矩相抗衡的稳定力矩。截流板在水平方向运动，可产生辅助船舶转舵的力矩。

如图2所示高速船舶艉部截流器系统结构框图，其组成有驾驶室显示控制单元、中央控制单元、驱动供电箱、伺服驱动单元组、执行机构组（含截流板，分为左侧水平安装组、右侧水平安装组、左侧垂直安装组、右侧垂直安装组）。高速船舶在波浪力矩的作用下发生摇荡，尤其体现在纵向运动上，中央控制单元通过对船舶姿态、航速和操舵指令等信号的解算，输出各组执行机构截流板行程控制指令，继而各截流板根据信号进行垂向和水平动作，实现运动姿态控制和辅助转舵功能。艉部截流器系统可分别适用于高速单体船和穿浪双体高速船，系统在这两种船型艉部的安装示意图分别如图3和图4所示。

如图5所示为高速船舶艉部截流器系统控制系统原理框图。中央控制单元分别通过LAN与驾驶室控制显示单元网口通信，通过串口（COM2）接收GPS信号（或通过DI接收计程仪信号），通过1路AI接收操舵指令，通过CAN总线向各伺服驱动单元组输出执行机构行程控制指令，并接收状态反馈信号和报警信号。

伺服驱动单元组根据控制系统中中央控制模块输出的指令信号，驱动执行机构截流板动作，是系统核心控制部件，如图6所示。实时自动运动姿态控制和辅助操舵控制时，控制系统通过控制驱动机构20实现对截流板10伸出行程的调节，改变船体周围流场和船体受力，从而达到船体姿态调节的目的。

图7所示为高速船舶艉部截流器系统控制功能模块图，系统功能模式主要分为基本模式（手动纵倾控制、手动横倾控制）和自动控制模式（自动纵倾控制、自动横倾控制、实时姿态控制、协同转向控制、辅助操舵控制）。其中辅助操舵控制模式由垂直安装的执行机构截流板动作实现，其余控制模式均由水平安装的执行机构截流板动作实现，辅助操舵模式和其他自动控制模式结合使用。以下分别对各模式控制方法进行说明：

①基本模式（手动横倾控制/手动纵倾控制）：通过驾驶室控制显示单元的人机界面对船舶当前横倾/纵倾角目标值进行调节，中央控制模块通过解算目标值与当前值的比较，解算系统需提供的稳定力矩，转化为执行机构组Ⅰ1和执行机构组2的行程控制指令输出至伺服驱动单元组和伺服驱动单元组，分别驱动相应的执行机构运动；

②自动纵倾控制模式：船舶高速航行时，水下片体产生的纵倾力矩改变船的纵向姿态。系统中央控制单元存储有船舶纵倾控制策略的专家库，当船舶高速航行时，根据当前海况选择相应的控制策略，中央控制单元可根据当前船舶纵向姿态信号和航速信息进行处理解算获得当前船舶纵倾角度，实时输出执行机构组Ⅰ1和执行机构组2的垂向行程控制指令，产生相应的纵倾力矩，将船舶的纵倾角减小至设定值，实现对船舶的自动纵倾控制；

③自动横倾控制模式：当船舶发生载重不平衡、在横风中航行等情况下，船体产生横倾。中央控制单元可根据当前船舶横向姿态信号和航速信息进行处理解算获得当前船舶横倾角度，实时调节执行机构组Ⅰ1和执行机构组2截流板不同的垂向行程，产生相应的横倾力矩，将船舶调整至系统设定的横倾角度（通常为0°），实现对船舶的自动横倾控制。当船舶在转向时，控制系统自动暂停横倾调节功能，提高船舶的转弯效率；

④实时姿态控制模式：系统中央控制单元通过实时采集的船舶三自由度姿态信号和航速信号，对执行机构组Ⅰ1和执行机构组2进行实时控制，可将高速船舶在任意海况、各个航速下调节至最优姿态，从而减小船的纵摇角度和垂荡加速度；通过对执行机构组Ⅰ1和执行机构组2截流板的差动控制，有效减小船的横摇角度；同时控制系统对船舶纵向运动控制和横向运动控制指标进行动态分配，实现船舶高航速下综合姿态控制性能最优；

⑤协同转向控制模式：在大多数情况下，横倾角在转弯时有助于船舶获得更高的转向速度并增加乘客的舒适度。系统中央控制单元实时采集船舶转弯时的方向舵位置信号，用来自动控制执行机构组Ⅰ1和执行机构组2随舵位进行相应的运动，例如，向左转向时，执行机构组Ⅰ截流板伸出，有效地减小转弯直径，获得更好的转向速度；

⑥辅助操舵模式：针对采用喷水推进方式的高速船舶，在使用喷泵转向时会产生明显的失速现象，增加能源的消耗。系统中央控制单元实时采集操舵指令信号，调节垂直安装的执行机构组3和执行机构组4截流板水平行程可以产生相应的转向力而不会造成较大的失速现象。当船舶仅需要较小的方向调整时，可直接利用辅助操舵功能来实现；而方向调整指令较大时，可采用喷泵和截流器系统相辅助来增加转向力，并减小船舶的回转半径；

通常情况下，在平静海况下，高速船舶艉部截流器系统使用自动纵倾控制（自动横倾控制）模式，并可结合协同转向控制；在剧烈海况下，使用实时姿态控制模式，实时调节船舶最优的运动姿态。同时系统辅助操作功能可在船舶不同转向需求下使垂直安装的执行机构参与方向调整，减小船舶转向时的失速问题，高效节能，符合当前节能减排造船的方向。