一种船舶鳍/水舱联合减横摇智能控制系统及其控制方法与流程

本发明属于船舶减摇控制领域，具体涉及一种船舶鳍/水舱联合减横摇智能控制系统及其控制方法。

背景技术

减摇鳍和减摇水舱普遍被人们应用于船舶减横摇领域，但是它们自身都存在一定局限性。减摇鳍在船舶航速较高的情况下，可以明显有效地减摇，但在低航速或者零航速下的减摇效果很差甚至没有减摇效果；减摇水舱在任何航速下都有减摇作用，但其减摇效率相对较低，并且在低频扰动下易增摇。如果能将二者结合起来，形成舱鳍联合减摇系统，就可以实现优势互补，达到全航速下的有效减摇。

现今，国内外有关于舱鳍联合减摇系统的研究陆续展开，然而在诸多研究中，减摇鳍和减摇水舱在全航速状态下都处于工作状态。而在低航速或者零航速状态下，船舶鳍/水舱联合减横摇控制系统中的减摇鳍起到的减摇作用甚微，此时，转动鳍角带来的能耗是不必要的。同样，在高航速下，船舶鳍/水舱联合减横摇控制系统中的减摇水舱相对于减摇鳍而言的减摇作用极低，此时，如果加入减摇水舱也会造成不必要的能量损失。

技术实现要素：

本发明的目的在于设计一种新型的船舶鳍/水舱联合减横摇智能控制系统及其控制方法。

本发的目的是这样实现的：

一种船舶鳍/水舱联合减横摇智能控制系统，包括船舶、减摇水舱控制系统、减摇鳍控制系统和鳍/水舱控制器，其特征在于，所述的减摇水舱控制系统包括减摇水舱控制器、气阀和减摇水舱；所述的减摇鳍控制系统包括减摇鳍控制器、放大器、角速度陀螺仪、随动系统和减摇鳍；所述的减摇水舱控制器接收来自角速度陀螺仪测量所得的船舶横摇角速度信号，并且根据船舶横摇角速度信号控制气阀的开启和关闭，由气阀的开启和关闭控制流入减摇水舱内的液体；船舶横摇角速度信号经过放大器将信号放大后发送给减摇鳍控制器，减摇鳍控制器发送控制指令给随动系统，由随动系统控制减摇鳍的姿态；所述的鳍/水舱控制器在接收船舶的航速和水舱内液位信号之后控制减摇水舱控制系统和减摇鳍控制系统。

一种船舶鳍/水舱联合减横摇智能控制方法，其特征在于，包含以下步骤：

步骤一鳍/水舱控制器在接收船舶的航速信号和水舱内液位信号之后对减摇水舱控制系统和减摇鳍控制系统发送控制指令；

当船舶的航速低于6kn时，则执行步骤二；当船舶航速为6kn到18kn这一区间内时，则执行步骤三；当船舶航速高于18kn，而且水舱左右两侧液位高度相同时，则执行步骤四；

步骤二鳍/水舱控制器对减摇鳍控制系统发出指令信号，使鳍角归为零，减摇鳍不发生转动，即减摇鳍退出联合减横摇智能控制系统，不工作，减摇水舱作为可控被动式减摇水舱正常工作；

步骤三鳍/水舱控制器对减摇鳍系统发出指令信号，使减摇鳍加入联合减横摇智能控制系统的工作，即减摇鳍鳍角转动产生减摇力矩，同时鳍/水舱控制器对减摇水舱系统发出指令信号，使减摇水舱的气阀在此区间内始终处于开启状态，即减摇水舱作为被动式减摇水舱工作；

步骤四鳍/水舱控制器对减摇水舱控制系统发出指令信号，使减摇水舱的气阀关闭，水舱内液体不流动，即减摇水舱退出联合减横摇智能控制系统，不工作，减摇鳍正常工作。

与现有技术相比，本发明的优势在于：

本发明实现对舱鳍联合减摇控制系统中减摇鳍和减摇水舱的合理配合，解决以往舱鳍联合减摇控制方案中，能量的不合理分配和浪费问题。

附图说明

图1是本发明新型船舶鳍/水舱联合减横摇智能控制系统的系统框图；

图2是减摇鳍部分的控制方案系统框图；

图3是减摇水舱的控制方法时序图；

具体实施方式

下面结合附图对本发明作出详细说明：

具体实施例一：

船舶鳍/水舱联合减横摇智能控制系统采用减摇鳍和减摇水舱联合减横摇控制，控制系统包括船舶、减摇水舱控制系统、减摇鳍控制系统以及鳍/水舱控制器，智能控制的关键在于鳍/水舱控制器。

减摇鳍采用按横摇角度、角速度和角加速度三者加和的“力矩控制”，船产生横摇运动时，其横摇信息通过角速度陀螺仪测得，送入控制器计算后，给出鳍角指令信号，经由鳍驱动伺服系统，将鳍转到期望的位置。

减摇水舱采用以船舶的横摇角速度作为水舱气阀启闭的控制信号，控制水舱顶部的气阀开启；以船舶横摇角速度和横摇角速度的加权信号作为控制信号，控制水舱顶部气阀的关闭。然后，通过气阀的启闭来使水舱中的液体始终保持在船舶向上运动那一侧，控制水舱内液体振荡周期，尽可能控制水舱内液体的振荡周期和船舶横摇运动的周期相同，最后，将水舱的力矩信号反馈给船舶，进而减小船舶的横摇运动。

鳍/水舱控制器在接收到船舶的航速和水舱内液位信号之后，分别对鳍控制器和水舱控制器发出指令信号，进而控制鳍的转动和水舱气阀的启闭。

如图1所示，它是本发明的总体设计原理图，它包括海浪干扰力矩，船舶，减摇鳍控制系统，减摇水舱控制系统，以及鳍/水舱控制器。

船舶在受到来自海浪的干扰后，产生横摇运动，从而产生各种与横摇有关的信号，如横摇角，横摇角速度，横摇角加速度，水舱液位高度等。

当船舶产生横摇运动时，联合控制系统中减摇鳍系统由角速度陀螺将控制信号送出，经处理后生成转鳍命令，然后由电-液控制系统对鳍产生驱动效应，使得鳍的转动方向相反，由此产生稳定力矩作用于船上，来抵抗外界干扰力矩。而联合控制系统中减摇水舱系统则通过传感器采集到的信号来产生控制水舱气阀启闭的控制信号，这个信号传输给水舱气阀控制器，水舱气阀控制器控制阀的启闭。从而使得水舱中的水始终保持在向上运动的那一侧边舱内，通过水的重力作用产生一个施加于船上的力矩，该力矩与船舶横摇角速度方向相反，以减小船舶的横摇运动。

具体的智能控制方案如下：

鳍/水舱控制器接收船舶的航速信息和水舱的液位高度信息，当船舶的航速低于6kn时，鳍/水舱控制器对减摇鳍控制系统发出指令信号，使鳍角归为零，减摇鳍不发生转动，即减摇鳍退出联合减横摇智能控制系统，不工作，减摇水舱作为可控被动式减摇水舱正常工作；当船舶航速为6kn到18kn这一区间内时，鳍/水舱控制器对减摇鳍系统发出指令信号，使减摇鳍加入联合减横摇智能控制系统的工作，即减摇鳍鳍角转动产生减摇力矩，同时鳍/水舱控制器对减摇水舱系统发出指令信号，使减摇水舱的气阀在此区间内始终处于开启状态，即减摇水舱作为被动式减摇水舱工作；当船舶航速高于18kn，而且水舱左右两侧液位高度相同时，鳍/水舱控制器对减摇水舱控制系统发出指令信号，使减摇水舱的气阀关闭，水舱内液体不流动，即减摇水舱退出联合减横摇智能控制系统，不工作，减摇鳍正常工作。

对于减摇鳍系统和减摇水舱系统的控制方案如下：

如图2所示，它是船舶鳍/水舱联合减横摇智能控制系统中减摇鳍部分的控制方案系统框图。

减摇鳍采用按照横摇角、横摇角速度和横摇角加速度综合的“力矩对抗”控制策略，对于船舶鳍/水舱联合减横摇智能控制系统的pid控制器，有：

本发明采用pid控制，其中参数a、b、c表示为：

式中，kh为航速调节系数，kp、ki、kd为pid参数，lf为减摇鳍上水动力压力中心到船舶重心的作用力臂，ρt为海水密度，v为航速，af为减摇鳍的投影面积，为升力系数斜率。

当减摇鳍按力矩控制时，不同航速、海况对应不同pid参数。为取得良好的减摇效果，本发明采用粒子群算法优化的变参数pid力矩控制。

对于减摇水舱，本发明采用的是“气阀开关控制式减摇水舱”。对水舱气阀开关的控制方法采用“以水舱流体速度为反馈信号的闭环控制”，即：将水舱底部连通道水的流动方向作为控制输入，当舱内液体的流动方向改变时，即流过水舱底部连通道的液体速度过零时，控制信号控制气阀使其关闭；当船舶的横摇运动向一侧运动达到最大的横摇角度时，即流过水舱底部连通道的液体速度为零时，控制信号控制气阀使其开启。其控制方法时序图如图3所示。

具体实施例二：

一种新型的船舶鳍/水舱联合减横摇智能控制方法与装置，其特征在于：

第一步：当船舶产生横摇时，联合控制系统通过角速度陀螺仪测得横摇信息，得到船舶的横摇角度、横摇角速度和横摇角加速度。

第二步：将测得的船舶横摇信息分别发送给控制器，有控制器计算得到鳍角指令信号和减摇水仓气阀开闭信号。

第三步：将联合控制器输出的鳍角指令信号和减摇水仓气阀开闭信号分别发送给鳍驱动伺服系统和减摇水仓气阀驱动系统，控制相应的鳍角位置和气阀开闭，使船舶达到减摇效果。

所述的船舶鳍/水舱联合减横摇智能控制方法与装置其特征还在于：该方法和装置结合减摇鳍和减摇水舱的优点采用减摇鳍和减摇水舱联合减横摇的控制方案，通过鳍/水舱控制器对减摇水舱和减摇鳍的工作状态进行控制，针对不同的航速和水舱液位高度，使减摇鳍和减摇水舱处于相应的工作状态。鳍/水舱控制器接收船舶的航速信息和水舱的液位高度信息，当船舶的航速低于6kn时，鳍/水舱控制器对减摇鳍控制系统发出指令信号，使鳍角归为零，减摇鳍不发生转动，即减摇鳍退出联合减横摇智能控制系统，不工作，减摇水舱作为可控被动式减摇水舱正常工作；当船舶航速为6kn到18kn这一区间内时，鳍/水舱控制器对减摇鳍系统发出指令信号，使减摇鳍加入联合减横摇智能控制系统的工作，即减摇鳍和减摇水仓协调工作。通过减摇鳍与减摇水仓的智能合理分配，达到减少能量损失的效果。

所述的船舶鳍/水舱联合减横摇智能控制方法与装置的特征在于：对于该方案中的减摇鳍系统，采用粒子群算法优化的变参数pid力矩控制。减摇鳍采用按横摇角度、角速度和角加速度三者加和的“力矩控制”。

所述的船舶鳍/水舱联合减横摇智能控制方法与装置的特征在于：对于该方案中的减摇水仓系统，采用“气阀开关控制式减摇水舱”，对水舱气阀开关的控制方法采用“以水舱流体速度为反馈信号的闭环控制”。减摇水舱采用以船舶的横摇角速度作为水舱气阀启闭的控制信号，控制水舱顶部的气阀开启；以船舶横摇角速度和横摇角速度的加权信号作为控制信号，控制水舱顶部气阀的关闭。