用于防止和衰减船的横摇的方法技术

本发明专利技术涉及一种用于防止和衰减具有螺旋桨推进器的发动机驱动的船舶的横摇的方法和设备。所提出的方法承认以下事实：船的速度控制器通过螺旋桨的速度调节来对横倾角变化做出响应。速度控制器将所述螺旋桨的力矩变化读取为待校正的速度变化。通过再现所述过程，结果是将小的横摇效果放大至临界横摇。其它因素有助于该过程，例如螺旋桨的副作用，船体与海水、波浪或风力接触。然而，通过抑制横倾角变化和速度控制器之间的相互作用，船的横摇能够被有效地减小和防止。通过抑制临界横摇的起因，所提出的方法减小了横摇、减少了船只的推进发动机的燃料损耗和维护。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术涉及一种用于防止和衰减具有螺旋桨推进器的机动船舶的横摇的方法和设备。
技术介绍
船的横摇对船的安全来说是已知的风险。船的横摇能够导致装载物的损失、货物固定系统上的高应力以及乘客和船员的不适。船的横摇能够被描述为钟摆的周期运动。相应的时间周期称为船的“固有横摇周期”。例如，当海浪使船倾斜时，船的浮力中心横向移动并且产生了使船重新稳定的恢复力矩。通常，由于恢复力矩并且由于船的船体和水之间的摩擦力，摆式的横摇将快速地衰减。例如波浪、风和海流的环境干扰可触发横摇。在一些情况下，干扰可具有非常低的能量并且仍可通过能量转移机构先后发展为两个状态之间的高振幅横摇。例如，临界横摇的已知的危险变形是所谓的“参数横摇”，当沿着船的海浪具有的周期与船的固有周期以特定的关系匹配时，出现参数横摇。具有保持恒定的振幅和周期的横摇是所谓的“临界横摇”。历史上，已经提出了不同类型的设备用以减轻横摇，所述设备例如为舭龙骨、减摇鳍或船舵装置。然而，横摇仍是船航行中的主要问题。现有技术以下的现有技术参考在以下文件中提及：（PA1）防横摇的方法和设备，（PA2）发动机速度和负载的控制设备。PA1-防横摇的方法和设备（现有技术）无源的防横摇设备（例如，舭龙骨）通过使用摩擦能来消散船的横摇能。由于通过注入能量以抵消横摇力的控制器来操纵的特定的制动器，有源的防横摇设备比无源的设备更有效。现代通常使用的防横摇制动器是减摇鳍。自动化的横摇衰减方法通过H.H.DOW于1929年10月15日递交的美国专利NO.1731236和1930年9月2日递交的美国专利NO.1774825（陶氏专利）来展示。陶氏专利描述了将一个螺旋桨或两个螺旋桨作为防横摇制动器来使用，通过使用一个螺旋桨的力矩或在两个螺旋桨之间产生的合力矩来平衡船的横倾角。此外，该专利描述了一种用于所述平衡的机械装置，控制系统的实施例通过20世纪30年代的技术来实现。描述了有源的防横摇设备的两个专利是欧洲专利PA0423901A1和美国专利US20080183341A1。第一个专利将船的螺旋桨机构（由可控制的喷水发动机组成）作为防横摇制动器使用，并且第二个专利将同样用于船的推进的两个螺旋桨或两组螺旋桨之间的扭矩差作为防横摇制动器使用。PA2-速度和负载的控制设备（
技术介绍
）船的速度和负载的控制设备的目的是将船的发动机速度和负载保持在给定的操作范围内。因此，船的速度也能够被保持在给定的范围内。图2示意性地示出了用于柴油发动机的传统的速度和负载的控制设备的组件。速度设定设备300被用来将要求的发动机速度设定为值n*。通常，操作者或自动导航系统将速度设置为设定值。发动机的实际速度n通过转速传感器314来读取。速度比较器302从设定速度中减去发动机的转速。产生的速度差dn被应用到速度控制器304。设定点P*从速度控制器输出到燃料设备310。燃料泵比较器306从设定点的值P*中减去由燃料注入泵索引传感器312读取的实际的燃料注入水平p。产生的差dp输出到燃料控制器308上，燃料控制器308通过功率信号fc操纵燃料设备310。燃料设备指示到柴油发动机316中的燃料注入，使得发动机速度n将被保持为接近设定点的值n*。针对大多数柴油发动机，燃料设备是机械驱动器，而针对共轨燃料系统，燃料设备是发动机的电子控制单元。具有内燃电力传动的发动机的推进器装置以相同的方式工作，但是具有以下不同：发电机和电动机放置在柴油发动机和螺旋桨之间并且电动机是速度可控的。附图说明为了更好地理解所描述的方法，将参考以下附图。图1示出了倾斜的船的恢复力和恢复力矩；图2示出了通过相关的致动器和传感器控制船的速度的常规配置（
技术介绍
）；图3根据示例性实施例示意性地示出了防止和衰减横摇的设备的配置；图4根据优选实施例示出了针对不同的方法步骤的用于防止和衰减船的横摇的流程图；图5示出了当防止和衰减横摇的设备不是有源时的船的临界横摇；图6、7、8、9、10根据横摇防止和衰减原理的各种示例性实施例来示出横摇衰减响应的示例。具体实施方式在此根据优选实施例描述用于防止和衰减螺旋桨驱动的船舶的横摇的设备和方法。所述方法和有关的设备通过考虑船舶的横摇中涉及的物理学的算法部分中描述的数学形式来支持。针对优选实施例的设备如图3中所描述的，该设备改进了早前描述的现有技术PA2以附加地包含防止和衰减横摇的功能。海洋船舶可包括多个发动机和螺旋桨。为了简化起见，在本实施例中仅描述一个发动机和一个螺旋桨。根据该优选实施例的设备基本上包括防止和衰减横摇的设备320（RAD设备），防止和衰减横摇的设备320（RAD设备）通过优势指令来干涉船的速度和负载的控制设备334。到RAD设备的输入包括：（1）来自被用于评估船的横摇性能的一个或数个传感器的采样信号，以及（2）关于设备中的不同设备的技术性能和物理性能的信息。优势指令和参数从RAD设备输出到速度和负载的控制设备334，该速度和负载的控制设备334改变了现有技术的设备334的正常功能。优势指令能够被应用到设备334的以下子部分中的任何一个上：速度比较器302，速度控制器304或燃料控制器308。所有这些子部分能够实现发动机速度的变化。在优先实施例中，优势指令被应用到速度控制器304上。实际上，RAD设备能够有利地与速度控制器304合并为整体。在该优选实施例中，被用来确定横摇性能的传感器是倾角计322，倾角计322给出船当前的横倾角θ。有关船的性能的信息通过操作者的界面和/或上级计算机324来给出。关注的性能包括：船的固有周期Ts、横向惯性力矩Js以及船的横摇阻尼系数ζ。关注的发动机性能包括：发动机功率Pe、额定速度Nn以及发动机的惯性力矩Je。针对速度和负载的控制设备所关注的性能是控制放大系数k和用于燃料设备和控制器的时间常数Tc。在优选实施例中，假定该信息从技术说明书或从船的运行试验可知。适应系统识别方法的替代性设备RAD设备需要船的动态模型和针对在优选的实施例部分中描述的该动态模型的参数值。通过使用传感器数值，船的动态模型和参数值能够由系统识别方法来确定。本领域控制工程师通常使用该方法。用于将优势指令应用到速度和负载的控制设备上的替代性设备在优选实施例中，来自RAD设备的优势指令被应用到速度控制器304上。在替代性的实施例中，对发动机速度的类似的作用能够本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于防止和衰减具有螺旋桨推进器的海洋船舶的横摇的方法，其特征在于：检测船的当前横倾角并且使用所述检测的横倾角的序列来计算表征船的横摇行为的性质的值，所述横摇行为的性质包括横摇振幅、横摇周期以及所述横摇振幅和横摇周期的趋势，使用模型将船的横摇行为表征为船的动态特性和船的发动机/螺旋桨速度控制器之间的临界相互作用，其中，所述临界相互作用增大或保持船的横摇，与船的横摇有关的信号、所述信号的一阶导数和二阶导数以及影响船的横摇的参数共同表征船的动态特性并且被用于所述模型中，根据所述船的横摇模型并且根据所述横摇趋势数据来完成适当的控制算法的选择，以通过修改发动机/螺旋桨速度调节器的功能使得所述临界相互作用受到抵制来防止和衰减船的动态特性和发动机/螺旋桨速度控制器之间的所述临界相互作用。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2011.09.16 SE 1130084-51.一种用于防止和衰减具有螺旋桨推进器的海洋船舶的横摇的方法，其特
征在于：
检测船的当前横倾角并且使用所述检测的横倾角的序列来计算表征船的横
摇行为的性质的值，所述横摇行为的性质包括横摇振幅、横摇周期以及所述横
摇振幅和横摇周期的趋势，
使用模型将船的横摇行为表征为船的动态特性和船的发动机/螺旋桨速度
控制器之间的临界相互作用，其中，所述临界相互作用增大或保持船的横摇，
与船的横摇有关的信号、所述信号的一阶导数和二阶导数以及影响船的横
摇的参数共同表征船的动态特性并且被用于所述模型中，
根据所述船的横摇模型并且根据所述横摇趋势数据来完成适当的控制算法
的选择，以通过修改发动机/螺旋桨速度调节器的功能使得所述临界相互作用受
到抵制来防止和衰减船的动态特性和发动机/螺旋桨速度控制器之间的所述临
界相互作用。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，防止和衰减所述临界相互作用通过
使用波浪冲击值、风向角和航向角来预测所述横倾角的即将产生的变化而实现，
所述波浪冲击值、风...

【专利技术属性】
技术研发人员：A·洛夫格伦，托马斯·林德奎斯特，乔治·富多尔，
申请(专利权)人：QTAGG研发公司，
类型：发明
国别省市：瑞典;SE