一种基于船舶水动力在线预报的船舶减摇控制系统

摘要

本发明公开了一种基于船舶水动力在线预报的船舶运动减摇控制系统，属于船舶与海洋工程技术领域。本发明利用船舶运动参数实时预报和动平衡思想，通过水动力方程实现船舶水动力的在线自适应预报，进而作为减摇控制的依据。通过传感器模块测量的船舶运动参数、水动力在线估计模块及鳍角分配模块对船舶运动进行实时、自适应控制，与传统的减摇控制方法相比自适应性和水动力估算模型更加完善。本发明适用于安装单对鳍或两对鳍的船舶，对安装单对鳍的船舶实现减横摇和减纵摇两种功能；对安装两对鳍的船舶实现减横摇、减纵摇和同时减纵‑横摇三种功能，可广泛用于各种水面船舶的减摇控制，在船舶减摇控制领域中具有良好的应用前景和良好的经济效益。

说明书

技术领域

本发明属于船舶与海洋工程技术领域，具体涉及一种基于船舶水动力在线预报的船舶减摇控制系统。

背景技术

船舶在海上航行时，由于船舶运动阻尼很小，使得船舶在风浪中会不断产生六个自由度运动，对船舶航行的性能和安全性带来很大的影响。其中，横摇、纵摇、垂荡三个自由度运动对船舶安全和海上影响较大，过大的横摇、纵摇以及垂荡运动会引起波浪砰击、甲板上浪以及螺旋桨飞车等危险情况，对船舶舒适性、适航性及安全性等各项性能、船上设备、船舶海上作业能力等会产生不利影响。

船舶安全性方面，剧烈纵摇和升沉运动会引起船艏底部的砰击和甲板上浪。其中，船底砰击容易导致船体结构的损伤或者破坏，而甲板上浪则可能使舱室进水、甲板上的各类设备受破坏、使工作人员无法在甲板上安全工作。

航行性能方面，过大的船舶纵摇和垂荡运动容易造成船舶失速，除了使主机功率不能得到充分的利用外，还会引起船体颤振，摇荡引起的出水现象给船舶的操纵性带来困难。

船舶作业能力方面，剧烈的摇荡运动将严重削弱船舶的作业能力。剧烈的舰艇摇荡运动除了影响船载设备的使用性能之外，纵摇和垂荡运动引起的垂向加速度将会导致船员晕船、身体失去平衡，影响船员的舒适性和作业能力。

因此，对在航行过程中，对船舶运动进行实时控制对于船舶安全和舒适性、提高船员作业能力等具有重要意义。现有的减摇控制方法中，非线性方法由于实时性和自适应性的限制，难以实现实时应用；线性方法中，以PID控制方法应用最为广泛，但该方法的控制参数整定需依靠经验和现场调试确定，实时应用中的自适应性存在不足；而LQG控制方法中，则存在水动力估计模型不完善的问题。

鉴于上述问题，本发明提供了一种基于船舶水动力在线预报的船舶运动减摇控制系统，核心是利用船舶运动参数实时预报和动平衡思想由水动力方程实现船舶水动力的在线自适应预报，进而作为减摇控制的依据。

本发明提供的一种基于船舶水动力在线预报的船舶运动减摇控制系统，对安装单对鳍的船舶能够实现减横摇和减纵摇两种功能；对安装两对鳍的船舶能够实现减横摇、减纵摇和同时减纵-横摇三种功能。

目前，国内外并没有提出相同或者类似的方法。

发明内容

本发明的目的在于提供一种减摇控制方法自适应性和水动力估算模型更加完善的基于船舶水动力在线预报的船舶运动减摇控制系统。

本发明的目的是这样实现的：

本发明公开了一种基于船舶水动力在线预报的船舶减摇控制系统，包括海洋环境激励模块、船体动力模块、运动姿态测量模块、船体水动力在线预报模块及鳍角分配模块；其具体的实现步骤包括：

(1)海洋环境激励模块向船体动力模块施加作用，使船体不断产生横摇、纵摇和垂荡等六个自由度的运动；通过船舶运动姿态测量模块中的传感器实时监测船体横摇运动的时历数据η₄(t)、纵摇运动时历数据η₅(t)和垂荡运动加速度时历数据

(2)船体水动力在线预报模块对船舶运动姿态进行实时预报，利用船舶运动时历数据，通过时间序列模型实现横摇、纵摇和垂荡运动的自适应实时预报，获得下一时刻的船舶横摇、纵摇和垂荡运动加速度预测值和

(3)船体水动力在线预报模块对船舶水动力进行在线估计，通过船舶运动水动力学方程利用动平衡思想由船舶运动反求水动力；

(4)利用船舶横摇力矩、纵摇力矩的预测值和通过鳍角分配模块，为船舶的各个减摇鳍分配角度，产生稳定力矩，实现减摇控制。

对于一种基于船舶水动力在线预报的船舶减摇控制系统，步骤(2)中所述的利用船舶运动时历数据进行横摇、纵摇和垂荡运动的自适应实时预报通过时间序列模型实现，其中，时间序列模型包括线性时间序列模型、非线性时间序列模型和神经网络模型。

对于一种基于船舶水动力在线预报的船舶减摇控制系统，步骤(3)中所述的利用动平衡思想由船舶运动反求水动力是将船舶横摇、纵摇和垂荡运动加速度预测值和代入到水动力学方程中，获得垂荡波浪力、横摇力矩、纵摇力矩的预测值和

对于一种基于船舶水动力在线预报的船舶减摇控制系统，所述的垂荡波浪力横摇力矩纵摇力矩的计算模型分别为：

对于一种基于船舶水动力在线预报的船舶减摇控制系统，所述的步骤(4)中鳍角分配模块进行鳍角分配时，将预测的船舶横摇力矩和纵摇力矩作为减摇鳍稳定力矩的期望值，并利用减摇鳍的水动力模型进行鳍角估算。

本发明的有益效果在于：

本发明公开的一种基于船舶水动力在线预报的船舶减摇控制系统，利用船舶运动参数实时预报和动平衡思想，通过水动力方程实现船舶水动力的在线自适应预报，进而作为减摇控制的依据。

与传统的减摇控制系统相比，本发明提供的减摇控制方法自适应性和水动力估算模型更加完善，其特点主要包括：一是利用实时测量的船舶横摇、纵摇和垂荡运动数据，利用时间序列模型对未来极短一段时间内的船舶运动参数进行实时预报，作为在线水动力计算模型的输入；二是基于船舶水动力学运动方程，由动平衡思想，通过预测的船舶横摇、纵摇和垂荡运动参数，实时反求船舶水动力。

此外，本发明所提供的一种基于船舶水动力在线预报的船舶运动减摇控制系统，能够通过传感器模块测量的船舶运动参数、水动力在线估计模块及鳍角分配模块实现对船舶运动的实时、自适应控制。

本系统适用于安装单对鳍或者两对鳍的船舶，对安装单对鳍的船舶能够实现减横摇和减纵摇两种功能；对安装两对鳍的船舶能够实现减横摇、减纵摇和同时减纵-横摇三种功能，可广泛用于现有的各种水面船舶的减摇控制，因此，本发明在船舶减摇控制领域中具有良好的应用前景和很高的经济效益。

附图说明

图1为本发明中一种基于船舶水动力在线预报的船舶运动减摇控制系统的结构组成和实现流程示意图；

图2为本发明中一种基于船舶水动力在线预报的船舶运动减摇控制系统进行减纵摇时的减摇鳍攻角和受力示意图；

图3为本发明中一种基于船舶水动力在线预报的船舶运动减摇控制系统进行减横摇时的减摇鳍攻角和受力示意图；

图4为本发明中一种基于船舶水动力在线预报的船舶运动减摇控制系统进行减纵-横摇时的减摇鳍攻角和受力示意图；

图5为本发明中一种基于船舶水动力在线预报的船舶运动减摇控制系统在五级海况迎浪下进行减纵摇的数值模拟结果；

图6为本发明中一种基于船舶水动力在线预报的船舶运动减摇控制系统在五级海况横浪下进行减横摇的数值模拟结果；

图7为本发明中一种基于船舶水动力在线预报的船舶运动减摇控制系统在五级海况顶斜浪下进行减纵-横摇的数值模拟结果。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步描述。

本发明公开了一种基于船舶水动力在线预报的船舶运动减摇控制系统，结合图1，为系统总体结构与实现流程示意图，包括海洋环境激励模块1、船体动力模块2、运动姿态测量模块3、船体水动力在线预报模块4及鳍角分配模块5；

结合图1至图7，其具体的实现步骤包括：

(1)海洋环境激励模块2向船体动力模块1施加作用，使船体不断产生横摇、纵摇和垂荡等六个自由度的运动；通过船舶运动姿态测量模块3中的传感器实时监测船体横摇运动的时历数据η₄(t)、纵摇运动时历数据η₅(t)和垂荡运动加速度时历数据

(2)执行船舶水动力在线预报模块4中的船舶运动姿态实时预报，利用船舶运动时历数据，通过时间序列模型实现横摇、纵摇和垂荡运动的自适应实时预报，获得下一时刻的船舶横摇、纵摇和垂荡运动加速度预测值和

(3)执行船舶水动力在线预报模块4中的船舶水动力在线估计，通过船舶运动水动力学方程利用动平衡思想由船舶运动反求水动力；

具体而言是将船舶横摇、纵摇和垂荡运动加速度预测值和代入到水动力学方程中，获得垂荡波浪力、横摇力矩、纵摇力矩的预测值和其估算模型分别为：

(4)鳍角分配模块5将预测的船舶横摇力矩和纵摇力矩作为预期的减摇稳定力矩，为船舶的各个减摇鳍分配角度，实现减摇控制。

在鳍角分配时，针对不同的船舶减摇需求，鳍角分配策略有所不同；结合图2至图4，以安装两对减摇鳍的船舶为例，分别给出了两对减摇鳍减横摇、减纵摇、减纵-横摇三种情况下的减摇鳍鳍角分配示意图。

对单减纵摇而言，可通过减摇鳍力矩求解公式以及波浪力矩与减摇鳍关系式求得相应的四个减摇鳍攻角，将减摇鳍提供的力矩全部用来减纵摇。结合图2，当船舶受到一个纵摇力矩F₅作用，使得船舶有船首向下的纵摇运动，则可通过控制减摇鳍分配，使得一对艏鳍提供向上的升力，一对艉鳍提供向下的升力，两对减摇鳍同时作用使得减摇鳍产生的力作用于船上得到与纵摇力矩F₅相反的稳定力矩。在减纵摇控制方法中，减摇鳍鳍角分配规律是前后两对减摇鳍的大小相同，方向相反。结合图5，给出了本发明提供的一种基于船舶水动力在线预报的船舶减摇控制系统在减纵摇数值模拟中的实施例，施加控制前后，纵摇运动得到大幅控制。

对单减横摇来说，可通过减摇鳍力矩求解公式以及波浪力矩与减摇鳍关系式求得相应的四个减摇鳍攻角，将减摇鳍提供的力矩全部用来减横摇。结合图3，当船舶受到一个横摇力矩F₄作用，使得船舶有右舷向下的横摇运动，则可通过控制减摇鳍分配，使得右舷的一对鳍提供向上的升力，左舷的一对鳍提供向下的升力，两对减摇鳍同时作用使得减摇鳍产生的力作用于船上得到与横摇力矩M₄相反的稳定力矩。在减横摇控制方法中，减摇鳍鳍角分配规律是左右减摇鳍的大小相同，方向相反。结合图6，给出了本发明提供的一种基于船舶水动力在线预报的船舶减摇控制系统在减横摇数值模拟中的实施例，施加控制前后，横摇运动得到大幅控制。

对减纵-横摇而言，可通过减摇鳍力矩求解公式以及波浪力矩与减摇鳍关系式求得相应的四个减摇鳍攻角，将减摇鳍提供的力矩合理分配用来同时减纵-横摇。结合图4，假设船舶受到一个横摇力矩F₄和一个纵摇力矩F₅作用(F₅＞F₄)，使得船舶同时有船首向下和右舷向下的纵横摇运动，则可通过控制减摇鳍分配，使得一对艏鳍提供向上的升力且右舷鳍提供的升力大于左舷鳍提供的升力，一对艉鳍提供向下的升力且左舷鳍提供的升力大于右舷鳍提供的升力，两对减摇鳍同时作用使得减摇鳍产生的力作用于船上，得到与波浪力矩相反的稳定力矩。在减纵-横摇控制方法中，减摇鳍鳍角分配规律是根据纵横摇波浪力矩大小不同，四个减摇鳍鳍角大小与方向不同。当纵摇力矩大于横摇力矩时，前后鳍鳍角方向相反；当横摇力矩大于纵摇力矩时，左右鳍鳍角方向相反。结合图7，给出了本发明提供的一种基于船舶水动力在线预报的船舶减摇控制系统在减纵-横摇数值模拟中的实施例。施加控制前后，纵摇和横摇运动同时得到明显地控制。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。