容錯的船舶減搖裝置控制系統的製作方法

2023-04-25 05:35:06

專利名稱：容錯的船舶減搖裝置控制系統的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種控制系統和方法，用於使由能夠產生橫搖運動的激振波浪力引起的海船運動穩定，尤其涉及，儘管不是專有地，一種包括迴轉穩定器，並採用幾個控制模式以提供容錯控制的控制系統和方法。
背景技術：
當迴轉穩定器用於海船以減弱橫搖運動時，船舶的橫搖運動引起飛輪進動，飛輪進動反過來產生對抗橫搖運動的扭矩。這意味著所引起的飛輪進動總處於適當的相位以減弱橫搖運動(如果所述進動不超過90° )。根據對由機械布置導致的進動的抵抗，當滾動旋轉率(側傾率)超過一定程度時，所引起的進動扭矩會使飛輪進動多於90° (過進動)。這導 致由飛輪產生的對抗橫搖的扭矩不穩定，因為對抗橫搖的扭矩會暫時為零。如果對進動的抵抗足夠大，以至於可以在峰值輸入情況期間避免所引起的過進動，那麼穩定效應在更普遍的情況期間會被嚴格地限制。因此希望提供一種迴轉穩定器控制系統以改變對進動的抵抗，或者主動地控制陀螺儀的飛輪進動運動。已知許多迴轉穩定器控制系統，從由操作杆致動的手動的進動軸制動器到通常依靠感測的船舶橫搖運動和陀螺儀進動運動而對進動角的自動控制。手動的進動軸制動器由Schlick於1904年第一次提出，並由White於1907年進行描述，手動的進動軸制動器需要人工幹預以避免在波浪環境中超出小範圍的設計條件的過進動。此後，美國公司Sperry開發了一種系統，該系統通過使用小陀螺儀和由開關轉換器控制的電力馬達以控制主陀螺儀的進動而處理了 Schlick陀螺儀的問題。在該系統中，進動率與船舶的側傾率成比例。儘管這些現有技術系統的性能在一些波浪環境中是卓越的，(高達95%的橫搖減少)，但是進動控制系統不適用於可變的波浪環境，因此簡單化的進動扭矩控制器限制了系統的性能。隨著發明了更輕和更便宜的減搖鰭，減搖鰭在當海船處於允許鰭產生水動升力的速度時工作良好，人們對迴轉穩定器的興趣才減少。迴轉穩定器對船舶具有零航速或低航速的應用具有特別的益處，而基於流體力學的系統具有少許效果或沒有效果。一些應用包括巡邏艇、豪華機動遊艇、海上浮式生產系統和離岸工作船，但並不局限於這些應用，這些應用在低速或零速期間都具有重要的操作功能。這些應用推動人們重新有興趣味考慮用迴轉穩定器控制由波浪引起的海船橫搖運動。因此，提出了用於迴轉穩定器的更複雜的控制系統，以在寬範圍的操作條件內提供改進的船舶運動衰減性能。例如，在WO 2009/009074中，Rubenstein和Akers公開了一種控制方案，該控制方案使用姿態變化率和角速率傳感器用於船舶和迴轉穩定器，以產生前饋部件。前饋部件與反饋部件、模式輸入(當前情況的指示，比如下水、停泊或以不同速度航行中)以及預定控制(當施加到迴轉穩定器和/或其它船舶穩定設備時)的效果的預期一起使用以為陀螺儀和任何其它控制裝置產生資源分配向量。通過主動地控制迴轉穩定器飛輪的進動，可以獲得在寬範圍的操作條件內安全有效的性能。對進動的主動控制需要將傳感器反饋作為過程控制變量來使用。如果過程控制變量由於傳感器誤差、系統電力損耗或其它故障而不適用於控制系統，那麼主動控制系統會停止運轉。對於主動驅動的迴轉穩定器，這會導致迴轉穩定器的穩定作用的直接喪失，這在拿船舶的安全和/或舒適運轉冒險。隨著提供了數量增加的傳感器，從而允許使用對變化的海況和船舶運動反應更加迅速的更複雜的迴轉穩定器控制算法，一個或多個傳感器發生故障的風險會增加。本發明以提供一種迴轉穩定器控制系統和方法為目的而開發，該迴轉穩定器控制系統和方法是容錯性的，減少了一個或多個傳感器發生故障的嚴峻風險。然而，應當明白的是，本發明的控制系統和方法還具有其它類型的船舶減搖裝置的應用，比如水動力減搖裝置。水動力減搖裝置的示例包括鰭、舵、T型水翼艇、截擊機、槽型減搖水艙、艉均衡翼板，其它類型的減搖裝置的示例包括可移動的壓載系統。本說明書提及現有技術是僅出於解釋性目的，在本說明中對現有技術的提及不應看作承認這些現有技術在澳大利亞或其它地區是公知知識的一部分。·

發明內容
根據本發明的一個方面，提供了一種減搖裝置控制方法，用於使由激振波浪力引起的海船運動穩定，所述方法包括以下步驟檢測進動運動傳感器信號的可用性(availability)或不可用性(otherwise),以及船舶橫搖運動傳感器信號的可用性或不可用性；當兩種傳感器信號都可用(available)時，選擇第一控制模式；當僅傳感器信號之一可用時，選擇第二控制模式；當兩種傳感器信號都不可用時，選擇第三控制模式，由此，在使用中，環境中最適當的控制模式被選擇，以提供能夠容忍進動運動傳感器信號和/或船舶橫搖運動傳感器信號無效的減搖裝置控制。通常，通過感測迴轉穩定器的進動來獲得進動運動傳感器信號，迴轉穩定器用於船舶減搖裝置系統中以使船舶穩定。或者或此外，在一些情況下，例如，可通過感測用於感測船舶運動的迴轉傳感器的進動運動來獲得進動運動傳感器信號。船舶減搖系統可以或者不必採用迴轉穩定器，然而在優選的實施例中，船舶減搖系統採用至少一個迴轉穩定器。第一控制模式包括使用兩種傳感器信號和/或兩種傳感器信號的導出數(derivatives)作為過程控制變量,通過驅動進動或主動地對抗飛輪的橫搖所致自由進動以產生期望的進動運動來主動控制迴轉穩定器的進動。第一控制模式包括比例積分微分(PID)控制器、模糊邏輯控制器、神經網絡控制、魯棒控制器、模型預測控制方法、適應控制方法，適應控制方法包括申請人的共同未決的國際申請No PCT/AU2011/XXXX的自動增益控制(AGC)控制器，該國際申請的細節在這裡以參考或這些控制方法的組合的形式包含在內。第一控制模式對力分配方法做出反應，力分配方法感測其它減搖裝置的動作，並因此調節迴轉穩定器控制器以提供減搖裝置的優化系統。第一控制模式要求或允許操作者輸入。第一控制模式使用測量的進動軸和船舶橫搖軸數據直接作為過程控制變量，或者第一控制模式包括預測元件，該預測元件提供對這些信號的未來狀態的預估，對這些信號的未來狀態的預估隨後用作控制的各種可能第一控制模式的輸入。第二控制模式包括使用迴轉穩定器進動運動傳感器信號或船舶橫搖運動傳感器信號和/或這些信號的導出數作為過程控制變量，通過驅動進動或主動地阻尼飛輪的橫搖所致自由進動以產生期望的進動運動而主動控制迴轉穩定器的進動。或者，第二控制模式包括以下步驟基於迴轉穩定器進動運動傳感器信號和/或其計算導出數，使用具有或不具有自適應性的預測的或反應的控制方法計算適當的進動軸驅動或阻尼控制命令。優選地，第二控制模式包括以下步驟根據船舶橫搖運動傳感器信號預估進動運動；以及基於預估的進動運動和/或其計算導出數，使用具有或不具有適應能力的預測或反應的控制方法計算適當的進動軸驅動或阻尼控制命令。有利地，第二控制模式包括以下步驟從船舶橫搖運動傳感器信號中預估進動運動；以及基於預估的進動運動和/或其計算導出數，使用具有或不具有適應能力的預測或反應的控制方法計算出適當的進動軸驅動或阻尼控制命令。有利地，第二控制模式採用包括以下步驟的適應控制方法產生控制信號以在增加迴轉穩定器飛輪的進動，直到基於從迴轉穩定器進動軸運動導出的過程控制變量而可以預估到迴轉穩定器進動軸運動會超過預先確定的界限；以及施加繞迴轉穩定器進動軸的對控制信號做出響應的進動控制扭矩，由此，在使用中，可以獲得僅基於從迴轉穩定器進動軸運動得 到的過程控制變量而對船舶運動的自適應控制。此外或或者，當迴轉穩定器進動運動傳感器信號不可用時，船舶橫搖運動傳感器信號和/或其導出數可用於產生與迴轉穩定器進動軸運動的預估相對應的預估的進動信號，在第二控制模式中，預估的進動信號代替迴轉穩定器進動運動傳感器信號。優選地，第三控制模式通過將保守的預置等級的制動或阻尼施加到進動軸來提供對迴轉穩定器的進動的被動控制，進動軸設計成在操作狀況的期望範圍內，在高達最大設計海況時限制進動角在預先確定的界限內。可選地，施加到進動軸的預置等級的制動或阻尼是手動可調的。船舶減搖系統包括額外的船舶減搖裝置，比如額外的迴轉穩定器(以允許控制諸如橫搖和縱向)、水動力減搖裝置和/或另外類型的減搖裝置。水動力減搖裝置的示例包括鰭、舵、T型水翼艇、截擊機、槽型減搖水艙、艉均衡翼板，其它類型的減搖裝置的示例包括可移動的壓載系統。第一控制模式包括與迴轉穩定器的控制和/或由力分配系統所分配的控制同步地控制額外的減搖裝置的步驟。第二控制模式包括控制額外的減搖裝置的步驟。第三控制模式包括使額外減搖裝置處於默認或無效狀態的步驟。控制方法包括以下進一步步驟感測迴轉穩定器和任何額外的減搖裝置的可用性，以及變更力分配以配合可用性的損失，或變更一個或多個減搖裝置性能的減少。根據本發明的另一方面，提供了減搖裝置控制系統，用於使由激振波浪力引起的海船運動穩定，所述系統包括錯誤檢測裝置，用於檢測進動運動傳感器信號的可用性或其它，以及船舶橫搖運動傳感器信號的可用性或其它；控制模式選擇裝置，用於當兩種傳感器信號都可用時選擇第一控制模式，當僅傳感器信號之一可用時選擇第二控制模式，當兩種傳感器信號都不可用時選擇第三控制模式；以及減搖控制命令產生裝置，用於根據選擇的控制模式產生減搖控制命令，由此，在使用中，在環境中最適當的控制模式被選擇，以提供能夠容忍進動運動傳感器信號和/或船舶橫搖運動傳感器信號無效的船舶減搖。
通常，通過感測迴轉穩定器的進動來獲得進動運動傳感器信號，迴轉穩定器在船舶減搖系統中用於使船舶穩定。或者或此外，在一些情況下，例如可以通過感測用於感測船舶運動的迴轉傳感器的進動運動而獲得進動運動傳感器信號。船舶減搖系統可以或不必採用迴轉穩定器，然而在優選的實施例中，船舶減搖系統採用至少一個迴轉穩定器。在第一控制模式中產生的減搖控制命令提供對迴轉穩定器的進動的主動控制，該主動控制使用兩種傳感器信號和/或兩種傳感器信號的導出數作為過程控制變量，驅動進行或主動地抵抗飛輪的橫搖所致自由進動以產生期望的進動運動。類似地，在第二控制模式中產生的減搖控制命令提供對迴轉穩定器的進動的主動控制，該主動控制使用迴轉穩定器進動運動傳感器信號或船舶橫搖運動傳感器信號和/或信號的導出數作為過程控制變量，驅動進動或主動地阻尼飛輪的橫搖所致自由進動以產生期望的橫搖運動。通常，減搖控制命令產生裝置包括基於所述迴轉穩定器進動運動傳感器信號和/或其計算導出數、使用具有或不具有適應能力的預測的或反應的控制方法來計算適當的·進動軸驅動或阻尼控制命令的裝置。可選擇地，減搖控制命令產生裝置包括用於從第二控制模式中的船舶橫搖運動傳感器信號中預估進動運動的裝置；以及，用於基於預估的進動運動和/或其計算的導出數、使用具有或不具有適應能力的預測的或反應的控制方法來計算適當的進動軸驅動或阻尼控制命令的裝置。在整個說明書中，除非上下文要求，否則詞「包括」或其變體應理解為包括所提到的實體或實體組，但並不排除任何其它實體或實體組。類似地，詞「優選地」或其變體應理解為所提到的實體或實體組是理想的，但對本發明的運作方式來說並非必需的。在整個說明書中，術語「船舶」指的是海上飄浮裝置，通常為小船、遊艇、駁船、海船或潛水艇，海上飄浮裝置經受由產生橫搖運動的環境激振力引起的振蕩運動。術語「橫搖運動」指的是包括任何或所有船舶衍生物的船舶的橫搖運動，更廣泛地，指的是船舶的任何需要裳減的振湯運動。


下面將參考附圖詳細說明船舶穩定器控制系統和方法的僅作為示例的優選實施例，由此,本發明的特性會更加清楚明白，附圖中圖I是本發明的船舶減搖裝置控制系統的優選實施例的示意圖；圖2是圖I的控制系統以第一控制模式操作時的示意圖；圖3是圖I的控制系統以第二控制模式操作時的示意圖；圖4是圖I的控制系統以第三控制模式操作時的示意圖；圖5是提供進動軸的阻尼控制的迴轉穩定器液壓控制迴路的優選實施例的流體迴路圖；圖6是提供進動軸的驅動控制的迴轉穩定器液壓控制電路的優選實施例的流體迴路圖。
具體實施方式
圖I顯示了本發明的船舶減搖裝置控制系統12的優選的實施例的結構，該船舶減搖裝置控制系統用於使由激振波浪力引起的海船2橫搖運動穩定。迴轉穩定器4用在船舶減搖系統中，用於穩定船舶2，並定向成使船舶2的橫搖運動引起迴轉穩定器4繞其進動軸的進動運動。迴轉穩定器4機械聯接到陀螺儀致動器8，從而迴轉穩定器4的運動導致陀螺儀致動器8的移位。船舶2的橫搖運動被傳送到迴轉穩定器4的飛輪6，飛輪6的進動行為產生抵制由波浪力引起的力矩的迴轉穩定力矩。儘管是為了橫搖運動減弱的應用而描述該實施例，本發明同樣可應用於減弱縱向擺動(pitch motion)。迴轉穩定器飛輪具有兩個自由度旋轉和進動。藉助於由於船體的旋轉和位置引起的角動量守恆，飛輪6產生與飛輪的旋轉角動量(慣性X角速度)和進動率的乘積成比例的迴轉橫搖力矩。旋轉速率通常為常數，但是這也可以控制。因此，飛輪的進動率越大，在船舶上產生的迴轉穩定力矩越大。然而，必須限制進動率和進動角以確保不會超過最大機械負荷和其它物理約束，以及避免過量的進動角，進動角過量時，有效的穩定扭矩會減少，而在其它平面中無用的扭矩會變得明顯。可通過陀螺儀致動器8來限制進動。陀螺儀致動器8通常是提供繞進動軸的制動和/或驅動扭矩的液壓、電力或組合系統。 陀螺儀致動器8的行為由船舶減搖裝置控制系統12調節和控制。船舶橫搖運動傳感器14為船舶減搖裝置控制系統12提供橫搖角測量值。通常，陀螺儀進動運動傳感器10為船舶減搖裝置控制系統12提供迴轉穩定器4的進動角測量值。船舶減搖裝置控制系統12處理由傳感器10和14提供的過程控制變量，進而對陀螺儀致動器8產生適當的控制命令。船舶減搖系統可以或不必採用迴轉穩定器，儘管在所示的實施例中減搖系統採用了至少一個迴轉穩定器4。在一些情況下，船舶減搖系統可以採用液壓減搖裝置而不用迴轉穩定器。在這種情況下，通過感測用於感測船舶運動的迴轉傳感器的進動運動可以獲得進動運動傳感器信號。船舶減搖裝置控制系統12包括傳感器錯誤檢測裝置16，該傳感器錯誤檢測裝置感測來自迴轉穩定器進動運動傳感器10和船舶橫搖運動傳感器14的傳感信號的可用性。採用提供過程控制變量的傳感器的錯誤傳感的好處是可用過程控制變量(或傳感器)的感測數量可用於啟動控制模式的分層式系統。每個分層式控制模式設計成利用可用的過程控制變量以確保迴轉穩定器4的安全有效運轉，迴轉穩定器可容忍傳感器錯誤和電源損失。提供控制模式選擇器18以基於可用的過程控制變量的數量來選擇適當的控制模式。如果傳感器錯誤檢測裝置16確定分別來自傳感器10和14的進動和橫搖信號是可用的，那麼控制模式選擇器18會選擇第一控制模式20。控制模式20是三種可選擇的控制模式中最複雜(或頂層)的，要求輸入船舶和迴轉穩定器運動數據以提供來自迴轉穩定器4的高水平的性能。如果傳感器錯誤檢測裝置16確定僅來自進動和橫搖傳感器10和14之一的信號是可用的，那麼控制模式選擇器18會選擇第二控制模式22。控制模式22是三種可選擇的控制模式中的中間層。第二控制模式僅要求船舶和迴轉穩定器運動之一的輸入數據以提供來自迴轉穩定器4的高水平的性能。如果傳感器錯誤檢測裝置16確定來自傳感器10和14的進動和橫搖信號都不可用，那麼控制模式選擇器18會選擇第三控制模式24。第三控制模式24是三種可選擇的控制模式中的最低層，提供進動運動的阻尼的被動控制，而不要求傳感器信號以提供來自迴轉穩定器4的有限水平的性能。通常，傳感器錯誤檢測裝置16、控制模式選擇器18以及各種穩定控制命令產生裝置(包括第一、第二和第三控制模式20、22和24)每個都編碼集成在單一控制器中。圖2顯示了船舶減搖裝置控制系統12的第一控制模式20，其中，所述控制系統接收分別來自傳感器14和10的船舶橫搖運動和迴轉穩定器進動運動信號。所述第一控制模式20通常提供陀螺儀致動器的主動控制，驅動進動，或者主動地抵抗(阻尼)飛輪6的橫搖所致自由進動，以產生期望的進動運動。如果船舶運動傳感器14提供橫搖角信號，迴轉穩定器進動運動傳感器10提供進動角信號，那麼所述控制系統12能夠區分這些角信號，以產生速率和加速度(如果需要)。或者，或為了額外的超靜定性，速率和/或加速度傳感器可包含在船舶運動傳感器14和/或進動運動傳感器10內。由於可對加速度求積分以計算得出速率和角度(雖然具有總體上較低的精度)，通過控制系統計算的導出數，船舶和進動運動
傳感器可提供任何角度、速率或加速度信號。所述第一控制模式包括比例積分微分(PID)控制器、模糊邏輯控制器、神經網絡控制、魯棒控制器、模型預測控制方法、適應控制方法，適應控制方法包括申請人的共同未決的國際申請No PCT/AU2011/XXXX的自動增益控制(AGC)控制器，或這些和/或其它控制方法的結合。由於除了迴轉穩定器4，還可提供其它減搖裝置，比如鰭、舵、T型水翼艇、截擊機、槽型減搖水艙、艉均衡翼板和可移動的壓載，第一控制模式20可對力分配方法做出反應，力分配方法感測其它減搖裝置的行為，並因此調節迴轉穩定器控制以提供減搖裝置的優化系統。所述第一控制模式要求或允許操作者輸入，例如，進動軸控制應當如何積極或保守、應當使用什麼類型的控制算法(特別地，如果不同的算法在不同的海況中是優良的)、主動控制驅動還是僅制動進動軸運動、以什麼等級的動力操作、或者甚至在特定時間預測的海況是什麼樣。第一控制模式20是幾個可替換的第一控制模式之一，每個第一控制模式都要求船舶橫搖和迴轉穩定器進動運動信號。第一控制模式20使用測量的進動軸和船舶橫搖軸數據直接作為過程控制變量，或者包括預測元件，該預測元件提供這些信號的未來狀態的預估量，而後這些信號的未來狀態的預估量用作第一控制模式20中的控制的各種可能方法的輸入。圖3顯示了船舶減搖裝置控制系統12的第二控制模式22，其中，所述控制系統僅接收來自傳感器10的迴轉穩定器進動運動信號。儘管船舶橫搖運動傳感器信號不可用，但該第二控制模式22還提供對迴轉穩定器進動運動的主動控制。或者，所述第二控制模式22使用來自進動運動傳感器10的信號和/或其導出數，以使用具有或不具有適應能力的預測或反作用的控制方法來計算用於陀螺儀致動器8的進動軸驅動或抵抗控制命令。圖3的第二控制模式22可以是諸如使用來自進動運動傳感器10的信號及其導出數的適應控制模式。這樣的適應控制的一個示例是申請人的共同未決的國際申請No PCT/AU2011/XXXX的自動增益控制(AGC)控制器，該國際申請的細節以參考的形式包含在這裡，所述適應控制產生對控制信號以控制陀螺儀致動器8的阻尼，從而提供針對迴轉穩定器的進動控制扭矩。自動增益控制控制器逐漸降低進動阻尼以增加進動軸運動，直到可以感測到進動角或進動率會超過預先確定的界限，在預先確定的界限點，阻尼會增加以防止過進動。在圖3中，沒有呈現船舶運動傳感器信號，只有進動運動傳感器信號可用。相反地，進動運動傳感器信號可以失去作用，只有船舶運動傳感器信號可用(未示出)。在這種情況下，可從船舶運動傳感器信號和/或其導出數預估進動運動以產生預估的進動運動傳感器信號，從而代替失去作用的實際進動運動傳感器信號。該預估的替代信號可用於使根據第一控制模式20的操作運轉。或者，然而，預估的進動運動傳感器信號可代替圖3中呈現的實際測量的進動運動傳感器信號。這使得當進動運動傳感器信號不可用，但船舶運動傳感器信號存在時，可有效地使用許多不同類型的第二控制模式22。多個第二控制模式22可包含在船舶減搖裝置控制系統12中。正如第一控制模式20，可提供操作者輸入或其它輸入以允許調節第二控制模式算法或者甚至替換所選擇的控制方法或算法，以諸如配合海況或改變減搖裝置系統的能源消耗。所述第二控制模式22或第二控制模式22之一還可以控制另外的減搖裝置，比如槽型減搖水艙或可移動的壓載。
圖4顯示了船舶減搖裝置控制系統12的第三控制模式24，其中，船舶運動傳感器和進動軸運動傳感器信號都不可用。因此，第三控制模式24是被動的或手動操作的控制模式。例如，在第三控制模式24中，用於陀螺儀致動器8的控制信號可以是預設定的固定值增益，以提供預定的進動阻尼。這樣的被動控制提供低性能，因為進動軸制動或阻尼的固定等級必須保守地設定以在最大設計海況或操作狀況的期望範圍內限制進動角和/或力在預先確定的範圍內。因此，被動控制模式不會提供在低海況中適當的性能，因為被動控制模式不會直接地使進動扭矩適合或使進動扭矩變化。為了克服該限制，有可能在不限制過進動的風險下，提供阻尼等級的手動調節器以允許迴轉穩定器4提供在低海況中適當的或至少改進的性能。在提供額外的減搖裝置的情況下，第三控制模式24包括鎖定額外的減搖裝置，或優選地使減搖裝置處於默認或無效狀態。圖5是一個可能液壓控制電路的簡化電路圖，提供用於迴轉穩定器4的進動軸制動或阻尼扭矩。在該情況下，陀螺儀致動器8以兩個液壓缸30的形式提供在液壓控制電路中。液壓控制電路設計成液壓缸30泵送流體在箭頭所指的方向上環繞電路。電子控制比例(或伺服)流量控制閥32通常是關閉的(當不通電時)，並且串聯地布置。在正常操作中，液壓油被泵送穿過比例流量控制閥32，比例流量控制閥32限制液壓油流以產生對進動可變的抵抗。在迴轉穩定器4的正常運轉期間，比例控制閥32會通過由控制算法確定的數額而通電打開。通過改變閥門32上的流量設定，阻尼了所述流量。比例流量控制閥32由專門的放大器控制。作為自動防故障的措施，如果將電能從控制系統上移除(或者如果系統處於誤差狀態)，比例控制閥32會關閉，阻止流體通過。同時，電子激活定向流量控制閥(打開/關閉)34會打開，以允許流體油流過手動可調壓力補償的比例流量控制閥36。定向流量控制閥34與手動可調比例流量控制閥36串聯連接，並且二者順列地與電子控制比例流量控制閥32並聯聯接。定向控制閥34通常是打開的(當不通電時)。為了維持閥門34關閉以用於正常的迴轉穩定器運轉，需要使用比如O. 9安培、24直流電壓的供應對電磁鐵線圈通電。手動設定減壓閥38也串聯設置，並且與電子控制比例流量控制閥32並聯，以確保穿過控制閥的壓降不會超過液壓系統的設計壓力。該減壓閥的設定值有效地給施加到進動軸的進動控制扭矩定一個上限。壓力式過濾器40將雜質從電路的液壓液中移除。如果需要，可以提供液壓液熱交換器42和液壓蓄能器44。此外，具有內置過濾的任選的手動液壓液泵系統46可與液壓控制流體貯藏設備48連接，以根據需要允許初始液壓系統填充和系統流體再填充或替換。為了提供液壓系統以驅動進動軸運動，控制歧管可用於從圖5的阻尼液壓控制電路轉換到圖6所示的驅動液壓控制電路。在圖6中，在與諸如船舶操縱和減搖鰭驅動中使用的驅動控制液壓電路類似的驅動控制液壓電路中，液壓缸30交叉連接(在象限儀中往復)。液壓液從液壓液箱56經由吸濾器58流過由電機62驅動的固定或可變流率液壓泵60。液壓液經由壓力過濾器64流入液壓蓄能器66以提供用於控制的一定的高壓流體。比例定向控制閥68將P 口的一定的高壓流體連接到A 口以啟動交叉連接的液壓缸30，從而在一個方向上驅動進動軸，或者將P 口的一定的高壓流體連接到B 口以啟動交叉連接的液壓缸30，從而在相反的方向上驅動進動軸。當比例定向控制閥68的A 口或B 口之一連接到位於每個液壓缸30內的一個室時，每個液壓缸的另一個室連接到T 口以使流體返回到箱56，並允許液壓缸30延伸和收縮。 用於進動阻尼控制的液壓控制電路(例如圖5的液壓控制電路)，以及用於進動驅動控制的液壓控制電路(例如圖6的液壓控制電路)可以都內嵌在單一液壓歧管中。在整個說明書中，當測量進動角或橫搖角時，意味著該信號的導出數可作為過程控制變量使用，因為在控制系統中對於處理器來說，區別角信號是簡單的任務。現在，已經詳細描述了船舶減搖裝置控制系統和方法的優選實施例，明白的是，所描述的實施例提供了許多優於現有技術的優點，包括以下( i )通過提供過程控制變量或傳感器的錯誤感測，以及使用感測的可用的過程控制變量來啟動控制模式的分層式系統，有可能確保船舶減搖裝置安全有效地運轉，該船舶減搖裝置能夠容忍傳感器錯誤和電力損失；(ii)可以依據可用資源和海況，給減搖裝置提供不同等級的控制性能；(iii)通過結合兩個或更多個控制模式，可以獲得改進的容錯。對於相關領域技術人員來說，容易明白的是，除了這些已經描述的實施例，在不脫離本發明的基本發明理念的情況下，可以對前述實施例進行各種修改和改進。因此，本發明的範圍不局限於所描述的特定實施例，而由所附的權利要求確定。
權利要求
1.一種用於使由波浪激振力引起的海船運動穩定的減搖裝置控制方法，所述方法包括以下步驟 檢測進動運動傳感器信號的可用性或不可用性，以及船舶橫搖運動傳感器信號的可用性或不可用性； 當兩種所述傳感器信號都可用時，選擇第一控制模式； 當僅所述傳感器信號之一可用時，選擇第二控制模式； 當兩種所述傳感器信號都不可用時，選擇第三控制模式，由此，在使用中，在環境中最合適的控制模式被選擇，以提供能夠容忍所述進動運動傳感器信號和/或所述船舶橫搖運動傳感器信號不可用的減搖裝置控制。
2.如權利要求I所述的減搖裝置控制方法，其中，所述進動運動傳感器信號通過感測在船舶減搖系統中採用的用於穩定船舶的迴轉穩定器的進動而獲得。
3.如權利要求2所述的減搖裝置控制方法，其中，所述第一控制模式涉及使用兩種傳感器信號和/或兩種傳感器信號的導出數作為過程控制變量，通過驅動進動或主動地對抗飛輪的橫搖所致自由進動以產生期望的進動運動來主動控制迴轉穩定器的進動。
4.如權利要求2所述的減搖裝置控制方法，其中，所述第二控制模式涉及使用所述迴轉穩定器進動運動傳感器信號或所述船舶橫搖運動傳感器信號和/或所述信號的導出數作為過程控制變量，通過驅動進動或主動地阻尼飛輪的橫搖所致自由進動以產生期望的進動運動而主動控制迴轉穩定器的進動。
5.如權利要求2所述的減搖裝置控制方法，其中，所述第二控制模式包括以下步驟 基於所述迴轉穩定器進動運動傳感器信號和/或其計算導出數，使用具有或不具有適應能力的預測的或反應的控制方法來計算適當的進動軸驅動或阻尼控制命令。
6.如權利要求2所述的減搖裝置控制方法，其中，所述第二控制模式包括以下步驟 根據所述船舶橫搖運動傳感器信號預估進動運動；以及 基於預估的進動運動和/或其計算導出數，使用具有或不具有適應能力的預測的或反應的控制方法來計算適當的進動軸驅動或阻尼控制命令。
7.如權利要求2所述的減搖裝置控制方法，其中，所述第二控制模式採用包括以下步驟的自適應控制方法 產生控制信號以增加所述迴轉穩定器飛輪的進動，直到基於從所述迴轉穩定器進動軸運動導出的過程控制變量而可以預估到迴轉穩定器進動軸運動會超過預先確定的界限；以及 施加繞迴轉穩定器進動軸的對控制信號做出響應的進動控制扭矩，由此，在使用中，可以獲得僅基於從迴轉穩定器進動軸運動得到的過程控制變量而對船舶運動的自適應控制。
8.如權利要求2或7所述的減搖裝置控制方法，其中，當所述迴轉穩定器進動運動傳感器信號不可用時，所述船舶橫搖運動傳感器信號和/或其導出數可用於產生與所述迴轉穩定器進動軸運動的預估相對應的預估的進動信號，在所述第二控制模式中，所述預估的進動信號代替所述迴轉穩定器進動運動傳感器信號。
9.如權利要求2所述的減搖裝置控制方法，其中，所述第三控制模式通過將保守的預置等級的制動或阻尼施加到進動軸來提供對迴轉穩定器的進動的被動控制，所述進動軸設計成在操作狀況的期望範圍內，在高達最大設計海況時限制進動角在預先確定的界限內。
10.如權利要求9所述的減搖裝置控制方法，其中，施加到所述進動軸的預置等級的制動或阻尼是手動可調的。
11.如權利要求2所述的減搖裝置控制方法，其中，所述船舶控制減搖系統包括額外的船舶減搖裝置。
12.如權利要求11所述的減搖裝置控制方法，其中，所述第一控制模式包括與迴轉穩定器的控制和/或由力分配系統分配的控制同步地控制額外的減搖裝置的步驟。
13.如權利要求11所述的減搖裝置控制方法，其中，所述第二控制模式包括控制所述額外的減搖裝置的步驟。
14.如權利要求11所述的減搖裝置控制方法，其中，所述第三控制模式包括使所述額外的減搖裝置處於默認或無效狀態的步驟。
15.如權利要求11所述的減搖裝置控制方法，還包括如下步驟感測迴轉穩定器和任何額外的減搖裝置的可用性，以及變更力分配以配合可用性的損失，或變更一個或多個減搖裝置性能的減少。
16.一種用於使由波浪激振力引起的海船運動穩定的減搖裝置控制系統，所述系統包括 錯誤檢測裝置，用於檢測進動運動傳感器信號的可用性或不可用性，以及船舶橫搖運動傳感器信號的可用性或不可用性； 控制模式選擇裝置，用於當兩種傳感器信號都可用時選擇第一控制模式，當僅傳感器信號之一可用時選擇第二控制模式，當兩種傳感器信號都不可用時選擇第三控制模式；以及 減搖控制命令產生裝置，用於根據選擇的控制模式產生減搖控制命令，由此，在使用中，在環境中最適當的控制模式被選擇，以提供容忍進動運動傳感器信號和/或船舶橫搖運動傳感器信號無效的船舶減搖。
17.如權利要求16所述的減搖裝置控制系統，其中，通過感測迴轉穩定器的進動來獲得進動運動傳感器信號，所述迴轉穩定器在船舶減搖系統中用於使船舶穩定。
18.如權利要求17所述的減搖裝置控制系統，其中，在所述第一控制模式中產生的減搖控制命令提供對迴轉穩定器的進動的主動控制，該主動控制使用兩種傳感器信號和/或兩種傳感器信號的導出數作為過程控制變量，驅動進動或主動地抵抗飛輪的橫向所致自由進動以產生期望的進動運動。
19.如權利要求17所述的減搖裝置控制系統，其中，在所述第二控制模式中產生的減搖控制命令提供對迴轉穩定器的進動的主動控制，該主動控制使用迴轉穩定器進動運動傳感器信號或船舶橫搖運動傳感器信號和/或信號的導出數作為過程控制變量，驅動進動或主動地阻尼飛輪的橫搖所致自由進動以產生期望的橫搖運動。
20.如權利要求17所述的減搖裝置控制系統，其中，減搖控制命令產生裝置包括 基於所述迴轉穩定器進動運動傳感器信號和/或其計算導出數、使用具有或不具有適應能力的預測的或反應的控制方法來計算在所述第二控制模式中適當的進動軸驅動或阻尼控制命令的裝置。
21.如權利要求17所述的減搖裝置控制系統，其中，所述減搖控制命令產生裝置包括 用於從第二控制模式中的船舶橫搖運動傳感器信號中預估進動運動的裝置；以及用於基於預估的進動運動和/或其計算的導出數、使用具有或不具有適應能力的預測的或反應的控制方法來計算適當的進動軸驅動或阻尼控制命令的裝置。.20、一種結合任何一個或多個附圖在此所基本描述的及在任何一個或多個附圖中不出的減搖裝置控制方法。. 21、一種結合任何一個或多個附圖在此所基本描述的及在任何一個或多個附圖中示出的減搖裝置控制系統。
全文摘要
一種船舶減搖裝置控制系統(12)，包括檢測來自迴轉穩定器進動運動傳感器(10)和船舶橫搖傳感器(14)的傳感信號的可用性的傳感器錯誤檢測裝置(16)。所述控制系統(12)控制機械聯接到迴轉穩定器(4)的陀螺儀致動器(8)的動作。採用提供過程控制變量的傳感器的錯誤傳感的好處是可用的過程控制變量(或傳感器)的感測數量可用於啟動控制模式的分層式系統。每個分層式控制模式設計成利用可用的過程控制變量以確保迴轉穩定器(4)的安全有效運轉，所述迴轉穩定器可容忍傳感器錯誤和電源損失。提供控制模式選擇器(18)以基於可用的過程控制變量的數量來選擇適當的控制模式。
文檔編號G01C19/02GK102906538SQ201180019577
公開日2013年1月30日 申請日期2011年2月17日 優先權日2010年2月17日
發明者P.D.斯坦曼, T.佩雷斯 申請人:維姆有限責任公司