專利名稱：自適應的回轉(zhuǎn)穩(wěn)定器控制系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種回轉(zhuǎn)穩(wěn)定器控制系統(tǒng)和方法，用于使由產(chǎn)生橫搖運動的波浪和環(huán)境激振力引起的海船運動穩(wěn)定，更具體地說，盡管不是專有的，涉及一種自適應的回轉(zhuǎn)穩(wěn)定器控制系統(tǒng)和方法。
背景技術(shù)：
當回轉(zhuǎn)穩(wěn)定器用于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(chǎn)生對抗橫搖運動的扭矩。這意味著所引起的飛輪進動總處于適當?shù)南辔灰詼p弱橫搖運動(如果所述進動不超過90° )。根據(jù)對由機械布置導致的進動的抵抗，當滾動旋轉(zhuǎn)率(側(cè)傾率)超過一定程度時，所引起的進動扭矩會使飛輪進動多于90° (過進動)。這導致由飛輪產(chǎn)生的對抗橫搖的扭矩不穩(wěn)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，以至于可以在峰值輸入情況期間避免所引起的過進動，那么穩(wěn)定效應在更普遍的情況期間會被嚴格地限制。因此希望提供一種回轉(zhuǎn)穩(wěn)定器控制系統(tǒng)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。已知許多回轉(zhuǎn)穩(wěn)定器控制系統(tǒng)，從由操作桿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于1904年第一次提出，并由White于1907年進行描述，手動的進動軸制動器需要人工干預以避免在波浪環(huán)境中超出小范圍的設(shè)計條件的過進動。此后，美國公司Sperry開發(fā)了一種系統(tǒng)，該系統(tǒng)通過使用小陀螺儀和由開關(guān)轉(zhuǎn)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(tǒng)中，進動率與船舶的側(cè)傾率成比例。盡管這些現(xiàn)有技術(shù)系統(tǒng)的性能在一些波浪環(huán)境中是卓越的，(高達95%的橫搖減少)，但是進動控制系統(tǒng)不適用于可變的波浪環(huán)境，因此簡單化的進動扭矩控制器限制了系統(tǒng)的性能。隨著發(fā)明了更輕和更便宜的減搖鰭，減搖鰭在當海船處于允許鰭產(chǎn)生水動升力的速度時工作良好，人們對回轉(zhuǎn)穩(wěn)定器的興趣才減少?；剞D(zhuǎn)穩(wěn)定器對船舶具有零航速或低航速的應用具有特別的益處，而基于流體力學的系統(tǒng)具有少許效果或沒有效果。一些應用包括巡邏艇、豪華機動游艇、海上浮式生產(chǎn)系統(tǒng)和離岸工作船，但并不局限于這些應用，這些應用在低速或零速期間都具有重要的操作功能。這些應用推動人們對重新有興趣考慮用回轉(zhuǎn)穩(wěn)定器控制由波浪引起的海船橫搖運動。因此，提出了用于回轉(zhuǎn)穩(wěn)定器的更復雜的控制系統(tǒng)，以在寬范圍的操作條件內(nèi)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(tài)變化率和角速率傳感器用于船舶和回轉(zhuǎn)穩(wěn)定器，以產(chǎn)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(當施加到回轉(zhuǎn)穩(wěn)定器和/或其它船舶穩(wěn)定設(shè)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(chǎn)生資源分配向量。通過主動地控制回轉(zhuǎn)穩(wěn)定器飛輪的進動，可以獲得在寬范圍的操作條件內(nèi)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于傳感器誤差、系統(tǒng)電力損耗或其它故障而不適用于控制系統(tǒng)，那么主動控制系統(tǒng)會停止運轉(zhuǎn)。對于主動驅(qū)動的回轉(zhuǎn)穩(wěn)定器，這會導致回轉(zhuǎn)穩(wěn)定器的穩(wěn)定作用的直接喪失，這在拿船舶的安全和/或舒適運轉(zhuǎn)冒險。隨著提供了數(shù)量增加的傳感器，從而允許使用對變化的海況和船舶運動響應更加迅速的更復雜的回轉(zhuǎn)穩(wěn)定器控制算法，一個或多個傳感器發(fā)生故障的風險會增加。本發(fā)明以提供一種回轉(zhuǎn)穩(wěn)定器控制系統(tǒng)和方法為目的而開發(fā)，該回轉(zhuǎn)穩(wěn)定器控制系統(tǒng)和方法對不同和變化的海況以及船舶運動做出響應，以在寬范圍的操作狀況內(nèi)減弱船舶橫搖運動，并且使用于將過程控制變量導出的傳感器的數(shù)量減少到最少。本說明書提及現(xiàn)有技術(shù)是僅出于解釋性目的，在本說明中對現(xiàn)有技術(shù)的提及不應看作承認這些現(xiàn)有技術(shù)在澳大利亞或其它地區(qū)是公知知識的一部分
發(fā)明內(nèi)容
根據(jù)本發(fā)明的第一方面，提供了一種回轉(zhuǎn)穩(wěn)定器控制系統(tǒng)，用于使由產(chǎn)生橫搖運動的激振力引起的海船運動穩(wěn)定，所述控制系統(tǒng)包括第一感測裝置，用于感測所述回轉(zhuǎn)穩(wěn)定器的飛輪的進動；控制裝置，用于產(chǎn)生控制信號，以使所述回轉(zhuǎn)穩(wěn)定器飛輪的進動范圍達到最大，直到基于所感測的進動而可以估計到進動會超過預定的界限；以及致動器，對控制信號做出響應以將進動控制扭矩施加到回轉(zhuǎn)穩(wěn)定器飛輪，由此，在使用中，可以獲得僅基于回轉(zhuǎn)穩(wěn)定器飛輪的進動而對船舶運動的主動控制。優(yōu)選地，致動器僅將制動進動控制扭矩施加到回轉(zhuǎn)穩(wěn)定器飛輪，結(jié)果這消除了給致動器供應外部動力以運行所述系統(tǒng)的要求，這是有利的。因此，進動控制扭矩可以是抵抗性控制扭矩，從而致動器不給飛輪提供繞進動軸的動力。或者，對控制信號做出響應以將進動控制扭矩施加到回轉(zhuǎn)穩(wěn)定器飛輪的致動器提供作用為僅反抗飛輪的被引起的進動運動的進動軸阻尼控制信號?；蛘呋虼送?，控制信號可以是飛輪進動軸抵抗性增益，所述增益逐漸減少以允許飛輪在不超過預定的最大進動角范圍的情況下盡可能多地擴大被引起的進動?；蛘?，可以施加驅(qū)動的進動控制扭矩。通常，所述控制裝置采用自動增益控制器(AGC)。自動增益控制器可以與進動率限制控制器和/或進動角限制控制器串聯(lián)(或并聯(lián))工作。優(yōu)選地，自動增益控制具有進動制動增益系數(shù)，進動制動增益系數(shù)(連續(xù)的或逐漸的)斜降以使回轉(zhuǎn)穩(wěn)定器飛輪在預定的進動角范圍內(nèi)盡可能多地擴大進動。優(yōu)選地，當可以估計到導出的過程控制變量(基于進動角和/或其導數(shù)(derivatives))會超出預定的界限時，自動增益控制以一定數(shù)量或與估計的過沖量成比例的數(shù)量逐步增加增益，以給回轉(zhuǎn)穩(wěn)定器飛輪進動軸提供增加的制動進動控制扭矩，旨在防止超出限定的進動角界限。控制系統(tǒng)可運行所述導出的過程控制變量的預測模型，以允許自動增益控制增益基于估計的導出過程變量的未來狀態(tài)而變化。進動角限制控制功能可與自動增益控制串聯(lián)或并聯(lián)運行以防止進動角超出預定的界限。或者或此外，進動率限制控制功能可與自動增益控制串聯(lián)或并聯(lián)運行以防止進動率超出預定的界限。優(yōu)選地，在自動增益控制使增益增加后，會再次逐漸斜降增益以允許回轉(zhuǎn)穩(wěn)定器飛輪再次盡可能多地擴大進動角。第一感測裝置可以感測進動角?？刂蒲b置可以估計進動率和/或加速度作為額外的過程控制變量?；蛘呋虼送?，控制系統(tǒng)還包括用于感測作為額外的過程控制變量的進動率的裝置。如果提供用于感測進動率的裝置，那么在第一感測裝置發(fā)生故障的情況下，控制裝置可以使用感測的進動率以估計進動角，估計的進動角代替感測的進動角。根據(jù)本發(fā)明的第二方面，提供了一種回轉(zhuǎn)穩(wěn)定器控制方法，用于使由產(chǎn)生橫搖運動的激振力引起的海船運動穩(wěn)定，所述控制方法包括感測回轉(zhuǎn)穩(wěn)定器的飛輪的進動；產(chǎn)生控制信號以增加回轉(zhuǎn)穩(wěn)定器飛輪的進動，直到基于感測的進動可以估計到進動會超過預定的界限；以及
響應于控制信號而將進動控制扭矩施加到回轉(zhuǎn)穩(wěn)定器飛輪，由此，在使用中，可以 獲得僅基于回轉(zhuǎn)穩(wěn)定器飛輪的進動而對船舶運動的自適應控制。施加進動控制扭矩的步驟包括提供進動軸制動扭矩。在該情況下,相對于進動軸沒有供應任何動力。產(chǎn)生控制信號的步驟可采用自動增益控制(AGC)，自動增益控制以增益系數(shù)操作，所述增益系數(shù)逐漸減小以允許飛輪在預定的進動角范圍內(nèi)盡可能多擴大被引起的進動。自動增益控制包括該步驟增加所述(阻尼)增益系數(shù)，當導出的過程變量(可以是進動角和/或進動率的函數(shù))超出預定的界限時，繼續(xù)使增益斜降直到過程變量再次超出界限。所述控制方法包括運行導出的過程變量的預測模型以允許自動增益控制增益系數(shù)基于估計的導出過程變量的未來狀態(tài)而變化的步驟。所述控制方法包括與減小或增加自動增益控制增益系數(shù)的步驟串聯(lián)(或并聯(lián)或其它任何形式)以防止進動角超出預定的界限的用于限制進動角步驟。此外或或者，所述控制方法包括與減小或增加自動增益控制增益系數(shù)的步驟串聯(lián)(或并聯(lián)或其它任何形式)以防止進動率超出預定的界限的用于限制進動率的步驟。例如，當進動角或進動率(或進動角和/或進動率的函數(shù))超出預定的界限時，高增益信號可添加(串聯(lián)或并聯(lián)或其它任何形式)到自動增益控制增益系數(shù)以防止進動角和/或進動率超出預定的界限。這是為了避免回轉(zhuǎn)穩(wěn)定器機構(gòu)過進動或產(chǎn)生過量力，以及允許使用自動增益控制控制器，自動增益控制控制器本身對大隨機事件響應不是足夠快。當限制進動角時，僅當進動角接近預定的界限時才會添加高增益信號，防止由高增益命令信號導致的高阻尼抵抗進動角返回優(yōu)選的范圍。根據(jù)本發(fā)明的第三方面，提供了液壓回路用于控制回轉(zhuǎn)穩(wěn)定器的進動軸，所述液壓回路包括至少一個液壓缸，相對于所述回轉(zhuǎn)穩(wěn)定器的進動軸連接，關(guān)于所述回轉(zhuǎn)穩(wěn)定器的進動運動偏斜，阻尼壓力部分；流量控制部分；以及流體供應部分，其中，所述至少一個液壓缸通過所述液壓回路的阻尼壓力部分連接到所述液壓回路的流量控制部分，使得流體在單一方向上從所述液壓缸流到所述流量控制部分，所述液壓回路的流量控制部分通過所述液壓回路的流體供應部分連接到所述液壓缸，使得流體在單一方向上從所述流量控制部分流到所述液壓缸。有利地，這提供了一種回路，其中，所述進動軸的振蕩運動使所述液壓缸起單一流向液壓泵的作用。所述流量控制部分包括一批控制閥。所述一批控制閥包括至少兩個并列的流路。所述一批控制閥，或者至少所述流路之一包括比例控制閥。通過所述回路的流量控制部分的流量可以根據(jù)來自回轉(zhuǎn)穩(wěn)定器控制系統(tǒng)的控制增益信號而變化。所述比例控制閥可以是電子控制的(B卩，對控制增益信號做出響應)。通常關(guān)閉類型的流量控制閥可與所述比例控制閥串聯(lián)設(shè)置。在正常操作期間，對所述通常關(guān)閉類型的流量控制閥發(fā)信號以使其保持打開，所述通常關(guān)閉類型的流量控制閥包括位于所述流量回路中的電子控制比例流率控制閥，但是所述通常關(guān)閉類型的流量控制閥在動力損失或感測的控制系統(tǒng)誤差的情況下關(guān)閉。 所述一批控制閥、或者至少所述流路之一包括固定的或手動可調(diào)的流率控制閥，以允許限定默認的流量阻尼水平。通常打開類型的流量控制閥可與所述固定的或手動可調(diào)的流率控制閥串聯(lián)布置。在正常操作期間，對所述通常打開的閥發(fā)信號以使其保持關(guān)閉，使得所述固定的或手動可調(diào)的流率控制閥與所述回路隔離。在動力損失或感測控制誤差的情況下，所述通常打開的閥會打開，并將所述固定或手動可調(diào)的閥引入所述流量回路。所述流路之一可提供減壓閥，在穿過所述固定的或手動可調(diào)的閥或所述電子控制閥而產(chǎn)生的壓降超過預定的安全水平的情況下，所述減壓閥為所述液壓回路提供過壓力保護。在檢測到傳感器錯誤、或者失去控制系統(tǒng)的動力的情況下，該液壓回路使容錯回落到固定的或手動可調(diào)的阻尼水平。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?qū)嶓w組，但并不排除任何其它實體或?qū)嶓w組。類似地，詞“優(yōu)選地”或其變體應理解為所提到的實體或?qū)嶓w組是理想的，但對本發(fā)明的運作方式來說并非必需的。


下面將參考附圖詳細說明船舶穩(wěn)定器控制系統(tǒng)和方法的僅作為示例的優(yōu)選實施例，由此,本發(fā)明的特性會更加清楚明白，附圖中圖I示出回轉(zhuǎn)穩(wěn)定器控制系統(tǒng)的大致構(gòu)造的原理圖；圖2是本發(fā)明的回轉(zhuǎn)穩(wěn)定器的優(yōu)選實施例的俯視圖；圖3是圖2的回轉(zhuǎn)穩(wěn)定器的頂部后透視圖；圖4是除了回轉(zhuǎn)穩(wěn)定器的一些部件為了清楚起見而顯示為分解圖外，與圖3類似的視圖；圖5 (a)、(b)和(C)是圖2的回轉(zhuǎn)穩(wěn)定器的頂部前透視圖，分別以三種不同進動角，即+70°、0°、-70°顯示了陀螺儀；圖6是用于圖2的回轉(zhuǎn)穩(wěn)定器的液壓控制回路的簡化回路圖；圖7示出用于本發(fā)明回轉(zhuǎn)穩(wěn)定器的控制系統(tǒng)的優(yōu)選實施例的控制方塊圖，該控制系統(tǒng)基于僅使用所測量的進動角及其計算出的導數(shù)作為過程控制變量的自適應控制；圖8示出在仿真情境期間用于圖7的自適應控制系統(tǒng)的自適應增益進化；
圖9示出結(jié)合安全和狀況監(jiān)測系統(tǒng)的圖7的控制系統(tǒng)，安全和狀況監(jiān)測系統(tǒng)僅監(jiān)測和限制進動角、進動率或者進動角和進動率；圖10示出使用沒有進動角和進動率限制控制器的自動增益控制而得到的三種可能誤差情況類型；圖11示出圖9的控制系統(tǒng)，其中，安全和狀況監(jiān)測系統(tǒng)有效地起進動角限幅器的作用；圖12示出圖9的控制系統(tǒng)，其中，安全和狀況監(jiān)測系統(tǒng)有效地起進動角限幅器和進動率限幅器的作用；圖13是示意性地描述自動增益控制適應的進動控制器的第一示例的方框圖；以及
圖14是示意性地描述自動增益控制適應的進動控制器的第二示例的方框圖。
具體實施例方式在整個說明書中，術(shù)語“船舶”指的是海上飄浮裝置，通常為小船、游艇、駁船、海船或潛水艇，海上飄浮裝置經(jīng)受由產(chǎn)生橫搖運動的環(huán)境激振力引起的振蕩運動。術(shù)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衰減的振蕩運動。圖I以簡化的形式示出回轉(zhuǎn)穩(wěn)定器控制系統(tǒng)的典型構(gòu)造，該回轉(zhuǎn)穩(wěn)定器控制系統(tǒng)利用船舶運動和進動軸測量值作為過程控制變量。船舶2的運動傳送到回轉(zhuǎn)穩(wěn)定器10的飛輪12，飛輪12的進動行為產(chǎn)生能夠抵消由波浪引起的力矩的回轉(zhuǎn)穩(wěn)定力矩。回轉(zhuǎn)的飛輪具有兩個自由度旋轉(zhuǎn)和進動。通過角動量守恒，由于旋轉(zhuǎn)和船體的位置，飛輪12產(chǎn)生與飛輪的旋轉(zhuǎn)角動量(慣量X角速度)和進動率的乘積成比例的回轉(zhuǎn)橫搖力矩。旋轉(zhuǎn)速率通常為常數(shù)，但是這也可以控制。因此，飛輪的進動率越大，在船舶上產(chǎn)生的回轉(zhuǎn)穩(wěn)定力矩越大。然而，必須限制進動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(wěn)定扭矩會減少，而在其它平面中無用的扭矩會變得明顯?？赏ㄟ^陀螺儀致動器22來限制進動。陀螺儀致動器22通常是提供繞進動軸的扭矩的液壓、機械、電力或組合系統(tǒng)。通過監(jiān)測和控制系統(tǒng)6可調(diào)節(jié)陀螺儀致動器22的行為。船舶運動傳感器4為監(jiān)測和控制系統(tǒng)6提供橫搖角或側(cè)傾率測量值。陀螺儀運動傳感器8為監(jiān)測和控制系統(tǒng)6提供進動角測量值。監(jiān)測和控制系統(tǒng)6處理測量信息，進而對陀螺儀致動器22產(chǎn)生適當?shù)目刂泼钜韵拗七M動率，同時使橫搖衰減最大。圖I至圖4示出本發(fā)明的回轉(zhuǎn)穩(wěn)定器10的優(yōu)選的實施例。回轉(zhuǎn)穩(wěn)定器10包括具有垂直旋轉(zhuǎn)軸的飛輪12 (密封進罩體中)。旋轉(zhuǎn)軸由位于飛輪上方和下方的旋轉(zhuǎn)軸承14保持。飛輪12及其旋轉(zhuǎn)軸承14安裝在結(jié)構(gòu)飛輪框16中，結(jié)構(gòu)飛輪框16自身安裝在一組萬向接頭軸承18上，萬向接頭軸承18提供單一軸旋轉(zhuǎn)自由度(進動軸)?；剞D(zhuǎn)穩(wěn)定器10安裝在船舶上，使得飛輪旋轉(zhuǎn)軸在O進動角時垂直，對準進動軸使其位于包含待減弱的橫搖運動的平面內(nèi)(在船上橫向地)，或者使得飛輪旋轉(zhuǎn)軸在O進動角時水平，對準進動軸使其位于包含待減弱的橫搖運動的平面內(nèi)(當橫搖運動正被回轉(zhuǎn)穩(wěn)定器10減弱時，船上的垂直面)。通過說明書中描述的方法可以控制這些布置。飛輪12的旋轉(zhuǎn)速度由電動馬達控制器控制。由于回轉(zhuǎn)穩(wěn)定器10的回轉(zhuǎn)動力，船舶橫搖運動使得飛輪框16“進動”。所引起的進動運動與船舶橫搖運動同相。當框16進動時，旋轉(zhuǎn)的飛輪12產(chǎn)生扭矩，該扭矩與包含進動軸和旋轉(zhuǎn)軸的平面垂直。這被稱為“回轉(zhuǎn)扭矩”。如上所述，回轉(zhuǎn)扭矩與飛輪極慣性矩、旋轉(zhuǎn)速度和進動率的乘積成比例。因此得出結(jié)論，對于由船舶橫搖時期限定的運動的特定時期，進動的增加的角范圍產(chǎn)生增加的最大進動率以及最大回轉(zhuǎn)扭矩。當進動旋轉(zhuǎn)通過零進動角時，回轉(zhuǎn)扭矩在相反的意義上完全作用到船舶的橫搖運動?；剞D(zhuǎn)扭矩會發(fā)生作用以減少橫搖運動。然而，當框16遠離零進動角進動時，回轉(zhuǎn)扭矩具有作用在橫搖運動的平面內(nèi)、也作用在垂直平面內(nèi)的部件(航向平面，用于垂直軸飛輪，垂直軸飛輪構(gòu)造用于橫搖運動，以及縱向平面，用于水平軸飛輪，水平軸飛輪構(gòu)造用于橫搖運動)。如果不控制或不很好地控制進動運動，在一些情況中，作用在船搖軸上的部件無益于減少橫搖運動，而對船舶的方向控制可能具有消極影響，或者導致不期望的縱向擺動。在一些情況中，進動振蕩的范圍會超過+/-90°。當進動角到達90°時，由進動的飛輪12產(chǎn)生的扭矩全部作用在船搖軸上，因此，沒有對抗作用在船舶上的波浪和所引起的橫搖扭矩。所以可以看出，在與橫搖運動相反的意義上獲得最大扭矩以及限制進動角范圍 以確保回轉(zhuǎn)扭矩的重要部件發(fā)生作用以對抗船舶橫搖運動之間存在折衷。用于回轉(zhuǎn)穩(wěn)定器10的控制系統(tǒng)的關(guān)鍵任務之一是應用進動軸控制扭矩以將進動運動角范圍限制在預定界限內(nèi)，以及確保進動率不超過預定數(shù)值。用于感測飛輪12的進動的陀螺儀運動傳感器8設(shè)置成感應角位置傳感器20的形式。磁換能器安裝在進動轉(zhuǎn)軸端部，傳感器20軸向地安裝在所述進動轉(zhuǎn)軸的端部。提供陀螺儀致動器22用于相對于進動軸將扭矩施加到飛輪框16。在該實施例中，陀螺儀致動器22是液壓系統(tǒng)，包括一對液壓缸24，所述液壓缸連接在安裝于進動轉(zhuǎn)軸上的象限儀和用于回轉(zhuǎn)穩(wěn)定器10的基礎(chǔ)支撐件之間。兩個液壓缸24裝有閥門，使得當所述框16繞進動軸振蕩時，所述一對液壓缸24充當液壓泵，泵送液壓液環(huán)繞液壓控制回路。通過控制流量控制閥的約束因素，進動軸上負荷的需要泵送流體流過閥門的扭矩會變化。提供了液壓控制歧管26用于控制液壓液流，該液壓控制歧管包括兩個電力控制閥門。通過改變流量控制設(shè)定，可以改變進動軸阻尼。圖6是用于回轉(zhuǎn)穩(wěn)定器的液壓控制回路的簡化回路圖。液壓控制回路設(shè)計成液壓缸24泵送流體在箭頭所指的方向上環(huán)繞回路。電子控制比例(或伺服)流量控制閥28通常是關(guān)閉的(當不通電時)，并且串聯(lián)地布置。在正常操作中，液壓油被泵送穿過比例流量控制閥28，比例流量控制閥28限制液壓油流以產(chǎn)生對進動可變的抵抗。在回轉(zhuǎn)穩(wěn)定器10的正常操作期間，比例控制閥28通過由控制器確定的數(shù)額而通電打開。通過改變閥門28上的流量設(shè)定，限制了所述流量，并抑制了飛輪的進動。比例流量控制閥28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(tǒng)上移除(或者如果系統(tǒng)處于誤差狀態(tài))，比例控制閥28會關(guān)閉，阻止流體通過。同時，電子激活定向流量控制閥(打開/關(guān)閉)30會打開，以允許油流過手動可調(diào)壓力補償?shù)谋壤髁靠刂崎y32。定向流量控制閥30與手動可調(diào)比例流量控制閥32串聯(lián)連接，并且二者順列地與電子控制比例流量控制閥28并聯(lián)連接。定向控制閥30通常是打開的(當不通電時)。為了維持閥門30關(guān)閉以用于正常的回轉(zhuǎn)穩(wěn)定器運轉(zhuǎn)，需要對電磁鐵線圈通電。
手動設(shè)定減壓閥34也串聯(lián)地設(shè)置，并且與電子控制比例流量控制閥28并聯(lián)，以確保通過控制閥的壓降不會超過液壓系統(tǒng)的設(shè)計壓力。該減壓閥的設(shè)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36將雜質(zhì)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38和液壓蓄能器40。此外，具有內(nèi)置過濾的任選的手動液壓液泵系統(tǒng)42可與液壓控制流體貯藏設(shè)備44連接，以根據(jù)需要允許初始液壓系統(tǒng)填充和系統(tǒng)流體再填充或替換。在此實施例中，對進動軸制動扭矩的控制在微型可編程邏輯控制器(或類似物)處理器模塊內(nèi)完成。電力超正析象管由連接到控制器處理器模塊的超正析象管模塊操縱。比例液壓流量流控制閥優(yōu)選地由超正析象管模塊驅(qū)動，包含平穩(wěn)進動控制算法(Halcyonprecession control algorithms),該平穩(wěn)進動控制算法優(yōu)選地使用橫搖角和/或進動角作為反饋。參見圖I至圖9，示出本發(fā)明的回轉(zhuǎn)穩(wěn)定器控制系統(tǒng)和方法的第一實施例。在一些情形中，船舶橫搖信息不能用于控制系統(tǒng)。圖7是自適應控制系統(tǒng)的示意圖，其中，僅使 用陀螺儀進動信息作為反饋來維持回轉(zhuǎn)穩(wěn)定器控制。通過僅利用飛輪進動角及其計算導數(shù)作為測量的過程控制變量，控制系統(tǒng)不需要描述環(huán)境條件的信息。這限制了故障點的數(shù)目，簡化以及減少了產(chǎn)品成本，同時維持了卓越的運動減弱性能。根據(jù)對由機械布置導致的進動的抵抗，當滾動旋轉(zhuǎn)率(側(cè)傾率)超過一定程度時，所引起的進動扭矩會使飛輪進動多于90° (過進動)。這導致由飛輪產(chǎn)生的對抗橫搖的扭矩不穩(wěn)定，因為對抗橫搖的扭矩會暫時為零。本發(fā)明優(yōu)選的控制系統(tǒng)和方法通過僅施加合適的進動軸抵抗性扭矩來控制飛輪進動。這是重要的，因為不需要為控制進動軸旋轉(zhuǎn)的致動器提供動力。這減少了需要供應給回轉(zhuǎn)穩(wěn)定器的動力，從而使回轉(zhuǎn)穩(wěn)定器更高效。圖7的控制系統(tǒng)采用自動增益控制(AGC)進動控制器60。自動增益控制采取具有固定周期(通常為乘以因子降低以提供一些保守性的船舶橫搖運動的自然周期)的正弦運動輸入，以能夠估計最大進動率。這意味著自動增益控制擅長估計中期增益，而不擅長使用中的運動不是純粹的諧振動而實際為在周期的窄帶內(nèi)的隨機運動的周期循環(huán)。例如，當船舶改變船首、速度或當波浪高度和/或周期改變時，橫搖運動變化，導致隨機進動運動。為了適應或反作用于使用中呈現(xiàn)的隨機進動運動，當自動增益控制進動控制器60產(chǎn)生與進動率成比例的進動扭矩控制增益時，進動角和/或進動率用于使此增益適應波浪到波浪原理(wave to wave basis)。在初始狀態(tài)，圖7的系統(tǒng)以預定的增益系數(shù)開始，預定的增益系數(shù)設(shè)定成高水平以防止回轉(zhuǎn)穩(wěn)定器超過最大進動角。然而，在使用中，圖7的系統(tǒng)以總會逐漸減小(或者斜降)的增益系數(shù)運轉(zhuǎn)，以使陀螺儀飛輪12盡可能多地擴大進動，也就是進動越大，橫搖穩(wěn)定力矩越大。該連續(xù)的增益變化提供了對海況和航行條件的變化的適應性。該系統(tǒng)有效地預測達到最大進動的可能性。如果此情況由自動增益控制進動控制器60檢測，那么增益會快速增加以提供制動進動扭矩。一旦此情況終止，本系統(tǒng)會再次試圖使增益逐漸減小。這導致圖8中所示的鋸齒狀特性。對可能的最大允許進動角(通常為60°至70° )的檢測通過監(jiān)測進動率及將其與閾值比較而完成。既然進動率導引進動角，這獲得了用于可能進動約束違例情況的預報機構(gòu)。如果達到及超過閾值，那么控制系統(tǒng)的增益與超過閾值的程度成比例增長。然而，如果自動增益控制進動控制器60中的進動率閾值設(shè)定為保守的低水平以避免進動角超過最大允許進動角(例如，以防止回轉(zhuǎn)穩(wěn)定器機構(gòu)到達圖6中的缸24的行程的末端)，那么使用期間的實際進動角受到極大的限制，限制由回轉(zhuǎn)穩(wěn)定器提供的運動減弱的總量。此外，需要注意的是，在圖7所示的回轉(zhuǎn)穩(wěn)定器控制系統(tǒng)的實施例中，自動增益控制控制器僅預測使用進動反饋信息的情況發(fā)生的可能性?？刂破鞯男阅懿豢紤]回轉(zhuǎn)穩(wěn)定器10修正船舶2的行為。即不考慮系統(tǒng)的反饋結(jié)構(gòu)的影響。忽略這些效果可增加兩種類型的誤差的可能性假警報和丟失檢測。為了 允許自動增益控制控制器60中的進動率閾值設(shè)定成更寬松、更高水平以在可能的地方給予更多運動減弱，以及 監(jiān)測誤差，比如假警報和/或丟失檢測，如圖9所示，提供了安全和狀況監(jiān)測系統(tǒng)62。所述安全和狀況監(jiān)測系統(tǒng)僅監(jiān)測和限制進動角、進動率或進動角和進動率。圖10顯示了三種類型的情況，該三種類型的情況都超過至少進動率或進動角閾值，包括假警報誤差和丟失檢測誤差。在情況類型I中，進動率和進動角都超過了它們各自的閾值。在情況類型2中，在假警報的情況下，進動率超過閾值，但進動角未超過閾值，因此如果安全和狀況監(jiān)測系統(tǒng)62僅監(jiān)測進動率，那么增益會不必要地增加。這會相對于橫搖減少暫時降低系統(tǒng)的性能。然而，仍可希望監(jiān)測和限制進動率以限制峰值扭矩以及避免回轉(zhuǎn)穩(wěn)定器機構(gòu)過負荷。然而情況類型3中，丟失檢測誤差(進動率未超過閾值，而進動角超過閾值)可導致陀螺儀飛輪達到進動行程界限。因此，安全和狀況監(jiān)測系統(tǒng)62應該至少監(jiān)測進動角，如圖11所示，以檢測該狀況以及增加控制命令增益以將制動器施加到陀螺儀進動。在該布置的情況下，所述安全和狀況監(jiān)測系統(tǒng)有效地充當進動角限幅器62。優(yōu)選地，如圖12所示，所述安全和狀況監(jiān)測系統(tǒng)62監(jiān)測進動角和進動率，因此有效地充當進動角限幅器62a和進動率限幅器62bο進動角和進動率限制控制功能方框捕獲這些誤差，與自動增益控制控制功能方框相結(jié)合而產(chǎn)生強大的自適應控制器。所述安全和狀況監(jiān)測系統(tǒng)62僅在進動角以高速接近最大(70° )時作用于陀螺儀致動器22，自動增益控制進動控制器60沒有使致動器命令增加到必要的程度(丟失檢測誤差)。所述安全和條件監(jiān)測能夠與自動增益控制集成或串聯(lián)操作或如所示并聯(lián)操作(至少有效)，既然當需要時，安全和條件監(jiān)測通常會生產(chǎn)高增益信號，當該高增益信號與來自自動增益控制的命令增益相加(例如通過總計方框64)時，會生產(chǎn)能夠發(fā)出進動控制扭矩增加的信號的高增益。傳感器和過濾器64僅提供進動角的測量值。這些測量值被過濾以減少噪聲，同時估計需要的信號的導數(shù)和積分。當回轉(zhuǎn)穩(wěn)定器(僅)由進動軸的制動來控制時，可將進動運動僅作為輸入來獲得在這里所討論的自適應控制。然而，如果進動軸被驅(qū)動，通常有必要測量船舶運動特性，比如橫搖角和/或側(cè)傾率。圖13顯示了表示自動增益控制自適應進動控制器(圖11和圖12中的項目60)的第一示例的方框示意圖。當進動率小于進動率閾值時，進動角過沖量會是負值。在此情況下，積分器以負反饋環(huán)圈連接，增益會成指數(shù)衰減。然而，如果進動率超過閾值，積分器以正反饋環(huán)圈連接，同時進動率過調(diào)節(jié)。這通過將過沖量的量值作為系數(shù)使用以計算出積分器的輸入來獲得。正反饋確保阻尼增益(B)十分快速的增長，阻尼增益(B)減緩陀螺儀的進動，并防止陀螺儀到達進動角界限。理論上，當進動角接近界限時，控制器僅使用用于高(阻尼)增益的正反饋，當進動角從該界限縮減時，回復為降低的或較低的(阻尼)增益。圖14顯示了自動增益控制自適應進動控制器60的第二示例的類似的方框圖，該自動增益控制自適應進動控制器使用作為進動角和/或進動率的函數(shù)的導出過程變量代替進動率，使用過程變量閾值代替進動率閾值。 在該情況下，當導出過程變量超過預定的過程變量閾值時，自動增益控制增加了增益系數(shù)?？蛇x擇地，控制系統(tǒng)運行導出過程變量的預定模塊以允許自動增益控制增益系數(shù)基于估計的導出過程變量的未來狀態(tài)而變化。可選擇地，圖7的控制系統(tǒng)還可供應有涉及橫搖角的信息，以提供用于進動傳感器故障調(diào)節(jié)的機構(gòu)。在正常操作中，只使用由傳感器64提供的進動角以及估算的進動率。如果該傳感器發(fā)生故障，可使用通過觀測器觀測的涉及橫搖角和側(cè)傾率的信息，以模擬和估算進動運動，估算的數(shù)值可用于自動增益控制進動控制器60。在這種情況下，橫搖傳感器僅用于再現(xiàn)進動信息，而不用于為預測建立數(shù)學模型。然而，優(yōu)選地，提供僅通過傳感器冗余，即通過提供的多個進動傳感器的傳感器容錯。現(xiàn)在已經(jīng)詳細描述了回轉(zhuǎn)穩(wěn)定器控制系統(tǒng)和方法的優(yōu)選實施例，需要明白的是，所描述的實施例提供了超過現(xiàn)有技術(shù)的許多優(yōu)點，包括( i )自適應控制模塊僅基于進動角信號提供良好的進動軸控制，而不需要船舶運動傳感器。這從系統(tǒng)中移除了一個故障點，簡化了系統(tǒng)，降低了成本。(ii)使與船舶橫搖運動同相的進動角最大化，而不超過進動角或進動率界限的控制方案確保在不引入與未穩(wěn)定的橫搖運動異相的干擾扭矩的情況下，產(chǎn)生最大陀螺扭矩。這確保當環(huán)境條件改變時(波浪、風遭遇角等)，以及當船舶負荷構(gòu)造和速度改變時，回轉(zhuǎn)穩(wěn)定器控制系統(tǒng)適應和提供最大可能的運動減弱扭矩，同時避免不希望的效果，比如異相加速度、進動角接近90度時不連續(xù)以及控制系統(tǒng)不穩(wěn)定。(iii)使與船舶橫搖運動同相的進動角最大化，而不超過進動角或進動率界限的控制方案可在沒有復雜的數(shù)值預測的情況下獲得，提供能夠在低成本數(shù)值處理器的寬范圍內(nèi)實施的耐用和高性能解決方案。對相關(guān)領(lǐng)域技術(shù)人員來說，應當明白在不脫離本發(fā)明的基本發(fā)明理念的情況下，可以對前述實施例以及已經(jīng)描述的實施例進行各種修改和改進。
權(quán)利要求
1.一種用于使由波浪行為引起的浮船運動穩(wěn)定的回轉(zhuǎn)穩(wěn)定器控制系統(tǒng)，所述控制系統(tǒng)包括 第一感測裝置，用于感測所述回轉(zhuǎn)穩(wěn)定器的飛輪的進動； 控制裝置，用于產(chǎn)生控制信號以增加所述回轉(zhuǎn)穩(wěn)定器的飛輪的進動，直到基于感測的進動而估計到所述進動會超過預定的界限；以及 致動器，對所述控制信號做出響應以將進動控制扭矩施加到所述回轉(zhuǎn)穩(wěn)定器的飛輪，由此，在使用中，可以獲得僅基于所述回轉(zhuǎn)穩(wěn)定器的飛輪的進動而對船舶運動的自適應控制。
2.如權(quán)利要求I所述的回轉(zhuǎn)穩(wěn)定器控制系統(tǒng)，其中，所述進動控制扭矩是抵抗性控制扭矩，使得所述致動器不給所述飛輪提供繞進動軸的動力。
3.如權(quán)利要求I所述的回轉(zhuǎn)穩(wěn)定器控制系統(tǒng)，其中，對所述控制信號做出響應以將進動控制扭矩施加到所述回轉(zhuǎn)穩(wěn)定器的飛輪的所述致動器提供作用為僅抵抗所述飛輪的所引起進動運動的進動軸阻尼控制信號。
4.如權(quán)利要求I至3任一所述的回轉(zhuǎn)穩(wěn)定器控制系統(tǒng)，其中，所述控制信號是飛輪進動軸抵抗性增益，所述增益逐漸減少，以允許所述飛輪在不超過預定的最大進動角范圍的情況下盡可能多地擴大被引起的進動，。
5.如權(quán)利要求I所述的回轉(zhuǎn)穩(wěn)定器控制系統(tǒng)，其中，所述控制裝置采用自動增益控制器(AGC)。
6.如權(quán)利要求5所述的回轉(zhuǎn)穩(wěn)定器控制系統(tǒng)，其中，所述自動增益控制器具有進動制動增益系數(shù)，所述進動制動增益系數(shù)斜降以使所述回轉(zhuǎn)穩(wěn)定器的飛輪在預定的進動角范圍內(nèi)盡可能多地擴大進動。
7.如權(quán)利要求6所述的回轉(zhuǎn)穩(wěn)定器控制系統(tǒng)，其中，當估計到導出過程控制變量(基于所述進動角和/或其導數(shù))會超過預定的界限時，所述自動增益控制器以一定數(shù)量或與估計過沖量成比例的數(shù)量逐步增加所述進動制動增益系數(shù)，以給所述回轉(zhuǎn)穩(wěn)定器的飛輪的進動軸提供增加的制動進動控制扭矩，旨在防止超出預定的進動角界限。
8.如權(quán)利要求7所述的回轉(zhuǎn)穩(wěn)定器控制系統(tǒng)，其中，所述控制系統(tǒng)運行所述導出過程變量的預測模型，以允許自動增益控制進動制動增益系數(shù)基于所述導出過程變量的估計的未來狀態(tài)而變化。
9.如權(quán)利要求6所述的回轉(zhuǎn)穩(wěn)定器控制系統(tǒng)，其中，進動角限制控制功能與所述自動增益控制串聯(lián)或并聯(lián)作用，以防止所述進動角超過預定的界限。
10.如權(quán)利要求6所述的回轉(zhuǎn)穩(wěn)定器控制系統(tǒng)，其中，進動率限制控制功能與所述自動增益控制串聯(lián)或并聯(lián)作用，以防止所述進動率超過預定的界限。
11.如權(quán)利要求I所述的回轉(zhuǎn)穩(wěn)定器控制系統(tǒng)，其中，所述第一感測裝置感測進動角。
12.如權(quán)利要求11所述的回轉(zhuǎn)穩(wěn)定器控制系統(tǒng)，其中，所述控制裝置估計進動率和/或加速度作為額外的過程控制變量。
13.如權(quán)利要求11所述的回轉(zhuǎn)穩(wěn)定器控制系統(tǒng)，其中，所述控制系統(tǒng)還包括用于感測所述進動率作為額外的過程控制變量的裝置。
14.如權(quán)利要求11所述的回轉(zhuǎn)穩(wěn)定器控制系統(tǒng)，其中，所述控制系統(tǒng)還包括用于感測所述進動加速度作為額外的過程控制變量的裝置。
15.如權(quán)利要求13所述的回轉(zhuǎn)穩(wěn)定器控制系統(tǒng)，其中，在所述第一感測裝置發(fā)生故障期間，所述控制系統(tǒng)使用感測的進動率估計所述進動角，所估計的進動角代替感測的進動角。
16.一種用于使由波浪行為引起的浮船運動穩(wěn)定的回轉(zhuǎn)穩(wěn)定器控制方法，所述控制方法包括以下步驟 感測所述回轉(zhuǎn)穩(wěn)定器的飛輪的進動； 產(chǎn)生控制信號以增加所述回轉(zhuǎn)穩(wěn)定器的飛輪的進動，直到基于所述感測的進動可以估計到所述進動會超過預定的界限；以及 響應于所述控制信號而將進動控制扭矩施加到所述回轉(zhuǎn)穩(wěn)定器的飛輪，由此，在使用中，可以獲得僅基于所述回轉(zhuǎn)穩(wěn)定器的飛輪的進動而對船舶運動的自適應控制。
17.如權(quán)利要求16所述的回轉(zhuǎn)穩(wěn)定器控制方法，其中，施加進動控制扭矩的步驟包括提供進動軸制動扭矩，但不包括供應繞所述進動軸的動力。
18.如權(quán)利要求16所述的回轉(zhuǎn)穩(wěn)定器控制方法，其中，產(chǎn)生控制信號的步驟采用自動增益控制(AGC)，所述自動增益控制以增益系數(shù)操作，所述增益系數(shù)逐漸減少以使所述飛輪在預定的范圍內(nèi)盡可能多地擴大進動。
19.如權(quán)利要求18所述的回轉(zhuǎn)穩(wěn)定器控制方法，其中，所述自動增益控制包括如下步驟增加所述增益系數(shù)，然后，當導出過程變量超過預定的界限時，繼續(xù)使所述增益系數(shù)斜降，直到所述導出過程變量再次超過所述界限。
20.如權(quán)利要求19所述的回轉(zhuǎn)穩(wěn)定器控制方法，還包括運行所述導出過程變量的預測模型以允許所述自動增益控制增益系數(shù)基于所述導出過程變量的估計的未來狀態(tài)而變化的步驟。
21.如權(quán)利要求18或19所述的回轉(zhuǎn)穩(wěn)定器控制方法，包括與降低或增加所述自動增益控制增益系數(shù)的步驟串聯(lián)以防止所述進動角超過預定的界限的用于限制進動角的步驟。
22.如權(quán)利要求18或19所述的回轉(zhuǎn)穩(wěn)定器控制方法，包括與降低或增加所述自動增益控制增益系數(shù)的步驟串聯(lián)以防止所述進動率超過預定的界限的用于限制進動率的步驟。
23.—種結(jié)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回轉(zhuǎn)穩(wěn)定器控制系統(tǒng)。
24.—種結(jié)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回轉(zhuǎn)穩(wěn)定器控制方法。
全文摘要
一種僅基于進動信息而使海船運動穩(wěn)定的回轉(zhuǎn)穩(wěn)定器控制系統(tǒng)和方法。所述控制系統(tǒng)采用自動增益控制(AGC)進動控制器(60)。該系統(tǒng)利用增益系數(shù)操作，所述增益系數(shù)總逐漸最小化以使所述陀螺儀飛輪(12)盡可能多地擴大進動，也就是進動越大，橫搖穩(wěn)定力矩越大。該連續(xù)增益變化提供對海況及航行條件變化的適應性。該系統(tǒng)有效地預測最大進動到來的可能性。如果檢測到了這種情況，那么所述增益會快速增加以提供制動進動扭矩。一旦這種情況過去，所述系統(tǒng)會再次試圖逐漸降低增益。
文檔編號B63B39/04GK102859322SQ201180019556
公開日2013年1月2日 申請日期2011年2月17日 優(yōu)先權(quán)日2010年2月17日
發(fā)明者P.D.斯坦曼, T.佩雷斯 申請人:維姆有限責任公司