一种基于船舶水动力在线预报的船舶减摇控制系统技术方案

本发明专利技术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。本发明专利技术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。本发明专利技术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。

A ship roll reduction control system based on the online prediction of marine hydrodynamic force

The invention discloses a ship motion reduction control system based on the online prediction of marine hydrodynamic force, which belongs to the technical field of ship and ocean engineering. Based on the idea of real-time prediction and dynamic balance of ship motion parameters, the invention realizes online adaptive prediction of ship hydrodynamic force through hydrodynamic equations, and further serves as a basis for anti roll control. The ship motion parameters, hydrodynamic online estimation module and fin angle distribution module are used for real-time and adaptive control of ship motion. Compared with traditional rolling control methods, the adaptive and hydrodynamic estimation models are more perfect. The invention is applicable to the installation of single ship on the fin or two pairs of fins, the installation of the single ship anti rolling fin and antipitching two functions; the ship equipped with two pairs of fins to achieve anti rolling, anti pitching and rolling and pitching three functions, can be widely used in various ship anti roll control, has a good application prospect and good economic benefit in the field of anti sway control in ship.

【技术实现步骤摘要】
一种基于船舶水动力在线预报的船舶减摇控制系统
本专利技术属于船舶与海洋工程
，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。
技术介绍
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，本专利技术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。本专利技术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。
技术实现思路
本专利技术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。本专利技术的目的是这样实现的：本专利技术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。本专利技术的有益效果在于：本专利技术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，本专利技术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，本专利技术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，本专利技术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为本专利技术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为本专利技术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为本专利技术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为本专利技术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为本专利技术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为本专利技术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为本专利技术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专利技术做进一步描述。本专利技术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本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于船舶水动力在线预报的船舶减摇控制系统，其特征在于，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

【技术特征摘要】
1.一种基于船舶水动力在线预报的船舶减摇控制系统，其特征在于，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。2.根据权利要求1所述的一种基于船舶水动力在线预报的船舶减摇控制系统，其特征在于：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。3.根据权利要求1所述的一种基于船舶水动力在线预报的船舶减摇控制系统，其特征在于：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4.根据权利要求3所述的一种基于船舶水动力在线预报的船舶减摇控制系统，其特征在于：所述的垂荡波浪力横摇力矩纵摇力矩的计算模型分别为：

【专利技术属性】
技术研发人员：黄礼敏，段文洋，韩阳，马学文，王瑞锋，朱鑫，徐静，郑义，吴东伟，陈永博，
申请(专利权)人：哈尔滨工程大学，
类型：发明
国别省市：黑龙江,23