船舶操纵与主推进联合控制方法及其模拟系统技术方案

船舶操纵与主推进联合控制方法及其模拟系统涉及船舶控制技术领域，该控制方法根据船舶驾驶员航向舵令、航速车令，实现综合协调船舶操纵性、主机工作特性、船舶装载、海洋环境扰动、航行安全、经济航行等因素的对船舶运动和推进主机运行的一体化联合控制；该模拟系统验证了船舶操纵与主推进联合控制方法的有效性。本发明专利技术有益效果是：提高船舶系统的整体经济性和操纵性，提高船舶运动控制效果，有利于船舶航行安全，防止柴油主机过载，提高动力装置可靠性和经济性。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及船舶控制
，尤其涉及一种船舶操纵与主推进联合控制方法及其模 拟系统。
技术介绍
船舶在航行中，由于航向改变、海洋环境风、浪、流等的干扰，使船舶阻力和螺旋桨扭 矩发生变化，且船舶主机功率有限，并受到热负荷、机械负荷等条件限制，很难保证主机转 速稳定和船舶速度恒定。船舶主机的转速直接影响船舶航速，而船舶速度和吃水的变化影响 船舶的操纵性能，即船舶运动状态也与主机转速和运行工况密切相关，所以船舶运动与主机 控制存在强耦合关系，是一个极为复杂的控制问题。当船舶进入浅水和/或在窄航道中航行时，水流与船体的相对速度增加，使摩擦阻力、涡 流阻力和兴波阻力均相对增大。当船舶进入浅水或窄航道时，若要保持原航速，则主机一般 必然超负荷。当船舶在浅、狭水道航行或大舵角转向(特别是打满舵变航操纵)时，由于船 舶阻力增大，会产生主机排烟温度升高、燃烧不完全，热负荷、机械负荷超负荷的情况，严 重时可引起主机相关部件损坏。当船舶转向时，舵要偏转一个角度，船体在斜水流中前进，船舶阻力要比直线航行时明 显增加。在相同的螺旋桨转速和调距桨螺距下，船速会降低，螺旋桨特性(主机功率与螺旋 桨转速的关系)曲线变陡。由于现代船舶主机装有全制式调速器，会自动加油，因此可能导 致主机超负荷。船舶推进及其控制、船舶运动控制是船舶中两个最重要的关键系统。但长期以来，船舶 主推进(决定航速)和运动这两个相互耦合的复杂非线性系统是完全独立进行控制的。这种 彼此独立的控制方式，由于没有直接考虑航速对于船舶舵效的显著影响，因此具有明显的局 限性，在多数工况下，没有实现船舶系统的综合优化控制。因此，根据航速特征对于船舶的 主推进和运动采用基于智能控制的一体化联合操纵才能实现船舶系统的总体优化运行。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种船舶操纵与主推进联合控制方法及其模拟系统，提高船舶系 统的整体经济性和操纵性，提高船舶运动控制效果，有利于船舶航行安全，防止柴油主机过 载，提高动力装置可靠性和经济性。4为了达到上述目的，本专利技术的技术方案如下-船舶操纵与主推进联合控制方法，包括如下歩骤(1)在船舶主机遥控系统中设置包含主机负荷、船速、舵角、船首回转角速度等变量的优化性能指标函数的程序，在达到相应舵效船速的前提下，自适应地减少主机供油量；(2)根据驾驶员操作指令和船舶航行状况计算 给出在当前航行工况下的船舶操舵和主机给油量设定值，使船舶柴油主机工作在额定负荷或 其近旁工作点时的经济、稳定可靠运行、效率最高的工作状态；(3)根据下述(i)、 (ii)两种情 况，设定船舶航向和主机控制器的给定值(i)当判断船舶处于应急避碰或快速机动的特殊状 态时，则根据主机的当前负荷状况，进行加速操作，增加燃油给定值，必要时可在短时段内 超负荷运行，在不损坏主机的前提下完成船舶的快速机动性操纵；(ii)当现有主机负荷较高， 航速较高时，舰船具有较好的航速储备，便于进行航向控制，此时若有大舵角操纵指令，则 适当减少燃油给定值，改进主机的工作状况，进而减少有害气体排放，达到推进主机和航向 的优化协调智能一体化控制的目标；(4)在主机遥控系统和自动舵控制系统中设置实现上述 主机-舵协调联合智能控制程序模块；(5)根据船舶驾驶员指令，建立切换选择上述(i)、 (ii) 两个程序的智能判断模块，执行双模态控制，实现船舶操纵与主推进联合控制方法。一种验证船舶操纵与主推进联合控制方法的模拟系统，包括船舶运动虚拟现实仿真场 景模块、船舶运动数学模型模块、船舶柴油主机三维运动模型模块、船舶主机推进系统数学 模型模块、船舶操纵与主推进联合智能控制算法模块、船舶驾驶室操舵与主机遥控台、集控 室主机遥控台、系统调度服务器和DCOM (Distributed Component Object Model)群组通信模 块。系统调度服务器利用逻辑时间和逻辑时间戳机制，采用同步启动调度策略对七个子系统 船舶运动虚拟现实仿真场景模块、船舶运动数学模型模块、船舶柴油主机三维运动模型模块、 船舶主机推进系统数学模型模块、船舶操纵与主推进联合智能控制算法模块、船舶驾驶室操 舵与主机遥控台和集控室主机遥控台，进行协调调度，实现每个仿真子系统加入、仿真过程 启动、数学模型运行、仿真结束等控制，DCOM群组通信模块实现数据的相互连接，它通过 构建DCOM群组通信模型，采用一种动态和静态调度相结合的集中式负载平衡解决方案，实 现各仿真子系统的多点通信要求。本专利技术的有益效果在于l)可以提高船舶的操纵性能，改善系统的整体经济性和安全性，延长主动力装置工作寿命，实现船舶系统的综合节能优化控制；2)本专利技术为新型船舶综合自 动控制系统预研提供一个有效实用的可视化交互式仿真平台，减少海上试验次数，降低试验 成本，縮短开发周期，'保证海上试验的安全；3)本专利技术为船舶先进控制算法和技术试验、船5舶航向和航速网络控制，船舶动力装置优化运行等科学实验提供一种模拟验证平台，可以作为船舶控制系统仿真的科研设备供教学使用。附图说明图1是本专利技术的船舶操纵与主推进联合控制模拟系统的结构框图。图中1、船舶运动虚拟现实仿真场景模块，2、船舶运动数学模型模块，3、船舶柴油主机三维运动模型模块，4、船舶主机推进系统数学模型模块，5、船舶操纵与主推进联合智 能控制算法模块，6、船舶驾驶室操舵与主机遥控台，7、集控室主机遥控台，8、系统调度服 务器，9、 DCOM群组通信模块。 具体实施例方式下面结合附图对本专利技术做进一步详细地描述本专利技术的船舶操纵与主推进联合控制方法，根据船舶驾驶员航向舵令、航速车令，实 现综合协调船舶操纵性、主机工作特性、船舶装载、海洋环境扰动、航行安全、经济航 行等因素对船舶运动(自动舵)和主机运行(给油量)的一体化联合控制。对于船舶大舵角变航操纵或浅、狭水道航行时，对船舶柴油主机和自动舵采用综合 优化联合控制的具体步骤如下(1) 在主机遥控系统中设置包含主机负荷、船速、舵角、船首回转角速度等变量的 优化性能指标函数的程序，在达到相应舵效船速的前提下，自适应地适当减少主机供油(2) 根据驾驶员操作指令和船舶航行状况计算给出在当前航行工况下的船舶操舵和 主机给油量设定值，尽量使船舶柴油主机工作在额定负荷或其近旁工作点时的经济、稳 定可靠运行、效率最高的工作状态；(3) 船舶航向和主机控制器的给定值设定(i) 当判断船舶处于应急避碰或快速机动的特殊状态，则根据主机的当前负荷状况， 进行加速操作(增加燃油给定值)，必要时可在短时段内超负荷10%运行，在不损坏主机 的前提下完成船舶的快速机动性操纵；(ii) 当现有主机负荷较高，航速较高时，船舶具有较好的航速储备，便于进行航向 控制，此时若有大舵角操纵指令时，可适当减少燃油给定值，改进主机的工作状况，进 而减少有害气体排放，达到推进主机和航向的优化协调智能一体化控制的目标；(4) 在主机遥控系统和自动舵控制系统中设置实现上述车(主机)-舵协调联合智能控制程序模块；(5)根据船舶驾驶员指令，建立切换选择上述(i)、 (ii)两个程序的智能判断模块，执 行双模态控制，完成船舶操纵与主推进联合控制方法。对于船舶开阔水域直线航行工况，本专利技术的船舶联合控制系统可切换到船舶航向保 持、主机独立控本文档来自技高网...

【技术保护点】
船舶操纵与主推进联合控制方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：　（１）在船舶主机遥控系统中设置包含主机负荷、船速、舵角、船首回转角速度等变量的优化性能指标函数的程序，在达到相应舵效船速的前提下，自适应地减少主机供油量；　（２）根 据驾驶员操作指令和船舶航行状况计算给出在当前航行工况下的船舶操舵和主机给油量设定值，使船舶柴油主机工作在额定负荷或其近旁工作点时的经济、稳定可靠运行、效率最高的工作状态；　（３）根据下述（ｉ）、（ｉｉ）两种情况，设定船舶航向和主机控制 器的给定值：　（ｉ）当判断船舶处于应急避碰或快速机动的特殊状态时，则根据主机的当前负荷状况，进行加速操作，增加燃油给定值，必要时可在短时段内超负荷运行，在不损坏主机的前提下完成船舶的快速机动性操纵；　（ｉｉ）当现有主机负荷较高， 航速较高时，船舶具有较好的航速储备，便于进行航向控制，此时若有大舵角操纵指令，则适当减少燃油给定值，改进主机的工作状况，进而减少有害气体排放，达到推进主机和航向的优化协调智能一体化控制的目标；　（４）在主机遥控系统和自动舵控制系统中设 置实现上述主机－舵协调联合智能控制程序模块；　（５）根据船舶驾驶员指令，建立切换选择上述（ｉ）、（ｉｉ）两个程序的智能判断模块，执行双模态控制，实现船舶操纵与主推进联合控制方法。...

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：郭晨，李晖，沈智鹏，孙建波，
申请(专利权)人：大连海事大学，
类型：发明
国别省市：91[中国|大连]