[发明专利]容错的船舶减摇装置控制系统

说明书

技术领域

本发明涉及一种控制系统和方法，用于使由能够产生横摇运动的激振波浪力引起的海船运动稳定，尤其涉及，尽管不是专有地，一种包括回转稳定器，并采用几个控制模式以提供容错控制的控制系统和方法。

背景技术

当回转稳定器用于海船以减弱横摇运动时，船舶的横摇运动引起飞轮进动，飞轮进动反过来产生对抗横摇运动的扭矩。这意味着所引起的飞轮进动总处于适当的相位以减弱横摇运动（如果所述进动不超过90°）。根据对由机械布置导致的进动的抵抗，当滚动旋转率（侧倾率）超过一定程度时，所引起的进动扭矩会使飞轮进动多于90°（过进动）。这导致由飞轮产生的对抗横摇的扭矩不稳定，因为对抗横摇的扭矩会暂时为零。如果对进动的抵抗足够大，以至于可以在峰值输入情况期间避免所引起的过进动，那么稳定效应在更普遍的情况期间会被严格地限制。因此希望提供一种回转稳定器控制系统以改变对进动的抵抗，或者主动地控制陀螺仪的飞轮进动运动。

已知许多回转稳定器控制系统，从由操作杆致动的手动的进动轴制动器到通常依靠感测的船舶横摇运动和陀螺仪进动运动而对进动角的自动控制。手动的进动轴制动器由Schlick于1904年第一次提出，并由White于1907年进行描述，手动的进动轴制动器需要人工干预以避免在波浪环境中超出小范围的设计条件的过进动。

此后，美国公司Sperry开发了一种系统，该系统通过使用小陀螺仪和由开关转换器控制的电力马达以控制主陀螺仪的进动而处理了Schlick陀螺仪的问题。在该系统中，进动率与船舶的侧倾率成比例。尽管这些现有技术系统的性能在一些波浪环境中是卓越的，（高达95%的横摇减少），但是进动控制系统不适用于可变的波浪环境，因此简单化的进动扭矩控制器限制了系统的性能。随着发明了更轻和更便宜的减摇鳍，减摇鳍在当海船处于允许鳍产生水动升力的速度时工作良好，人们对回转稳定器的兴趣才减少。

回转稳定器对船舶具有零航速或低航速的应用具有特别的益处，而基于流体力学的系统具有少许效果或没有效果。一些应用包括巡逻艇、豪华机动游艇、海上浮式生产系统和离岸工作船，但并不局限于这些应用，这些应用在低速或零速期间都具有重要的操作功能。这些应用推动人们重新有兴趣味考虑用回转稳定器控制由波浪引起的海船横摇运动。

因此，提出了用于回转稳定器的更复杂的控制系统，以在宽范围的操作条件内提供改进的船舶运动衰减性能。例如，在WO 2009/009074中，Rubenstein和Akers公开了一种控制方案，该控制方案使用姿态变化率和角速率传感器用于船舶和回转稳定器，以产生前馈部件。前馈部件与反馈部件、模式输入（当前情况的指示，比如下水、停泊或以不同速度航行中）以及预定控制（当施加到回转稳定器和/或其它船舶稳定设备时）的效果的预期一起使用以为陀螺仪和任何其它控制装置产生资源分配向量。

通过主动地控制回转稳定器飞轮的进动，可以获得在宽范围的操作条件内安全有效的性能。对进动的主动控制需要将传感器反馈作为过程控制变量来使用。如果过程控制变量由于传感器误差、系统电力损耗或其它故障而不适用于控制系统，那么主动控制系统会停止运转。对于主动驱动的回转稳定器，这会导致回转稳定器的稳定作用的直接丧失，这在拿船舶的安全和/或舒适运转冒险。

随着提供了数量增加的传感器，从而允许使用对变化的海况和船舶运动反应更加迅速的更复杂的回转稳定器控制算法，一个或多个传感器发生故障的风险会增加。

本发明以提供一种回转稳定器控制系统和方法为目的而开发，该回转稳定器控制系统和方法是容错性的，减少了一个或多个传感器发生故障的严峻风险。然而，应当明白的是，本发明的控制系统和方法还具有其它类型的船舶减摇装置的应用，比如水动力减摇装置。水动力减摇装置的示例包括鳍、舵、T型水翼艇、截击机、槽型减摇水舱、艉均衡翼板，其它类型的减摇装置的示例包括可移动的压载系统。

本说明书提及现有技术是仅出于解释性目的，在本说明中对现有技术的提及不应看作承认这些现有技术在澳大利亚或其它地区是公知知识的一部分。

发明内容

根据本发明的一个方面，提供了一种减摇装置控制方法，用于使由激振波浪力引起的海船运动稳定，所述方法包括以下步骤：

检测进动运动传感器信号的可用性（availability）或不可用性（otherwise），以及船舶横摇运动传感器信号的可用性或不可用性；

当两种传感器信号都可用（available）时，选择第一控制模式；

当仅传感器信号之一可用时，选择第二控制模式；