专利名称：装备旋转推进器装置的船舶的自动控制系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种装备旋转推进器的船舶自动控制系统，它可用于船舶自动航向保持和按照预置航向来控制航向，所述船舶装备一对或若干对推进器，该推进器成对地对称于船舶的中心线安装，并与自动控制系统的中央单元相连，该单元可有选择地控制推进器构成对称或非对称对的形式。
自动控制用于船舶航向自动保持和按照预置航向进行航向自动控制，自动控制既可用于装备旋转推进器的船舶又可用于用舵来操纵转向的所谓的常规船舶；然而，装备旋转推进器的船舶与装备舵的船舶的工作方式明显不同，这就是这些船舶自动控制原理也相互不同的原因。关于这一点，可以举例来说明，这样的推进器环绕在一个贯穿360°的垂直轴上，这在如公布专利和专利申请F1830373、F1853173、F179991和F182007号中的现有技术已作了描述。
旋转推进器的特性包括产生船舶推进和船舶转向所需的推力。在一般船舶应用上，船上有两个旋转推进器，用于操纵船舶的航行路线。当然，也有其它用应，其中装备的推进器数目不是两个，但自动控制通常用来控制一个或两个推进器。
在船上，推进器有自己的控制系统，人工控制下该系统对推进器的推力和转向角都能进行控制；自动控制，也就是“自动驾驶仪”，给出推进器控制系统一个航向相应变化的要求，该要求通过控制系统再转换成推进器的一个转向角；在常规现有技术系统中，操作员接通自动控制系统他就可以人工选择自动控制工作方式，既可控制左推进器又可控制右推进器，或者同时对两个推进器都进行控制。
现有技术系统中遇到的最大的问题发生在这样的工况自动控制已接通，控制两个推进器中左或右的任一个，此时受自动控制的推进器位于航向改变弯曲线外侧一方，其转弯本身通常是成功的。然而当自动控制试图按照给出的指示在曲线之后适应船舶航向，即在曲线之后来调准航向时，那时设置并不总是成功的，于是操作员不得不选择自动控制曲线内侧的推进器或者两个推进器来保持船舶处于正确的航向；但就是这样，也不是所有情况下都能解决问题的，有时在曲线之后调准船舶航向时，有必要使用人工控制。
为了解决以上叙述的控制问题，在先前的92378号专利中，申请人提出了一个新颖的装备旋转推进器船舶航向自动控制系统，船上装有一对称推进器并将之连接到自动控制的中央单元，该单元可有选择地控制构成一对的推进器中的任意一个或两个；根据该现有技术的方案，当两个推进器都连接到自动航向控制，自动控制就将推进器的控制器转变非对称操作状态，在这种情况下，当自动控制给出一个转向命令，自动控制总是选择处于转弯曲线内侧一方的推进器，来使船转向，此种情况下使船转向的力保持有效。与现有技术相比，用这样的布置，就可以得到一个显著的改善和优点，事实上最重要的优点是在曲线之后对船进行调准这一复杂情形下也能维持船的转向力；进一步讲，相对常规控制系统而言，用这样的布置，就能达到更为合理地对船舶实施操纵，因为该控制操作是“平稳”的。
然而在特定情况下，同时也在FI专利92378系统中，出现了一定的问题，特别是发生在低速及极低速航行速度时，而这种极低航行速度又必须使用，例如，各种救援操作、采油、保持船舶静止等等；当然，极低航行速度可以通过降低推进器的转速来达到，但这种情况下，转向操作能力同时也降低了，因为推进器的推进力曲线成平方地降低，进一步说，将船舶推进器的转速降至低于推进器的最低转速是不可能的，例如采油大约需要1.5节速度，这样的速度通过单独降低转速或许能达到，在相当多的这种情况下将有必要继续将主机的转速降至低于其转速的最低限，这样要在这种低速状态使用自动控制就不可能，而必须人工控制。然而在低速状态下人工控制是十分费劲的，甚至是相当不精确的，这就是为什么在低速状态下需要使用船舶自动控制的原因，本发明力图解决上述低速情况下发生的问题。
基于上述本发明目的及下述内容，本发明的主要特征在于自动控制系统中设有控制单元，与自动控制系统中央单元运行状态无关，通过该控制单元使形成一对的推进器(1，2)按相对船舶(S)纵向中心线(L)相反方向转动而伸出，从而调节船舶的航速。
与现有技术方案相比，借助于本发明可获得许多显著的优点，具体描述如下很明显，本发明最重要、最显著的优点在于自动控制可用于低速航行状态。在本发明的方式中，有效的转向也在低速中取得，因推进器的转速不必降低到很低的水平，在这种情况下推进器的推力良好，因此转向能力也是好的。如有必要，推进器功率甚至可以提高以增强转向能力；当在冰水中工作时，推进器正向伸出，将强劲的推进流场对准两旁，这样推进器也可用来清理冰道；本发明更明显的优点是对现有控制系统稍作修改即可收效，以下将叙述本发明的详细优点及特性。
以下将通过举例并参照附图来陈述发明。
图1A…1D为直航时推进器伸出角构成示意图。
图2A…2C显示按本发明推进器伸出状态的各种转向模式。
图3为本发明实施例，使用反向伸出角来控制推进器的示意图。
图4为本发明实施例，其推进器置于船首的示意图。
图5为以方框图形式描述的本发明船舶控制系统的完整示意图。
如上所述，本发明的基础是申请人早期的F192378号专利，该专利涉及装备旋转推进器的船舶自动航向控制；将本发明与上述F192378号专利的航向控制相结合，用自动控制器就能对船速进行调节，在本发明中船速调节的可能性已成现实，使得在船上构成一对的推进器相互转向即伸出，以降低航速，这在图(1A..1D)中已举例表示；本文中船舶用(S)来参考标注，船纵向中心线用(L)来参考标注，推进器用(1)和(2)来参考标注，推进器相对船纵轴的伸出角用(α)来参考标注；在图(1A…1D)中，推进器(1，2)还没有给出一个转向操纵命令，即船舶(S)还没转向。
在图1A中，推进器(1，2)的伸出角为0°，即推进器产生的推力平行于船舶(S)的航行方向；在图1B中，推进器(1，2)已转到45°伸出角，此时推进器的转速与图1A中的相同，在这种工况中，图1B中的船速要比图1A中的低；在图1C中，推进器(1，2)已转到完全相互背向，此时每个推进器的伸出角都为90°；最后，在图1D中，推进器(1，2)已转到相对船纵向轴(L)伸出角α为120°处，此种情况下，推进器(1，2)产生的推力使船后退；当推进器(1，2)转到有操纵角位置时，自动控制系统的控制信号用普通方式就可以对称或非对称地转动推进器(1，2)，并结合推进器(1，2)伸出控制降低船的航行速度来产生所需的转向动作。
这样，当推进器1，2的伸出角α仅仅影响船舶S的航速时，而自动控制系统的操作继续保持不变。当两推进器1，2的伸出角α相同时，自动控制系统对船舶S的操纵就如同推进器根本没有伸出角功能一样。因此，采用此方式，把推进器1，2向相反的方向转动，自动控制系统只是被“蒙蔽”，自动控制系统继续正常的操作，操作者可将伸出角α调至期望值，从而连续地调节船舶S的航速。
根据本发明办法对伸出角α进行调整，也可维持船舶(S)所需的航速并保持该航速不变。这当船所需航速选择确定后就能实现；当如水流、风等其它条件改变时，可以调节伸出角来保持上述船舶的航速；再之，当推进器伸出时，推进器功率的设置是完全自由的。如操纵需要，推进器的功率可以增大。特别是在低速工况，如果不用自动控制系统就不能控制操纵的话，如有必要，推进器可以使用不同的功率，推进器的功率可集中或单独调节。
小的伸出操纵角(α)对船速几乎没有影响，但小伸出角(α)也是需要的，例如在冰区中航行，当推进器转到小正伸出角(α)时，船就可象平常一样而不容易被冰阻挡，因为推进器在接近船舶(S)壳体处产生流场，此处冰更少，当推进器装备喷管时，这一优点特别明显。
如前所述，使用本发明的伸出功能，自动控制系统就能正常驾驶船舶，这样，当伸出功能与自动控制相结合，就可以获得与减速相配合的驾驶动作；从原理上讲，有两种不同的转向模式，第一种为所谓的对称转向模式，如图2A所示。在对称转向模式中，两只推进器都转到所要求方位的相同角度(β)，在图2A情况，两只推进器(1，2)已转向，船舶(S)转向左侧，图2A中转向角(β)为20°，然而从图2A中可以看出尽管处于对称转向模式，推进器(1，2)并没有指向相同的方向，这是因为推进器(1，2)是按伸出要求转动的，推进器(1，2)每个伸出角为45°，此时在图2A的情况下，第一只推进器(1)已转到相对于船舶(S)纵向轴(L)65°(α＋β)角，而第二只推进器(2)已转到相对于纵向轴(L)25°(α－β)角。
在图2B和2C所示的非对称转向模式中，一只推进器先转，当需要增大转向能力时，另一只推进器参与转向操纵，从这一点来看转向模式类同于申请人早期的H92378号专利；非对称转向可以通过两种方法来实现，一种是降低速度的转向模式，另一种是提高速度的转向模式；图2B为降低速度的转向模式，在图2B工况下，自动驾驶系统已进入运行状态，处于转向曲线内侧一方的推进器即第一只推进器(1)〔图中左侧推进器，船舶(S)左转〕逆向船(S)前进方向转动，降低船速并使船转弯。第二只推进器(2)并没转动，至少还没有小的转向伸出角；在图2B情况，转向角(β)为20°，伸出功能已接通，两只推进器都已转动，第一只推进器(1)已转到转向角和伸出角之和的角度，而第二只推进器(2)转动到伸出角为α。在图2B中，角(α)为45°，当转向角(β)变的足够大时(例如30°或更大)，两只推进器同时转动可操纵船舶转向，这种工况，类似于图2A所涉及的对称模式。
非对称转向也可用在增大速度的场合，这种转向模式如图2C所示。在提高航行速度的非对称转向中，自动控制系统首先转动位于曲线外侧一方的推进器即图2C中的第二只推进器(2)，它相对于船舶(S)航行方向转动，增大船速并产生转向。当出现小的转向角时，第一只推进器(1)即在曲线内侧一方的推进器并没有转动；在图2C工况中，转向角(β)为20°(见图2C)，两只推进器已相对于中心位置转动，因为推进器(1，2)已处于伸出功能状态；在图2C中，伸出角(α)为45°，在图2C工况中，第一只推进器(1)已转到相对于纵向轴的伸出角(α)45°处，而第二只推进器已转到伸出角(α)与转向角(3)之差即25°角处。
图3为运用反向伸出的具体例子，在这种情况，船舶(S)的推进器(1，2)朝内转动，就能保留相同的转向特性；在图3，伸出角为-45°，没有给出转向命令，因此船舶(S)的航向为直行；然而推进器(1，2)的类型对反向伸出要施加一定的限制，这取决于上述推进器的类型，推进器的推进流场从某种程度上可以互相控制而不至于毁坏设备。
如图4所示，除推进器安装在船舶(S)的尾部外，对将本发明伸出功能应用于其它推进器也作了尝试。在图4实施例中，推进器(1′，2′)位于船舶的前部，用这样安装于船首的推进器，既有可能使用正向伸出又有可能使用反向伸出；在图4工况，没有给出转向命令，推进器的伸出角为45°。
在本发明中，推进器的伸出角(α)可以在很宽的范围内变化，伸出角(α)值并不限制到90°，它可以相当大，从原理上讲，伸出角(α)可以增至180°，而实际上，操纵角可限制到135°，相应的伸出角既可用于正向伸出又可用于反向伸出。
最后，图5用示意方框图形式描述的本发明控制系统的原理图，在该图中，控制系统用(10)参考标注，推进器用上面已使用的(1)和(2)参考标注，如图5所示，每一只推进器(1，2)都装备自己的控制器(13，14)。每一只推进器(1，2)的控制器连接到自动控制即“自动驾驶仪”的中央单元(11)，此外，本发明自动控制系统装备一伸出角控制单元(12)，需要时可与控制系统相连，从而按要求的方式调节推进器(1，2)的伸出角；当然，即使图5中没有标出，很明显推进器(1，2)尚有装备人工控制的可能性。
实际上，进行推进器(1，2)的伸出，通过独立的伸出角控制单元(12)给每个推进器的控制器(13，14)给出一个共同伸出引导值，当自动控制中央单元(11)接通控制推进器(1，2)，它就能按预先设置的航向来控制推进器，而与伸出角控制单元(12)是否接通无关。然而，实施伸出并不仅限于图5中所示，以很多不同方式都能实施；然而，从本发明的角度来看，最根本的是当自动控制接通时，通过伸出推进器就能达到对船舶航行速度的调节。取代用一个独立的伸出角控制单元(12)，伸出角的调节也可通过自动控制中央单元的内部操作来完成，因此按本发明的目的来看，其结果与图5所示实施例是相同的。
通过以上举例及参照相应图示对发明进行了描述，不过，本发明并不限图中所示实施例，可在所附专利权利要求本发明范围内有不同的具体变化情况。
权利要求
1.装备旋转推进器装置的船舶的自动控制系统，用于自动保持航向和按预置航向来控制该船航向，所述船舶(S)装备一对或若干对推进器，其中推进器(1，2)对相称于船体中心线(L)安装构成一对，并与自动控制系统(10)中央单元(11)相连，该单元可有选择地控制推进器(1，2)构成对称或不对称形式，其特征是自动控制系统(10)设有控制单元(12)，通过该装置，与自动控制系统中的中央控制单元(11)运行状态无关，使形成一对的推进器(1，2)可被连通转向，按相对船舶(S)纵向中心线(L)相反方向转动而伸出，从而调节船舶(S)的航速。
2.如权利要求1所述的装备旋转推进器装置的船舶的自动控制系统，其特征是推进器伸出角控制单元(12)，是作为一个独立于自动控制系统中央单元(11)的单元来完成的。
3.如权利要求1所述装备旋转推进器装置船舶的自动控制系统，其特征是推进器伸出角控制单元是在自动控制系统中央单元(11)中集成的，使得推进器(1，2)进行转向伸出成为自动控制系统中央单元(11)的内部操作的过程。
4.如前各权利要求所述的装备旋转推进器装置的船舶的自动控制系统，其特征是推进器(1，2)既可以连接于正向伸出，使推进器(1，2)形成的推进流场相互流离；或者连接于反向伸出，使推进器(1，2)形成的推进流场相互流向。
5.如前各权利要求所述的装备旋转推进器装置的船舶的自动控制系统，其特征是推进器(1，2)的伸出角(α)是连续可调的。
6.如前各权利要求所述的装备旋转推进器装置的船舶的自动控制系统，其特征是推进器(1，2)的伸出角(α)值可在相对于船舶(S)船体纵向中线(L)0～180°范围内调整。
7.如前各权利要求所述的装备旋转推进器装置的船舶的自动控制系统，其特征是控制系统可调整保持船舶(S)于所需要的航速上和/或通过调整推进器(1，2)伸出角(α)保持所要的恒定航速不变。
全文摘要
本发明涉及装备有旋转推进器船舶的自动控制系统，可自动保持船舶航向，并可按预置航向控制船舶航向；船舶(S)装备一对或若干对推进器，其中的推进器(1，2)对称于船体中线(L)安装构成一对，并与自动控制系统中央单元相连，该单元可有选择地控制推进器(1，2)构成对称或不对称形式；在本发明中，自动控制系统中设有控制单元，与自动控制系统中的中央控制单元运行状态无关，使形成一对的推进器(1，2)按相对船舶(S)纵向中心线(L)相反方向转动而伸出，从而调节船舶(S)的航速。
文档编号B63H25/42GK1134901SQ9610361
公开日1996年11月6日 申请日期1996年3月15日 优先权日1995年3月17日
发明者马克库·弗塔南 申请人:艾科曼斯特-劳马公司