自适应的回转稳定器控制系统的制作方法

专利名称：自适应的回转稳定器控制系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种回转稳定器控制系统和方法，用于使由产生横摇运动的波浪和环境激振力引起的海船运动稳定，更具体地说，尽管不是专有的，涉及一种自适应的回转稳定器控制系统和方法。
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。这些应用推动人们对重新有兴趣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响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对不同和变化的海况以及船舶运动做出响应，以在宽范围的操作状况内减弱船舶横摇运动，并且使用于将过程控制变量导出的传感器的数量减少到最少。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
根据本发明的第一方面，提供了一种回转稳定器控制系统，用于使由产生横摇运动的激振力引起的海船运动稳定，所述控制系统包括第一感测装置，用于感测所述回转稳定器的飞轮的进动；控制装置，用于产生控制信号，以使所述回转稳定器飞轮的进动范围达到最大，直到基于所感测的进动而可以估计到进动会超过预定的界限；以及致动器，对控制信号做出响应以将进动控制扭矩施加到回转稳定器飞轮，由此，在使用中，可以获得仅基于回转稳定器飞轮的进动而对船舶运动的主动控制。优选地，致动器仅将制动进动控制扭矩施加到回转稳定器飞轮，结果这消除了给致动器供应外部动力以运行所述系统的要求，这是有利的。因此，进动控制扭矩可以是抵抗性控制扭矩，从而致动器不给飞轮提供绕进动轴的动力。或者，对控制信号做出响应以将进动控制扭矩施加到回转稳定器飞轮的致动器提供作用为仅反抗飞轮的被引起的进动运动的进动轴阻尼控制信号。或者或此外，控制信号可以是飞轮进动轴抵抗性增益，所述增益逐渐减少以允许飞轮在不超过预定的最大进动角范围的情况下尽可能多地扩大被引起的进动。或者，可以施加驱动的进动控制扭矩。通常，所述控制装置采用自动增益控制器(AGC)。自动增益控制器可以与进动率限制控制器和/或进动角限制控制器串联(或并联)工作。优选地，自动增益控制具有进动制动增益系数，进动制动增益系数(连续的或逐渐的)斜降以使回转稳定器飞轮在预定的进动角范围内尽可能多地扩大进动。优选地，当可以估计到导出的过程控制变量(基于进动角和/或其导数(derivatives))会超出预定的界限时，自动增益控制以一定数量或与估计的过冲量成比例的数量逐步增加增益，以给回转稳定器飞轮进动轴提供增加的制动进动控制扭矩，旨在防止超出限定的进动角界限。控制系统可运行所述导出的过程控制变量的预测模型，以允许自动增益控制增益基于估计的导出过程变量的未来状态而变化。进动角限制控制功能可与自动增益控制串联或并联运行以防止进动角超出预定的界限。或者或此外，进动率限制控制功能可与自动增益控制串联或并联运行以防止进动率超出预定的界限。优选地，在自动增益控制使增益增加后，会再次逐渐斜降增益以允许回转稳定器飞轮再次尽可能多地扩大进动角。第一感测装置可以感测进动角。控制装置可以估计进动率和/或加速度作为额外的过程控制变量。或者或此外，控制系统还包括用于感测作为额外的过程控制变量的进动率的装置。如果提供用于感测进动率的装置，那么在第一感测装置发生故障的情况下，控制装置可以使用感测的进动率以估计进动角，估计的进动角代替感测的进动角。根据本发明的第二方面，提供了一种回转稳定器控制方法，用于使由产生横摇运动的激振力引起的海船运动稳定，所述控制方法包括感测回转稳定器的飞轮的进动；产生控制信号以增加回转稳定器飞轮的进动，直到基于感测的进动可以估计到进动会超过预定的界限；以及
响应于控制信号而将进动控制扭矩施加到回转稳定器飞轮，由此，在使用中，可以 获得仅基于回转稳定器飞轮的进动而对船舶运动的自适应控制。施加进动控制扭矩的步骤包括提供进动轴制动扭矩。在该情况下,相对于进动轴没有供应任何动力。产生控制信号的步骤可采用自动增益控制(AGC)，自动增益控制以增益系数操作，所述增益系数逐渐减小以允许飞轮在预定的进动角范围内尽可能多扩大被引起的进动。自动增益控制包括该步骤增加所述(阻尼)增益系数，当导出的过程变量(可以是进动角和/或进动率的函数)超出预定的界限时，继续使增益斜降直到过程变量再次超出界限。所述控制方法包括运行导出的过程变量的预测模型以允许自动增益控制增益系数基于估计的导出过程变量的未来状态而变化的步骤。所述控制方法包括与减小或增加自动增益控制增益系数的步骤串联(或并联或其它任何形式)以防止进动角超出预定的界限的用于限制进动角步骤。此外或或者，所述控制方法包括与减小或增加自动增益控制增益系数的步骤串联(或并联或其它任何形式)以防止进动率超出预定的界限的用于限制进动率的步骤。例如，当进动角或进动率(或进动角和/或进动率的函数)超出预定的界限时，高增益信号可添加(串联或并联或其它任何形式)到自动增益控制增益系数以防止进动角和/或进动率超出预定的界限。这是为了避免回转稳定器机构过进动或产生过量力，以及允许使用自动增益控制控制器，自动增益控制控制器本身对大随机事件响应不是足够快。当限制进动角时，仅当进动角接近预定的界限时才会添加高增益信号，防止由高增益命令信号导致的高阻尼抵抗进动角返回优选的范围。根据本发明的第三方面，提供了液压回路用于控制回转稳定器的进动轴，所述液压回路包括至少一个液压缸，相对于所述回转稳定器的进动轴连接，关于所述回转稳定器的进动运动偏斜，阻尼压力部分；流量控制部分；以及流体供应部分，其中，所述至少一个液压缸通过所述液压回路的阻尼压力部分连接到所述液压回路的流量控制部分，使得流体在单一方向上从所述液压缸流到所述流量控制部分，所述液压回路的流量控制部分通过所述液压回路的流体供应部分连接到所述液压缸，使得流体在单一方向上从所述流量控制部分流到所述液压缸。有利地，这提供了一种回路，其中，所述进动轴的振荡运动使所述液压缸起单一流向液压泵的作用。所述流量控制部分包括一批控制阀。所述一批控制阀包括至少两个并列的流路。所述一批控制阀，或者至少所述流路之一包括比例控制阀。通过所述回路的流量控制部分的流量可以根据来自回转稳定器控制系统的控制增益信号而变化。所述比例控制阀可以是电子控制的(B卩，对控制增益信号做出响应)。通常关闭类型的流量控制阀可与所述比例控制阀串联设置。在正常操作期间，对所述通常关闭类型的流量控制阀发信号以使其保持打开，所述通常关闭类型的流量控制阀包括位于所述流量回路中的电子控制比例流率控制阀，但是所述通常关闭类型的流量控制阀在动力损失或感测的控制系统误差的情况下关闭。 所述一批控制阀、或者至少所述流路之一包括固定的或手动可调的流率控制阀，以允许限定默认的流量阻尼水平。通常打开类型的流量控制阀可与所述固定的或手动可调的流率控制阀串联布置。在正常操作期间，对所述通常打开的阀发信号以使其保持关闭，使得所述固定的或手动可调的流率控制阀与所述回路隔离。在动力损失或感测控制误差的情况下，所述通常打开的阀会打开，并将所述固定或手动可调的阀引入所述流量回路。所述流路之一可提供减压阀，在穿过所述固定的或手动可调的阀或所述电子控制阀而产生的压降超过预定的安全水平的情况下，所述减压阀为所述液压回路提供过压力保护。在检测到传感器错误、或者失去控制系统的动力的情况下，该液压回路使容错回落到固定的或手动可调的阻尼水平。在整个说明书中，除非上下文要求，否则词“包括”或其变体应理解为包括所提到的实体或实体组，但并不排除任何其它实体或实体组。类似地，词“优选地”或其变体应理解为所提到的实体或实体组是理想的，但对本发明的运作方式来说并非必需的。


下面将参考附图详细说明船舶稳定器控制系统和方法的仅作为示例的优选实施例，由此,本发明的特性会更加清楚明白，附图中图I示出回转稳定器控制系统的大致构造的原理图；图2是本发明的回转稳定器的优选实施例的俯视图；图3是图2的回转稳定器的顶部后透视图；图4是除了回转稳定器的一些部件为了清楚起见而显示为分解图外，与图3类似的视图；图5 (a)、(b)和(C)是图2的回转稳定器的顶部前透视图，分别以三种不同进动角，即+70°、0°、-70°显示了陀螺仪；图6是用于图2的回转稳定器的液压控制回路的简化回路图；图7示出用于本发明回转稳定器的控制系统的优选实施例的控制方块图，该控制系统基于仅使用所测量的进动角及其计算出的导数作为过程控制变量的自适应控制；图8示出在仿真情境期间用于图7的自适应控制系统的自适应增益进化；
图9示出结合安全和状况监测系统的图7的控制系统，安全和状况监测系统仅监测和限制进动角、进动率或者进动角和进动率；图10示出使用没有进动角和进动率限制控制器的自动增益控制而得到的三种可能误差情况类型；图11示出图9的控制系统，其中，安全和状况监测系统有效地起进动角限幅器的作用；图12示出图9的控制系统，其中，安全和状况监测系统有效地起进动角限幅器和进动率限幅器的作用；图13是示意性地描述自动增益控制适应的进动控制器的第一示例的方框图；以及
图14是示意性地描述自动增益控制适应的进动控制器的第二示例的方框图。
具体实施例方式在整个说明书中，术语“船舶”指的是海上飘浮装置，通常为小船、游艇、驳船、海船或潜水艇，海上飘浮装置经受由产生横摇运动的环境激振力引起的振荡运动。术语“横摇运动”指的是包括任何或所有船舶衍生物的船舶的横摇运动，更广泛地，指的是船舶的任何需要衰减的振荡运动。图I以简化的形式示出回转稳定器控制系统的典型构造，该回转稳定器控制系统利用船舶运动和进动轴测量值作为过程控制变量。船舶2的运动传送到回转稳定器10的飞轮12，飞轮12的进动行为产生能够抵消由波浪引起的力矩的回转稳定力矩。回转的飞轮具有两个自由度旋转和进动。通过角动量守恒，由于旋转和船体的位置，飞轮12产生与飞轮的旋转角动量(惯量X角速度)和进动率的乘积成比例的回转横摇力矩。旋转速率通常为常数，但是这也可以控制。因此，飞轮的进动率越大，在船舶上产生的回转稳定力矩越大。然而，必须限制进动以确保不会超过最大机械负荷和其它物理约束，以及避免过量的进动角，进动角过量时，有效的稳定扭矩会减少，而在其它平面中无用的扭矩会变得明显。可通过陀螺仪致动器22来限制进动。陀螺仪致动器22通常是提供绕进动轴的扭矩的液压、机械、电力或组合系统。通过监测和控制系统6可调节陀螺仪致动器22的行为。船舶运动传感器4为监测和控制系统6提供横摇角或侧倾率测量值。陀螺仪运动传感器8为监测和控制系统6提供进动角测量值。监测和控制系统6处理测量信息，进而对陀螺仪致动器22产生适当的控制命令以限制进动率，同时使横摇衰减最大。图I至图4示出本发明的回转稳定器10的优选的实施例。回转稳定器10包括具有垂直旋转轴的飞轮12 (密封进罩体中)。旋转轴由位于飞轮上方和下方的旋转轴承14保持。飞轮12及其旋转轴承14安装在结构飞轮框16中，结构飞轮框16自身安装在一组万向接头轴承18上，万向接头轴承18提供单一轴旋转自由度(进动轴)。回转稳定器10安装在船舶上，使得飞轮旋转轴在O进动角时垂直，对准进动轴使其位于包含待减弱的横摇运动的平面内(在船上横向地)，或者使得飞轮旋转轴在O进动角时水平，对准进动轴使其位于包含待减弱的横摇运动的平面内(当横摇运动正被回转稳定器10减弱时，船上的垂直面)。通过说明书中描述的方法可以控制这些布置。飞轮12的旋转速度由电动马达控制器控制。由于回转稳定器10的回转动力，船舶横摇运动使得飞轮框16“进动”。所引起的进动运动与船舶横摇运动同相。当框16进动时，旋转的飞轮12产生扭矩，该扭矩与包含进动轴和旋转轴的平面垂直。这被称为“回转扭矩”。如上所述，回转扭矩与飞轮极惯性矩、旋转速度和进动率的乘积成比例。因此得出结论，对于由船舶横摇时期限定的运动的特定时期，进动的增加的角范围产生增加的最大进动率以及最大回转扭矩。当进动旋转通过零进动角时，回转扭矩在相反的意义上完全作用到船舶的横摇运动。回转扭矩会发生作用以减少横摇运动。然而，当框16远离零进动角进动时，回转扭矩具有作用在横摇运动的平面内、也作用在垂直平面内的部件(航向平面，用于垂直轴飞轮，垂直轴飞轮构造用于横摇运动，以及纵向平面，用于水平轴飞轮，水平轴飞轮构造用于横摇运动)。如果不控制或不很好地控制进动运动，在一些情况中，作用在船摇轴上的部件无益于减少横摇运动，而对船舶的方向控制可能具有消极影响，或者导致不期望的纵向摆动。在一些情况中，进动振荡的范围会超过+/-90°。当进动角到达90°时，由进动的飞轮12产生的扭矩全部作用在船摇轴上，因此，没有对抗作用在船舶上的波浪和所引起的横摇扭矩。所以可以看出，在与横摇运动相反的意义上获得最大扭矩以及限制进动角范围 以确保回转扭矩的重要部件发生作用以对抗船舶横摇运动之间存在折衷。用于回转稳定器10的控制系统的关键任务之一是应用进动轴控制扭矩以将进动运动角范围限制在预定界限内，以及确保进动率不超过预定数值。用于感测飞轮12的进动的陀螺仪运动传感器8设置成感应角位置传感器20的形式。磁换能器安装在进动转轴端部，传感器20轴向地安装在所述进动转轴的端部。提供陀螺仪致动器22用于相对于进动轴将扭矩施加到飞轮框16。在该实施例中，陀螺仪致动器22是液压系统，包括一对液压缸24，所述液压缸连接在安装于进动转轴上的象限仪和用于回转稳定器10的基础支撑件之间。两个液压缸24装有阀门，使得当所述框16绕进动轴振荡时，所述一对液压缸24充当液压泵，泵送液压液环绕液压控制回路。通过控制流量控制阀的约束因素，进动轴上负荷的需要泵送流体流过阀门的扭矩会变化。提供了液压控制歧管26用于控制液压液流，该液压控制歧管包括两个电力控制阀门。通过改变流量控制设定，可以改变进动轴阻尼。图6是用于回转稳定器的液压控制回路的简化回路图。液压控制回路设计成液压缸24泵送流体在箭头所指的方向上环绕回路。电子控制比例(或伺服)流量控制阀28通常是关闭的(当不通电时)，并且串联地布置。在正常操作中，液压油被泵送穿过比例流量控制阀28，比例流量控制阀28限制液压油流以产生对进动可变的抵抗。在回转稳定器10的正常操作期间，比例控制阀28通过由控制器确定的数额而通电打开。通过改变阀门28上的流量设定，限制了所述流量，并抑制了飞轮的进动。比例流量控制阀28由专门的放大器控制。作为自动防故障的措施，如果将电能从控制系统上移除(或者如果系统处于误差状态)，比例控制阀28会关闭，阻止流体通过。同时，电子激活定向流量控制阀(打开/关闭)30会打开，以允许油流过手动可调压力补偿的比例流量控制阀32。定向流量控制阀30与手动可调比例流量控制阀32串联连接，并且二者顺列地与电子控制比例流量控制阀28并联连接。定向控制阀30通常是打开的(当不通电时)。为了维持阀门30关闭以用于正常的回转稳定器运转，需要对电磁铁线圈通电。
手动设定减压阀34也串联地设置，并且与电子控制比例流量控制阀28并联，以确保通过控制阀的压降不会超过液压系统的设计压力。该减压阀的设定值有效地给施加到进动轴的进动控制扭矩定一个上限。压力式过滤器36将杂质从电路的液压液中移除。如果需要，可以提供液压液热交换器38和液压蓄能器40。此外，具有内置过滤的任选的手动液压液泵系统42可与液压控制流体贮藏设备44连接，以根据需要允许初始液压系统填充和系统流体再填充或替换。在此实施例中，对进动轴制动扭矩的控制在微型可编程逻辑控制器(或类似物)处理器模块内完成。电力超正析象管由连接到控制器处理器模块的超正析象管模块操纵。比例液压流量流控制阀优选地由超正析象管模块驱动，包含平稳进动控制算法(Halcyonprecession control algorithms),该平稳进动控制算法优选地使用横摇角和/或进动角作为反馈。参见图I至图9，示出本发明的回转稳定器控制系统和方法的第一实施例。在一些情形中，船舶横摇信息不能用于控制系统。图7是自适应控制系统的示意图，其中，仅使 用陀螺仪进动信息作为反馈来维持回转稳定器控制。通过仅利用飞轮进动角及其计算导数作为测量的过程控制变量，控制系统不需要描述环境条件的信息。这限制了故障点的数目，简化以及减少了产品成本，同时维持了卓越的运动减弱性能。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。本发明优选的控制系统和方法通过仅施加合适的进动轴抵抗性扭矩来控制飞轮进动。这是重要的，因为不需要为控制进动轴旋转的致动器提供动力。这减少了需要供应给回转稳定器的动力，从而使回转稳定器更高效。图7的控制系统采用自动增益控制(AGC)进动控制器60。自动增益控制采取具有固定周期(通常为乘以因子降低以提供一些保守性的船舶横摇运动的自然周期)的正弦运动输入，以能够估计最大进动率。这意味着自动增益控制擅长估计中期增益，而不擅长使用中的运动不是纯粹的谐振动而实际为在周期的窄带内的随机运动的周期循环。例如，当船舶改变船首、速度或当波浪高度和/或周期改变时，横摇运动变化，导致随机进动运动。为了适应或反作用于使用中呈现的随机进动运动，当自动增益控制进动控制器60产生与进动率成比例的进动扭矩控制增益时，进动角和/或进动率用于使此增益适应波浪到波浪原理(wave to wave basis)。在初始状态，图7的系统以预定的增益系数开始，预定的增益系数设定成高水平以防止回转稳定器超过最大进动角。然而，在使用中，图7的系统以总会逐渐减小(或者斜降)的增益系数运转，以使陀螺仪飞轮12尽可能多地扩大进动，也就是进动越大，横摇稳定力矩越大。该连续的增益变化提供了对海况和航行条件的变化的适应性。该系统有效地预测达到最大进动的可能性。如果此情况由自动增益控制进动控制器60检测，那么增益会快速增加以提供制动进动扭矩。一旦此情况终止，本系统会再次试图使增益逐渐减小。这导致图8中所示的锯齿状特性。对可能的最大允许进动角(通常为60°至70° )的检测通过监测进动率及将其与阈值比较而完成。既然进动率导引进动角，这获得了用于可能进动约束违例情况的预报机构。如果达到及超过阈值，那么控制系统的增益与超过阈值的程度成比例增长。然而，如果自动增益控制进动控制器60中的进动率阈值设定为保守的低水平以避免进动角超过最大允许进动角(例如，以防止回转稳定器机构到达图6中的缸24的行程的末端)，那么使用期间的实际进动角受到极大的限制，限制由回转稳定器提供的运动减弱的总量。此外，需要注意的是，在图7所示的回转稳定器控制系统的实施例中，自动增益控制控制器仅预测使用进动反馈信息的情况发生的可能性。控制器的性能不考虑回转稳定器10修正船舶2的行为。即不考虑系统的反馈结构的影响。忽略这些效果可增加两种类型的误差的可能性假警报和丢失检测。为了 允许自动增益控制控制器60中的进动率阈值设定成更宽松、更高水平以在可能的地方给予更多运动减弱，以及 监测误差，比如假警报和/或丢失检测，如图9所示，提供了安全和状况监测系统62。所述安全和状况监测系统仅监测和限制进动角、进动率或进动角和进动率。图10显示了三种类型的情况，该三种类型的情况都超过至少进动率或进动角阈值，包括假警报误差和丢失检测误差。在情况类型I中，进动率和进动角都超过了它们各自的阈值。在情况类型2中，在假警报的情况下，进动率超过阈值，但进动角未超过阈值，因此如果安全和状况监测系统62仅监测进动率，那么增益会不必要地增加。这会相对于横摇减少暂时降低系统的性能。然而，仍可希望监测和限制进动率以限制峰值扭矩以及避免回转稳定器机构过负荷。然而情况类型3中，丢失检测误差(进动率未超过阈值，而进动角超过阈值)可导致陀螺仪飞轮达到进动行程界限。因此，安全和状况监测系统62应该至少监测进动角，如图11所示，以检测该状况以及增加控制命令增益以将制动器施加到陀螺仪进动。在该布置的情况下，所述安全和状况监测系统有效地充当进动角限幅器62。优选地，如图12所示，所述安全和状况监测系统62监测进动角和进动率，因此有效地充当进动角限幅器62a和进动率限幅器62bο进动角和进动率限制控制功能方框捕获这些误差，与自动增益控制控制功能方框相结合而产生强大的自适应控制器。所述安全和状况监测系统62仅在进动角以高速接近最大(70° )时作用于陀螺仪致动器22，自动增益控制进动控制器60没有使致动器命令增加到必要的程度(丢失检测误差)。所述安全和条件监测能够与自动增益控制集成或串联操作或如所示并联操作(至少有效)，既然当需要时，安全和条件监测通常会生产高增益信号，当该高增益信号与来自自动增益控制的命令增益相加(例如通过总计方框64)时，会生产能够发出进动控制扭矩增加的信号的高增益。传感器和过滤器64仅提供进动角的测量值。这些测量值被过滤以减少噪声，同时估计需要的信号的导数和积分。当回转稳定器(仅)由进动轴的制动来控制时，可将进动运动仅作为输入来获得在这里所讨论的自适应控制。然而，如果进动轴被驱动，通常有必要测量船舶运动特性，比如横摇角和/或侧倾率。图13显示了表示自动增益控制自适应进动控制器(图11和图12中的项目60)的第一示例的方框示意图。当进动率小于进动率阈值时，进动角过冲量会是负值。在此情况下，积分器以负反馈环圈连接，增益会成指数衰减。然而，如果进动率超过阈值，积分器以正反馈环圈连接，同时进动率过调节。这通过将过冲量的量值作为系数使用以计算出积分器的输入来获得。正反馈确保阻尼增益(B)十分快速的增长，阻尼增益(B)减缓陀螺仪的进动，并防止陀螺仪到达进动角界限。理论上，当进动角接近界限时，控制器仅使用用于高(阻尼)增益的正反馈，当进动角从该界限缩减时，回复为降低的或较低的(阻尼)增益。图14显示了自动增益控制自适应进动控制器60的第二示例的类似的方框图，该自动增益控制自适应进动控制器使用作为进动角和/或进动率的函数的导出过程变量代替进动率，使用过程变量阈值代替进动率阈值。 在该情况下，当导出过程变量超过预定的过程变量阈值时，自动增益控制增加了增益系数。可选择地，控制系统运行导出过程变量的预定模块以允许自动增益控制增益系数基于估计的导出过程变量的未来状态而变化。可选择地，图7的控制系统还可供应有涉及横摇角的信息，以提供用于进动传感器故障调节的机构。在正常操作中，只使用由传感器64提供的进动角以及估算的进动率。如果该传感器发生故障，可使用通过观测器观测的涉及横摇角和侧倾率的信息，以模拟和估算进动运动，估算的数值可用于自动增益控制进动控制器60。在这种情况下，横摇传感器仅用于再现进动信息，而不用于为预测建立数学模型。然而，优选地，提供仅通过传感器冗余，即通过提供的多个进动传感器的传感器容错。现在已经详细描述了回转稳定器控制系统和方法的优选实施例，需要明白的是，所描述的实施例提供了超过现有技术的许多优点，包括( i )自适应控制模块仅基于进动角信号提供良好的进动轴控制，而不需要船舶运动传感器。这从系统中移除了一个故障点，简化了系统，降低了成本。(ii)使与船舶横摇运动同相的进动角最大化，而不超过进动角或进动率界限的控制方案确保在不引入与未稳定的横摇运动异相的干扰扭矩的情况下，产生最大陀螺扭矩。这确保当环境条件改变时(波浪、风遭遇角等)，以及当船舶负荷构造和速度改变时，回转稳定器控制系统适应和提供最大可能的运动减弱扭矩，同时避免不希望的效果，比如异相加速度、进动角接近90度时不连续以及控制系统不稳定。(iii)使与船舶横摇运动同相的进动角最大化，而不超过进动角或进动率界限的控制方案可在没有复杂的数值预测的情况下获得，提供能够在低成本数值处理器的宽范围内实施的耐用和高性能解决方案。对相关领域技术人员来说，应当明白在不脱离本发明的基本发明理念的情况下，可以对前述实施例以及已经描述的实施例进行各种修改和改进。
权利要求
1.一种用于使由波浪行为引起的浮船运动稳定的回转稳定器控制系统，所述控制系统包括 第一感测装置，用于感测所述回转稳定器的飞轮的进动； 控制装置，用于产生控制信号以增加所述回转稳定器的飞轮的进动，直到基于感测的进动而估计到所述进动会超过预定的界限；以及 致动器，对所述控制信号做出响应以将进动控制扭矩施加到所述回转稳定器的飞轮，由此，在使用中，可以获得仅基于所述回转稳定器的飞轮的进动而对船舶运动的自适应控制。
2.如权利要求I所述的回转稳定器控制系统，其中，所述进动控制扭矩是抵抗性控制扭矩，使得所述致动器不给所述飞轮提供绕进动轴的动力。
3.如权利要求I所述的回转稳定器控制系统，其中，对所述控制信号做出响应以将进动控制扭矩施加到所述回转稳定器的飞轮的所述致动器提供作用为仅抵抗所述飞轮的所引起进动运动的进动轴阻尼控制信号。
4.如权利要求I至3任一所述的回转稳定器控制系统，其中，所述控制信号是飞轮进动轴抵抗性增益，所述增益逐渐减少，以允许所述飞轮在不超过预定的最大进动角范围的情况下尽可能多地扩大被引起的进动，。
5.如权利要求I所述的回转稳定器控制系统，其中，所述控制装置采用自动增益控制器(AGC)。
6.如权利要求5所述的回转稳定器控制系统，其中，所述自动增益控制器具有进动制动增益系数，所述进动制动增益系数斜降以使所述回转稳定器的飞轮在预定的进动角范围内尽可能多地扩大进动。
7.如权利要求6所述的回转稳定器控制系统，其中，当估计到导出过程控制变量(基于所述进动角和/或其导数)会超过预定的界限时，所述自动增益控制器以一定数量或与估计过冲量成比例的数量逐步增加所述进动制动增益系数，以给所述回转稳定器的飞轮的进动轴提供增加的制动进动控制扭矩，旨在防止超出预定的进动角界限。
8.如权利要求7所述的回转稳定器控制系统，其中，所述控制系统运行所述导出过程变量的预测模型，以允许自动增益控制进动制动增益系数基于所述导出过程变量的估计的未来状态而变化。
9.如权利要求6所述的回转稳定器控制系统，其中，进动角限制控制功能与所述自动增益控制串联或并联作用，以防止所述进动角超过预定的界限。
10.如权利要求6所述的回转稳定器控制系统，其中，进动率限制控制功能与所述自动增益控制串联或并联作用，以防止所述进动率超过预定的界限。
11.如权利要求I所述的回转稳定器控制系统，其中，所述第一感测装置感测进动角。
12.如权利要求11所述的回转稳定器控制系统，其中，所述控制装置估计进动率和/或加速度作为额外的过程控制变量。
13.如权利要求11所述的回转稳定器控制系统，其中，所述控制系统还包括用于感测所述进动率作为额外的过程控制变量的装置。
14.如权利要求11所述的回转稳定器控制系统，其中，所述控制系统还包括用于感测所述进动加速度作为额外的过程控制变量的装置。
15.如权利要求13所述的回转稳定器控制系统，其中，在所述第一感测装置发生故障期间，所述控制系统使用感测的进动率估计所述进动角，所估计的进动角代替感测的进动角。
16.一种用于使由波浪行为引起的浮船运动稳定的回转稳定器控制方法，所述控制方法包括以下步骤 感测所述回转稳定器的飞轮的进动； 产生控制信号以增加所述回转稳定器的飞轮的进动，直到基于所述感测的进动可以估计到所述进动会超过预定的界限；以及 响应于所述控制信号而将进动控制扭矩施加到所述回转稳定器的飞轮，由此，在使用中，可以获得仅基于所述回转稳定器的飞轮的进动而对船舶运动的自适应控制。
17.如权利要求16所述的回转稳定器控制方法，其中，施加进动控制扭矩的步骤包括提供进动轴制动扭矩，但不包括供应绕所述进动轴的动力。
18.如权利要求16所述的回转稳定器控制方法，其中，产生控制信号的步骤采用自动增益控制(AGC)，所述自动增益控制以增益系数操作，所述增益系数逐渐减少以使所述飞轮在预定的范围内尽可能多地扩大进动。
19.如权利要求18所述的回转稳定器控制方法，其中，所述自动增益控制包括如下步骤增加所述增益系数，然后，当导出过程变量超过预定的界限时，继续使所述增益系数斜降，直到所述导出过程变量再次超过所述界限。
20.如权利要求19所述的回转稳定器控制方法，还包括运行所述导出过程变量的预测模型以允许所述自动增益控制增益系数基于所述导出过程变量的估计的未来状态而变化的步骤。
21.如权利要求18或19所述的回转稳定器控制方法，包括与降低或增加所述自动增益控制增益系数的步骤串联以防止所述进动角超过预定的界限的用于限制进动角的步骤。
22.如权利要求18或19所述的回转稳定器控制方法，包括与降低或增加所述自动增益控制增益系数的步骤串联以防止所述进动率超过预定的界限的用于限制进动率的步骤。
23.—种结合任何一个或多个附图在此所基本描述的及在任何一个或多个附图中示出的回转稳定器控制系统。
24.—种结合任何一个或多个附图在此所基本描述的及在任何一个或多个附图中不出的回转稳定器控制方法。
全文摘要
一种仅基于进动信息而使海船运动稳定的回转稳定器控制系统和方法。所述控制系统采用自动增益控制(AGC)进动控制器(60)。该系统利用增益系数操作，所述增益系数总逐渐最小化以使所述陀螺仪飞轮(12)尽可能多地扩大进动，也就是进动越大，横摇稳定力矩越大。该连续增益变化提供对海况及航行条件变化的适应性。该系统有效地预测最大进动到来的可能性。如果检测到了这种情况，那么所述增益会快速增加以提供制动进动扭矩。一旦这种情况过去，所述系统会再次试图逐渐降低增益。
文档编号B63B39/04GK102859322SQ201180019556
公开日2013年1月2日 申请日期2011年2月17日 优先权日2010年2月17日
发明者P.D.斯坦曼, T.佩雷斯 申请人:维姆有限责任公司