本實用新型涉及一種控制裝置，特別涉及一種適用于高速船舶的艉部截流器裝置。

背景技術(shù)：

近年來，隨著交通工具的高速化，出現(xiàn)了一系列的新型高速船型包括高速單體快艇、穿浪雙體高速船等。高速船舶的局限性為其在低速轉(zhuǎn)向高速航行時，船體吃水逐漸減少，容易受到風(fēng)、浪、流等外部干擾的影響，從而引起船體較大幅度的搖蕩，尤其體現(xiàn)在縱向運動上。

為提高高速船舶的適航性和船員的舒適度，研究通過改進(jìn)船舶線型來改善其耐波性收效甚微，而通過加裝附體來減小船舶的搖蕩取得的效果較為顯著。目前應(yīng)用于船舶姿態(tài)控制的減搖鰭、減搖水艙和減搖陀螺等主要用于減小船舶的橫搖運動，且裝置重量、占艙空間、動態(tài)響應(yīng)時間等局限性使其無法在高速船舶具有良好的應(yīng)用。當(dāng)前高速船舶的應(yīng)用領(lǐng)域越來越廣泛，船舶行業(yè)對適航性概念不斷重視，也對高速船舶運動姿態(tài)控制裝置提出了更高的要求。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

為了解決船舶高速航行時橫向和縱向運動控制及轉(zhuǎn)向時失速等技術(shù)問題，本實用新型提供了一種適裝于高速船舶的截流器裝置，采用電動伺服驅(qū)動裝置執(zhí)行機(jī)構(gòu)截流板運動，從而改變船體表面的壓力分布，產(chǎn)生升力，對船形成與擾動力矩相抗衡的穩(wěn)定力矩，達(dá)到控制船舶運動姿態(tài)的效果。

為實現(xiàn)上述目的，本實用新型的技術(shù)方案是：一種高速船舶艉部截流器裝置，包括駕駛室顯示控制單元、中央控制單元、驅(qū)動供電箱、伺服驅(qū)動單元組、執(zhí)行機(jī)構(gòu)組，駕駛室顯示控制單元接收操作人員的控制指令信號，中央控制單元采集船舶橫搖、縱搖和垂蕩三自由度姿態(tài)信號以及航速信號、舵令信號，經(jīng)核心控制模塊解算輸出控制指令信號，并通過CAN總線將控制指令信號發(fā)送至各伺服驅(qū)動單元組，驅(qū)動各執(zhí)行機(jī)構(gòu)組帶動截流板運動，所述各伺服驅(qū)動單元組接收截流板的狀態(tài)反饋信號，將接收到的狀態(tài)反饋信號傳送到中央控制單元進(jìn)行處理，并通過駕駛室顯示控制單元的人機(jī)交互界面進(jìn)行行程狀態(tài)指示和報警顯示。

所述中央控制單元內(nèi)部通過RS232接收船舶姿態(tài)測量傳感器信號，外部分別通過RS485接收GPS信號或通過DI接收計程儀信號，通過AI接收操舵信號，通過LAN與駕駛室控制顯示單元網(wǎng)口通信。

本實用新型的有益效果是：

本實用新型的高速船舶艉部截流器裝置及控制方法，能實現(xiàn)對高速船舶的縱傾及橫傾調(diào)節(jié)、實時運動姿態(tài)控制、協(xié)同轉(zhuǎn)向控制及輔助操舵控制，裝置可靠性高、結(jié)構(gòu)簡單、安裝便捷，對高速船舶的運動姿態(tài)控制效果明顯，有效提高了高速船舶的適航性能。

附圖說明

圖1為本實用新型的高速船舶艉部截流器裝置工作原理示意圖；

圖2為本實用新型的高速船舶艉部截流器裝置結(jié)構(gòu)框圖；

圖3為本實用新型的艉部截流器在高速單體船艉部安裝示意圖；

圖4為本實用新型的艉部截流器在穿浪雙體高速船艉部安裝示意圖；

圖5為本實用新型的高速船舶艉部截流器裝置控制裝置原理框圖；

圖6為本實用新型的高速船舶艉部截流器裝置執(zhí)行機(jī)構(gòu)示意圖；

圖7為本實用新型的高速船舶艉部截流器裝置控制功能模塊圖。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖與實施例對本實用新型作進(jìn)一步說明。

如圖1所示，截流器執(zhí)行機(jī)構(gòu)安裝在高速船舶艉部，它能改變船體周圍流場和船體受力。在截流器周圍，特別是截流器的前方，流體的速度和壓力較不帶截流器的情況下會有很大的改變。盡管截流器也在船體上產(chǎn)生了阻力，但只要高度行程選取合適，這個阻力的作用可以忽略。截流板的運動改變了船體表面的壓力分布，在船體上產(chǎn)生縱傾力矩，減小縱傾角。截流板在垂直方向運動，從而改變船體表面的壓力分布，產(chǎn)生升力，對船形成與擾動力矩相抗衡的穩(wěn)定力矩。截流板在水平方向運動，可產(chǎn)生輔助船舶轉(zhuǎn)舵的力矩。

如圖2所示高速船舶艉部截流器裝置結(jié)構(gòu)框圖，其組成有駕駛室顯示控制單元、中央控制單元、驅(qū)動供電箱、伺服驅(qū)動單元組、執(zhí)行機(jī)構(gòu)組（含截流板，分為左側(cè)水平安裝組、右側(cè)水平安裝組、左側(cè)垂直安裝組、右側(cè)垂直安裝組）。高速船舶在波浪力矩的作用下發(fā)生搖蕩，尤其體現(xiàn)在縱向運動上，中央控制單元通過對船舶姿態(tài)、航速和操舵指令等信號的解算，輸出各組執(zhí)行機(jī)構(gòu)截流板行程控制指令，繼而各截流板根據(jù)信號進(jìn)行垂向和水平動作，實現(xiàn)運動姿態(tài)控制和輔助轉(zhuǎn)舵功能。艉部截流器裝置可分別適用于高速單體船和穿浪雙體高速船，裝置在這兩種船型艉部的安裝示意圖分別如圖3和圖4所示。

如圖5所示為高速船舶艉部截流器裝置控制裝置原理框圖。中央控制單元分別通過LAN與駕駛室控制顯示單元網(wǎng)口通信，通過串口（COM2）接收GPS信號（或通過DI接收計程儀信號），通過1路AI接收操舵指令，通過CAN總線向各伺服驅(qū)動單元組輸出執(zhí)行機(jī)構(gòu)行程控制指令，并接收狀態(tài)反饋信號和報警信號。

伺服驅(qū)動單元組根據(jù)控制裝置中中央控制模塊輸出的指令信號，驅(qū)動執(zhí)行機(jī)構(gòu)截流板動作，是裝置核心控制部件，如圖6所示。實時自動運動姿態(tài)控制和輔助操舵控制時，控制裝置通過控制驅(qū)動機(jī)構(gòu)20實現(xiàn)對截流板10伸出行程的調(diào)節(jié)，改變船體周圍流場和船體受力，從而達(dá)到船體姿態(tài)調(diào)節(jié)的目的。

圖7所示為高速船舶艉部截流器裝置控制功能模塊圖，裝置功能模式主要分為基本模式（手動縱傾控制、手動橫傾控制）和自動控制模式（自動縱傾控制、自動橫傾控制、實時姿態(tài)控制、協(xié)同轉(zhuǎn)向控制、輔助操舵控制）。其中輔助操舵控制模式由垂直安裝的執(zhí)行機(jī)構(gòu)截流板動作實現(xiàn)，其余控制模式均由水平安裝的執(zhí)行機(jī)構(gòu)截流板動作實現(xiàn)，輔助操舵模式和其他自動控制模式結(jié)合使用。以下分別對各模式控制方法進(jìn)行說明：

①基本模式（手動橫傾控制/手動縱傾控制）：通過駕駛室控制顯示單元的人機(jī)界面對船舶當(dāng)前橫傾/縱傾角目標(biāo)值進(jìn)行調(diào)節(jié)，中央控制模塊通過解算目標(biāo)值與當(dāng)前值的比較，解算裝置需提供的穩(wěn)定力矩，轉(zhuǎn)化為執(zhí)行機(jī)構(gòu)組Ⅰ1和執(zhí)行機(jī)構(gòu)組II2的行程控制指令輸出至伺服驅(qū)動單元組I和伺服驅(qū)動單元組II，分別驅(qū)動相應(yīng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)運動；

②自動縱傾控制模式：船舶高速航行時，水下片體產(chǎn)生的縱傾力矩改變船的縱向姿態(tài)。裝置中央控制單元存儲有船舶縱傾控制策略的專家?guī)欤?dāng)船舶高速航行時，根據(jù)當(dāng)前海況選擇相應(yīng)的控制策略，中央控制單元可根據(jù)當(dāng)前船舶縱向姿態(tài)信號和航速信息進(jìn)行處理解算獲得當(dāng)前船舶縱傾角度，實時輸出執(zhí)行機(jī)構(gòu)組Ⅰ1和執(zhí)行機(jī)構(gòu)組II2的垂向行程控制指令，產(chǎn)生相應(yīng)的縱傾力矩，將船舶的縱傾角減小至設(shè)定值，實現(xiàn)對船舶的自動縱傾控制；

③自動橫傾控制模式：當(dāng)船舶發(fā)生載重不平衡、在橫風(fēng)中航行等情況下，船體產(chǎn)生橫傾。中央控制單元可根據(jù)當(dāng)前船舶橫向姿態(tài)信號和航速信息進(jìn)行處理解算獲得當(dāng)前船舶橫傾角度，實時調(diào)節(jié)執(zhí)行機(jī)構(gòu)組Ⅰ1和執(zhí)行機(jī)構(gòu)組II2截流板不同的垂向行程，產(chǎn)生相應(yīng)的橫傾力矩，將船舶調(diào)整至裝置設(shè)定的橫傾角度（通常為0°），實現(xiàn)對船舶的自動橫傾控制。當(dāng)船舶在轉(zhuǎn)向時，控制裝置自動暫停橫傾調(diào)節(jié)功能，提高船舶的轉(zhuǎn)彎效率；

④實時姿態(tài)控制模式：裝置中央控制單元通過實時采集的船舶三自由度姿態(tài)信號和航速信號，對執(zhí)行機(jī)構(gòu)組Ⅰ1和執(zhí)行機(jī)構(gòu)組II2進(jìn)行實時控制，可將高速船舶在任意海況、各個航速下調(diào)節(jié)至最優(yōu)姿態(tài)，從而減小船的縱搖角度和垂蕩加速度；通過對執(zhí)行機(jī)構(gòu)組Ⅰ1和執(zhí)行機(jī)構(gòu)組II2截流板的差動控制，有效減小船的橫搖角度；同時控制裝置對船舶縱向運動控制和橫向運動控制指標(biāo)進(jìn)行動態(tài)分配，實現(xiàn)船舶高航速下綜合姿態(tài)控制性能最優(yōu)；

⑤協(xié)同轉(zhuǎn)向控制模式：在大多數(shù)情況下，橫傾角在轉(zhuǎn)彎時有助于船舶獲得更高的轉(zhuǎn)向速度并增加乘客的舒適度。裝置中央控制單元實時采集船舶轉(zhuǎn)彎時的方向舵位置信號，用來自動控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)組Ⅰ1和執(zhí)行機(jī)構(gòu)組II2隨舵位進(jìn)行相應(yīng)的運動，例如，向左轉(zhuǎn)向時，執(zhí)行機(jī)構(gòu)組Ⅰ截流板伸出，有效地減小轉(zhuǎn)彎直徑，獲得更好的轉(zhuǎn)向速度；

⑥輔助操舵模式：針對采用噴水推進(jìn)方式的高速船舶，在使用噴泵轉(zhuǎn)向時會產(chǎn)生明顯的失速現(xiàn)象，增加能源的消耗。裝置中央控制單元實時采集操舵指令信號，調(diào)節(jié)垂直安裝的執(zhí)行機(jī)構(gòu)組III3和執(zhí)行機(jī)構(gòu)組IV4截流板水平行程可以產(chǎn)生相應(yīng)的轉(zhuǎn)向力而不會造成較大的失速現(xiàn)象。當(dāng)船舶僅需要較小的方向調(diào)整時，可直接利用輔助操舵功能來實現(xiàn)；而方向調(diào)整指令較大時，可采用噴泵和截流器裝置相輔助來增加轉(zhuǎn)向力，并減小船舶的回轉(zhuǎn)半徑；

通常情況下，在平靜海況下，高速船舶艉部截流器裝置使用自動縱傾控制（自動橫傾控制）模式，并可結(jié)合協(xié)同轉(zhuǎn)向控制；在劇烈海況下，使用實時姿態(tài)控制模式，實時調(diào)節(jié)船舶最優(yōu)的運動姿態(tài)。同時裝置輔助操作功能可在船舶不同轉(zhuǎn)向需求下使垂直安裝的執(zhí)行機(jī)構(gòu)參與方向調(diào)整，減小船舶轉(zhuǎn)向時的失速問題，高效節(jié)能，符合當(dāng)前節(jié)能減排造船的方向。