﻿ 基于液压控制技术的船舶自动应急抗倾覆装置设计
 舰船科学技术  2024, Vol. 46 Issue (11): 54-57    DOI: 10.3404/j.issn.1672-7649.2024.11.010 PDF

Design of an automatic emergency anti-capsizing system for ships utilizing hydraulic control technology
GU Yongfeng
School of Naval Architecture and Intelligent Manufacturing, Jiangsu Maritime Institute, Nanjing 211170, China
Abstract: Ships are susceptible to capsizing accidents due to the impact of waves during navigation, posing a significant threat to the safety of personnel. Based on the study of the Conolly ship rolling model, this paper proposes a design scheme for an automatic emergency anti-capsizing device for ships that utilizes hydraulic control technology. The scheme suggests using fin stabilizers to reduce the roll amplitude of the ship and employs a closed-loop control strategy involving a DSP controller and the Conolly ship rolling model to achieve the purpose of automatic emergency anti-capsizing. By receiving signals from the lift force sensor, stroke feedback, and angle feedback, the system calculates the optimal control signal, which is then sent to the hydraulic cylinder to drive the fin stabilizer. This generates a torque opposite to the direction of the ship's roll. The system can dynamically respond to changes in sea conditions and ship movement. A simulation of the automatic emergency anti-capsizing device was conducted, and the results indicate that the system has good adaptability and real-time performance.
Key words: anti-overturning     hydraulic control     roll     stabilizer fin
0 引　言

1 船舶横摇模型 1.1 Conolly船舶横摇模型

 $D\text{h}\theta +\sigma \theta +({J}_{x}+\Delta {J}_{x})=-(\Delta {J}_{x}{\beta }_{1}+\sigma {\beta }_{1}+Dh{\beta }_{2})。$ (1)

 ${\beta _1} = {\beta _{11}}\sin {\omega _e}t \text{，}$ (2)
 ${\beta _2} = {\beta _{22}}\sin {\omega _e}t \text{。}$ (3)

 $G(S) = \frac{{\theta (s)}}{{{\beta _2}(s)}} = \frac{1}{{1 + T_\theta ^2{s^2} + 2{T_\theta }\sigma s}} \text{。}$ (4)

 $\theta ={\theta }_{u}\mathrm{sin}({\omega }_{t}-{\epsilon }_{\theta }) 。$ (5)

1.2 P-M谱

P-M谱的数学表达式为：

 $S(\zeta)=\frac{0.78}{{\zeta }^{5}}\text{exp}\left(-\frac{3.11}{{\zeta }^{4}{H}_{S}^{2}}\right) \text{。}$ (6)

 图 1 P-M谱分布情况 Fig. 1 The distribution of P-M spectrum

2 基于液压控制技术的自动应急抗倾覆装置设计 2.1 减摇鳍基本结构

 图 2 开襟式减摇鳍结构 Fig. 2 Cardigan fin structure
2.2 系统设计

 图 3 船舶自动应急抗倾覆装置结构 Fig. 3 Structure of ship automatic emergency anti-capsizing device

1）Conolly船舶横摇模型。用于模拟船舶在海浪中横摇行为的数学模型。该模型用于预测船舶在不同海况下的横摇响应，以及评估减摇系统的效果，在初始化后将得到的结果输入到DSP控制器，实现对船舶抗倾覆装置的控制。

2）DSP控制器。DSP代表数字信号处理器（Digital Signal Processor），这是一种专门为快速数字信号处理而设计的微处理器。在船舶自动应急抗倾覆装置中，DSP控制器负责接收船舶运动的实时数据（如横摇角度、升力传感器、行程、船舶速度等），并根据预设的控制算法快速计算出控制信号，以调节自动应急抗倾覆装置的工作状态。

3）液压缸。液压缸是一种将液压能转换为直线运动机械能的设备。在船舶自动应急抗倾覆装置中，液压缸是核心元件，用于驱动减摇鳍以产生与船舶横摇运动相反的力矩，从而减少船舶的横摇，提升船舶的稳定性。

4）减摇鳍。减摇鳍是一种广泛使用的船舶减摇装置，通常安装在船体两侧。通过调整减摇鳍的角度，可以产生升力，这个升力与船舶的横摇方向相反，有助于减少船舶的摇摆。

5）行程反馈、角度反馈以及升力传感器。行程反馈用于监测液压缸或减摇鳍的移动距离或“行程”，角度反馈监测的是减摇鳍或其他减摇装置的当前角度，升力传感器用于测量减摇鳍产生的升力大小。通过行程反馈、角度反馈以及升力传感器，控制系统可以精确地知道减摇装置的当前位置、角度以及升力情况，这个信息可以反馈给DSP控制器，以便进一步根据实际的信号变化来调整控制算法，优化控制信号，确保减摇鳍以最有效的方式工作。

2.3 系统仿真

 图 4 船舶横摇角跟踪仿真 Fig. 4 Simulation of ship roll angle tracking

 图 5 船舶横摇角控制效果仿真 Fig. 5 Simulation of ship roll angle control effect
3 结　语

1）Conolly船舶横摇模型可以有效对船舶横摇情况进行计算，进而对船舶横摇的情况进行跟踪，是实现船舶自动应急抗倾覆功能的重要组成部分。

2）DSP控制器通过接收来自升力传感器、行程反馈和角度反馈的信号，可以计算出最优的控制信号发送给液压缸，以驱动减摇鳍实现对减摇鳍的闭环控制。

3）系统仿真结果表明系统能够实现对船舶横摇角的实时跟踪，可以有效减少船舶横摇角的幅值，实现船舶自动应急抗倾覆的目的，系统具有较好的适应性和实时性。

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