Brevet FR2027366A1 — publié le 19700925

la présente invention concerne une installation pour la stabilisation transversale d'un navire. Il existe des installations de stabilisation anti-roulis , pour navires, du type à ailerons. Bans ces installations, une 5 ou plusieurs paires d'ailerons débordent des flancs du navire et, en s1inclinant plus ou moins par rapport à la direction des filets d'eau qui entourent ce navire quand il avance, lui impriment un couple destiné à s'opposer au couple produit par les ondes de la mer et qui tend à faire donner de la "bande au navi-10 re même. Le système calculateur mécanique ou électronique, qui commande les ailerons erft généralement constitué par des organes sensibles au mouvement angulaire, tel qu'un clinomètre, un gyroscope et un accéléromètre angulaire qui relèvent à tout ins-15 tant le roulis du navire. Le système calculateur transmet aux -ailerons , en fonction des données ainsi relevées, un signal dit de "poussée ordonnée" destiné à rééquilibrer à tout instant le régime de mouvement du navire. L'ordre d'exercer une certaine poussée transmis par le calculateur aux ailerons se traduit par 20 une rotation d'un certain angle des deux ailerons de droite et de gauche, naturellement en sens inverse l'un de l'autre, de manière à engendrer tua eouple qui s'oppose au roulis du navire. Mais, tandis qu'elles constituent d'excellents stabilisateurs quand la vitesse du navire est proche de sa vitesse de croisière» 25 ou, à la limite, jusqu'à environ 10 noeuds, ces installations à ailerons activées sont par contre inefficaces quand le navire est arrêté ou voyage à vitesse réduite. il existe aussi des installations de stabilisation dites "à ballasts équilibrés" pour lesquelles est prévue au moins une 30 paire de ballasts situés sur une même perpendiculaire au plan vertical longitudinal de symétrie du navire et à égales distances de ce plan même (et disposés, en particulier, contre les flancs du navire), ces ballasts étant remplis d'un liquide (de l'eau douce de préférence) qui peut être transféré de l'un à 35" l'autre par au moins un conduit pourvu de moyens de pompage permettant d'effectuer ce. transfert avec un débit instantané déterminé par un signal dit "de débit ordonné" qui est fonction de l'angle, de la vitesse et de l'accélération d'inclinaison du navire par rapport à sa position stabilisée. 0e signal est 40 également obtenu au moyen d'un clinomètre, d'un gyroscope et 69 45402 ~2~ 2027366 d'un accéléromètre angulaire et constitue l'ordre de débit ordonné qui actionne les moyens de pompage (dans la pratique, une pompe ordinaire à débit variable) de telle sorte que ceux-ci transfèrent le liquide d'un ballast à l'autre avec un débit tel , i 5 qu'il s'oppose au couple qui tend à faire donner de la bande au navire et qu'il tendra à ramener celui-ci à sa position stabilisée. Tandis qu'elles ne saliraient remplacer les installations à ailerons activés aux grandes vitesses à cause de la forte 10 puissance motrice qu'elles requièrent (-d'où les frais d'exploitation plus élevés), ces installations à ballasts équilibrés sont par contre très efficaces aux petites vitesses et quand le navire est arrêté, en particulier quand on veut embarquer une -rame de wagons de chemins de fer s'avançant sur des rails dis-15 posés de part et d'autre le long du navire dans le cas des ferry-boats, ou plus simplement des charges très lourdes et tendant à faire donner de la bande au navire. Toutefois la stabilisation n'est pas parfaite, mima avec ces installations à ballasts équilibrés, quand la navire est 20 arrêté ou voyage à petite vitesse car il est impossible de réaliser un moyen de pompage hydraulique à débit variable qui soit en mesure de satisfaire à une loi suffisamment linéaire et pouvant se répéter entre le débit ordonné et le débit réalisé, quelles que soient les conditions de fonctionnement. 25 . La présente invention a pour but de réaliser une installa tion de stabilisation à ballasts équilibrés particulièrement apte à redresser un navire quand on embarque de lourdes' chairges ou quand il donne de la bande à l'arrêt, et qui assure une meilleure stabilisation en réduisant l'action qu'exercent sur 30 celle-ci des erreurs inévitables entre le débit ordonné et le débit obtenu. Ge but est atteint en mesurant et transformant le débit obtenu en un signal qui est, à son tour, fonction de l'angle^de la vitesse et de l'accélération d'inclinaison et qui est compa-35 ré au signal de débit ordonné pour donner un signal différence constituant le signal de commande des moyens de pompage. 11 est évident qu'en rendant ainsi la fonction de transfert entre débit réalisé et signal correspondant inverse de celle qui existe entre le signal de débit ordonné et de débit réalisé^ on obtient 40 une confrontation continue entre le signal relatif au débit COPY 69 45402 -3- 2027366 ordonné et le signal relatif au débit réalisé, comparaison qui tend à modifier le signal de commande des moyens de pompage en fonction des variations du débit réalisé provoquées par d'éventuelles perturbations. D'autre part, en même temps qu'agissent 5 le clinomètre, le gyroscope et 1'accéléromètre, le navire lui-même assure la transduction entre le débit obtenu et le signal de déséquilibrage, de sorte qu'on a deux boucles de rétroaction qui assurent, par leur ensemble, à tout instant, la stabilisation du navire contre les déséquilibres provoqués par 1'embargo quement de charges déséquilibrantes et/ou par les ondes de la mer et contre d'éventuelles perturbations tendant à modifier la . loi qui lie le débit 'obtenu au débit ordonné. les caractéristiques de la présente invention ressortiront mieux de la description détaillée qui est donnée ci-après de son schéma général et d'une forme préférée de réalisation de l'élément qui traduit le débit réalisé en un signal comparé au signal de déséquilibre. On se référera, dans cette description, donnée à titre d'exemple non limitatif, au dessin annexé, sur lequel : 20 - la figure 1 représente schématiquement, vu en coupe, un navire doté d'une installation à ballasts équilibrés selon l'invention ; - la figure 2 est un schéma bloc, d'une installation selon l'invention ; 25 - la figure 3 représente schématiquement une forme préférée de réalisation de l'élément qui mesure le débit obtenu et le transforme en un signal comparé au signal de débit ordonné. On voit sur la figure 1 un navire 1 soumis à un couple déséquilibrant provoqué par une charge 2 (constituée, par exemple, 30 par un train en cours d'embarquement) appliquées latéralement par rapport au plan vertical longitudinal' de symétrie du navire même. Contre les flancs du navire et sur une même perpendiculaire à ce plan de symétrie sont disposés deux ballasts 3 et .4 remplis d'eau douce et communiquant entre eux par un conduit 5 com-35 portant une pompe 6 propre à transférer des débits variables d'un ballast à l'autre. Il est évident que si, dans cette situation, on actionne la pompe 6 de manière à lui faire transférer de l'eau du ballast 3 situé au niveau inférieur au ballast 4 situé à un niveau supé-40 rieur, on crée un couple rééquilibrant qui tend à compenser le copy 69 45402 -4- 2027366 couple déséquilibrant provoqué par la charge 2. En. augmentant le débit à travers le conduit 5, le couple compensateur s'accroîtra proportionnellement et comme il faut un couple compensateur d'autant plus élevé que le couple déséquilibrant lui-même est plus 5 élevé, on en déduit que plus ce dernier sera élevé, plus grand doit être le débit passant dans le conduit 5» donc le débit de la pompe 6 pour qu'on puisse transvaser l'èau nécessaire dans l'unité de temps. L'installation de stabilisation selon l'invention a précisément pour fonction d'établir, entre le couple déséquilibrant et 10 le signal actionnant la pompe, un lien tel qu'il provoque un accroissement du débit quand le couple déséquilibrant augmente, et vice-versa. En outre, étant donné qu'il est pratiquement impossible, à cause des perturbations inévitables, d'obtenir une relation linéaire constante entre le débit ordonné à la pompe et son débit 15 réel, l'installation prévoit une comparaison entre le débit ordonné et le débit obtenu dont le résultat constitue le signal commandant la pompe (ou mieux son régulateur). Ces perturbations influent alors beaucoup moins sur le fonctionnement de la pompe dans lequel on introduit ainsi l'effet de la rétroaction, 20 La figure 2 est le schéma général par blocs d'une installation selon l'invention» Dans ce schéma,- le bloc 7 représente le navire dans son ensemble, c'est-à-dire qu'il reçoit à l'entrée un couple déséquilibrant C' et un couple rééquilibrant 0" fourni par le débit effectif Q" passant dans le conduit 5, et qu'il donne à la sortie 25 un angle d'inclinaison 0, une vitesse angulaire ou d'inclinaison « et une accélération angulaire ou d'inclinaison 0. On peut imaginer, en particulier, le bloc 7 subdivisé en un bloc intégrateur 8 où le débit effectif Q" est intégré et transformé en un couple rééquilibrant C", en un différenciateur 9 où s'effectue la différence 30 entre le couple déséquilibrant 0' et le couple compensateur 0", et en un bloc 10 où cette différence 0 est transformée en un angle 0, en une vitesse angulaire 0 et en une accélération angulaire *0. Au bloc 7 fait suite le bloc 11, que l'on peut appeler 35 "élaborateur", dans lequel les sorties du bloc 7 sont transformées en un signal électrique•=£ (Q ' ) indiquant à la pompe 6 le débit ordonné Q' pour amener le navire à l'assiette désirée» 0e bloc 11 comporte î un clinomètre 12 qui transforme en un signal électrique (0) l'angle d'inclinaison 0 du navire, un gyroscope 13 40 qui transforme en signal électrique •£$) la vitesse , d'in- bad original 69 45402 -5- 2027366 & « clinaison 0 du navire, un accéléromètre angulaire 14 qui transforme en un signal électrique ($ ) 1*accélération d'inclinaison *0 du navire, et enfin un mélangeur 15 qui reçoit ces signaux | w,| (è ), | (0 ) à l'entrée et les transforme en un 5 signal électrique unique ^ (Q1) indiquant le débit ordonné Q* comme il a été dit plus haut. l'élaborateur 11 est suivi, à son tour, d'un différencia-teur 16 où est effectuée la différence entre le signal électrique ^ (Q1) et un autre signal électrique^(Q") obtenu par une 10 transduction du débit effectif Q" delà pompe 6 effectuée dans un transducteur 17 qui a une fonction de transfert inverse de celle de 1 ' ensemble constitué par la pompe 6, son démarreur et le conduit 5« le signal électrique E résultant de la différence entre les signaux ^ (Q*) et ^ (Q*) est appliqué à l'entrée d'un 15 bloc 18 gai représente l'ensemble constitué par la pompe 6 (indiquée ici par le bloc 20), le démarreur correspondant (indiqué ici par le bloc 19) et le conduit 5 (indiqué ici par le bloc 21).. la sortie du bloc 18, qui dépend des caractéristiques des éléments qui le constituent et des perturbations S de ces éléments, 20 représente le débit effectif Q" passant dans le conduit 5 qui relie les ballasts d'équilibrage 3 et 4. l'installation schématisée figure 2 fonctionne comme suit : Quand le navire subit un couple déséquilibrant, provoqué par exemple par une charge telle que 2 comme dans le cas de la figu-25 re 1, il tend alors à s'incliner sur un côté, les valeurs instantanées de l'angle, de la vitesse et de l'accélération d'inclinaison (signaux 0, *0', *0" sortant du bloc 7 de la figure 2) sont enregistrées par le clinomètre 12, le gyroscope,13 et 1'accéléromètre angulaire 14 incorporés dans l'élaborateur 11 dont 30 les sortie» donnent, à la sortie de 1*élaborateur même, un signal électrique ^ (Q') qui représente le débit ordonné à la pompe 6 pour remettre le navire en équilibre. Ce signal:^ (Q*) fait en sorte que le démarreur 19 commande la pompe 6 de manière qu'elle transfère par le conduit 5» l'eau 35 du ballast qui est au niveau le plus bas ( le ballast 3 dans le cas de la figure 1) au ballast qui est au niveau le plus haut (le ballast 4 dans le cas de la figure 1) avec un débit qui devrait être théoriquement égal au débit ordonné Q'. Mais les perturbations D font que le débit effectif passant dans le conduit 40 5 sera Q* / Q' et, comme ces perturbations varient continuelle 69 45402 -6- 2027366 ment, la loi qui lie Q" à Q* n'est pas toujours la môme et le rééquilibrage ne serait pas rapide et précis comme on le désire, s'il n'y avait pas la rétroaction constituée par la branche qui comporte le transducteur 17« Gelui-ci enregistre le débit 5 effectif Q* et le transforme en un signal électrique (Q") qui est soustrait du signal-^(Q') pour donner un signal d'erreur E qui actionne le démarreur 19 et par suite la pompe 6, La rétroaction constituée par le transducteur 17 qui a, comme il a été dit, une fonction de transfert inverse de celle du bloc 18,de 10 manière à rendre analogues les deux signaux(Q*) et^(Q"), tend à rendre constante et linéaire la relation qui lie le débit effectif au débit ordonné. Le débit effectif réalisé Q" est, en outre, intégré par l'intégrateur 8 incorporé dans le bloc 7 qui représente le na-15 vire et le résultat de cette intégration est un couple rééquilibrant G* qui, soustrait du couple déséquilibrant G', donne lieu à un couple résultant C qui détermine la nouvelle inclinaison du navire et, par suite, le nouveau débit ordonné de la manière qui a été indiquée plus haut. L'égalité entre les couples G' et 20 G" indiquera que le rééquilibrage s'est réalisé et que le navire est revenu à son assiette normale. Comme il a été dit mainte fois plus haut, la nouveauté de la présente invention par rapport aux installations connues du type à ballasts équilibrés résise dans le fait qu'est insérée 25 uné rétroaction entre le débit réalisé et le débit ordonné. Le bloc le plus caractéristique du schéma de la figure 2 est par suite constitué par le transducteur 17 qui transforme le débit réalisé Q" en un signal électrique qui le représente Jj- (Q*). Oe transducteur doit, par suite, comporter des organes pour mesurer 30 le débit et d'autres pour transformer en un signal électrique le débit ainsi mesuré. Ge débit pourrait être mesuré avec un flux-mètre introduit dans le conduit 5, mais qui constituerait une résistance mécanique inacceptable, car elle accroîtrait le retard à la réponse de tout le système. Le débit est au contraire mesu-35 ré, dans l'installation selon l'invention, en dérivant, la différence de niveau de l'eau entre les deux ballasts, différence que Ibn mesure à son tour en disposant, sur le fond des deux ballasts, deux transducteurs de pression et en différenciant leurs sorties. La figure 3 représente le schéma d'un élément qui déduit 40 précisément, de deux mesures de pression, un signal électrique 69 45402 -7- 2027366 relatif au débit instantané entre les deux "ballasts. Oe schéma comporte un amplificateur différenciateur à courant continu 22, à gain élevé, dont l'entrée positive est reliée, par l'intermédiaire d'une résistance 23, à une "borne d'entrée 24 reliée à 5 la sortie du transducteur de pression 65 monté sur un des deux ballasts du navire, le ballast 4 par exemple comme l'indique schématiquement la figure t ; tandis que son entrée négative est reliée, par l'intermédiaire d'une résistance 25, à une borne d'entrée 26 reliée à la sortie du transducteur de pression 10 66 monté sur l'autre ballast, les deux entrées de l'amplificateur 22 sont en outre reliées l'une à l'autre par line résistance variable 27. la rétroaction est établie par une résistance 28 montée entre l'entrée négative et la sortie de l'amplificateur. 15 La sortie de l'amplificateur 22 est reliée à l'entrée d'un dérivateur constitué par un amplificateur différenciateur 29 à gain élevé et doté d'une rétroaction à résistance et capacité, et par un groupe résistance 30 + capacité 31 dont la constante de temps détermine la constante de temps du dérivateur. Plus 20 précisément, la capacité 31 est insérée entre la sortie de l'amplificateur 22 et l'entrée négative de l'amplificateur 29, tandis que la résistance 30 est insérée entre cette entrée négative et la terre. L'entrée positive de l'amplificateur 29 est reliée à la terre par l'intermédiaire d'une résistance 32. Sa 25 sortie est également reliée à la terre par l'intermédiaire d'une série de deux résistances fixes 33 et 34 et d'une résistance variable 35» La rétroaction est établie par un montage en parallèle d'un condensateur 36 et d'une série constituée par une résistance fixe 37 et une résistance variable 38, ce montage 30 étant inséré entre la borne négative de 1* amplificateur 29 et la jonction entre les résistances 34 et 35» Le schéma de la figure 3 comporte en outre un modulateur en boucle 39 comprenant deux enroulements 40 et 41 reliés entre eux par quatre diodes 42, 43, 44 et 45 montées en réseau. L'en-35 roulement 40, dont une prise centrale est mise à la terre, constitue le secondaire d'un transformateur 46 dont le primaire 47 est alimenté par une tension alternative (de préférence à 115 volts et 400 périodes/seconde et appliquée entre une borne d'entrée 48 et la terre) à travers la série de deux résistances 49 40 et 50, une résistance 51 étant montée en parallèle avec la série 69 45402 -8- 2027366 bonstituée par la résistance 50 et l'enroulement 47. L'enroulement 41, dont une prise centrale est reliée par l'intermédiaire d'une résistance 52 à la jonction entre les résistances 53 et 34, constitue au contraire le primaire d'un 5 transformateur 53 dont le secondaire 54 est inséré dans une série, comprenant également une résistance 55» qui relie l'entrée négative d'un autre amplificateur différenciateur à gain élevé 56 dont l'entrée positive est mise à la terre par l'intermédiaire d'une résistance 57 et reliée à l'entrée négative 10 par l'intermédiaire d'une résistance variable 58. La rétroaction est constituée par une série d'une résistance fixe 59 et d'une résistance variable 60 montée entre l'entrée négative et la sortie. La sortie de l'ensemble de la figure 3 est constituée par une borne 61 reliée à la sortie de l'amplificateur 56 à 15 travers un transformateur 62 dont le primaire 63 et le secondaire 64 ont une extrémité reliée à la terre. L'ensemble représenté figure 3 fonctionne comme suit : le bloc 67 comportant l'amplificateur 22 effectue la différence entre les deux signaux de pression envoyés aux entrées 24 20 et 26 par les transducteurs de pression 65 et 66, et le résultat de cette opération (qui est une différence de niveau) est dérivé et transformé en une mesure de débit par le dérivateur 68 qui comporte l'amplificateur 29 et dont la constante de temps est le produit des paramètres de la résistance 30 et de la ca-25 pacité 31» La dérivée sera de signe positif ou négatif selon que la pression enregistrée par le transducteur 65 augmente ou diminue par rapport à celle qui est enregistrée par le transducteur 66. Le signal ainsi obtenu va moduler le signal alternatif 30 présent à l'entrée du modulateur à boucle 39 en donnant un signal alternatif modulé dont l'amplitude est proportionnelle à la dérivée de la différence entre les deux signaux émis par les deux transducteurs de pression. Le signal modulant sera en phase avec le signal porteur alternatif quand la sortie du dé-35 rivateur 68 est positive (la pression dans le ballast 4 augmente par rapport à celle dans le ballast 3)> tandis qu'il sera en opposition de phase quand la sortie du dérivateur 68 est négative (la pression dans le ballast 4 diminue par rapport à celle dans le ballast 3)* La raison de l'introduction de cette 40 modulation tient au fait qu'on dispose actuellement d'amplifi 69 45402 -9- 2027366 cateurs-différenciateurs et élaborateurs de signaux alternatifs (en particulier à 400 périodes/seconde) déjà largement appliqués et qui présentent de toutes manières des avantages par rapport aux amplificateurs à courant continu, le bloc 69 qui 5 comporte l'amplificateur 56 a enfin pour fonction de fournir de la puissance au signal ^(Q") disponible à la borne de sortie 61. Le transducteur de la figure 3 a été représenté et décrit ici afin de montrer comment on peut mesurer le débit fourni par 10 la pompe 6 de la figure 1 et le transformer en un signal électrique ^ (Q") qu'on peut comparer aux signal électrique ^(Q1 ) qui représente le débit ordonné à cette même pompe 6. Il doit être "bien entendu, toutefois, qu'on pourrait mesurer de toute autre ■aaière le débit ainsi fourni par la pompe sans sortir pour 15 autant du domaine de l'invention. 69 45402 -10- 2027366 ?-?=ï_S-5.5-i.8=4-ï_î_9-0- 1°) Installation automatique pour la stabilisation transversale d'un navire, du type comportant au moins une paire de ballasts situés sur une même perpendiculaire au plan vertical 5 longitudinal de symétrie du navire et à égales distances de ce ' plan même, ces ballasts étant remplis d'un liquide qui peut être transféré de 1'un à l'autre à travers au moins un conduit pourvu de moyens de pompage pouvant effectuer ce transfert avec un débit instantané déterminé par un signal, dit de débit 10 commandé, fonction de l'angle, de la vitesse et de l'accélara-tion d'inclinaison du navire par rapport à sa position équilibrée, cette installation étant caractérisée par le fait qu'elle comporte des dispositifs pour mesurer le débit effectif à travers ce conduit et le transformer en uh signal analogue au si-15 gnal de débit commandé et pour comparer le signal ainsi obtenu, au signal de débit commandé de manière à obtenir un signal différence dont la valeur instantanée détermine le débit instantané fourni par ces moyens de pompage. 2°) Installation automatique selon la revendication 1, ca-20 ractérisé en ce que la fonction de transfert entre le débit effectif et le signal à comparer au signal de débit ordonné est inverse de celle qui existe entre le signal différence et le débit effectif. 3°) Installation automatique selon la revendication 2, carac-25 térisée «Dr ce qu'on mesure le débit effectif en dérivant la différence de pression entre les deux ballasts. 4°) Installation automatique selon la revendication 3» caractérisée en ce que la mesure est effectuée au moyen d'un dispositif électronique comportant un amplificateur différenciateur 30 et un dérivateur montés en cascade, les signaux obtenus par transduction de la pression dans chacun des deux ballasts étant appliquée aux entrées de l'amplificateur différenciateur. 5°) Installation automatique selon la revendication 4, caractérisée en ce que le signal de sortie du dérivateur est appli-35 qué comme signal modulant à un modulateur alimenté en courant alternatif. 6°) Installation automatique selon la revendication 5» caractérisée en ce que le signal modulé sortant du modulateur est amplifié en puissance. 40 69 45402 -11- 2027366 7°) Installation automatique selon l'une des revendications 1 à 6, caractérisée en ce que le signal de débit est déduit de l'angle, de la vitesse et de l'accélération d'inclinaison du navire en combinant les signaux sortant d'un clinomètre, 5 d'un gyroscope et d'un accéléromètre angulaire disposés sur le navire même.