(57)【要約】  ジャイロスタビライザー歳差運動センサ(１０)及び船舶ロール運動センサ(１４)からのセンサ信号を利用できるか否かを検出するセンサ障害検出手段(１６)を備える船舶スタビライザー制御システム(１２)。制御システム(１２)はジャイロスタビライザー(４)に機械的に結合されたジャイロアクチュエータ(８)の作動を制御する。プロセス制御変数を供給するセンサの障害検出を用いる利点は、利用可能なプロセス制御変数(またはセンサ)の検出された数を用いて階層化制御モードシステムを作動させ得ることである。それぞれの階層化制御モードは利用可能なプロセス制御変数を用いて、センサ障害及び電源喪失を許容する、ジャイロスタビライザー(４)の安全で有効な動作を保証するように設計される。利用可能なプロセス制御変数の数に基づいて適切な制御モードを選択するため、制御モードセレクタ(１８)が備えられる。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
励振波浪力によって誘起される洋上船舶の運動を安定化させるためのスタビライザー制御方法において、前記方法が、
歳差運動センサ信号が利用可能であるか否か及び船舶ロール運動センサ信号が利用可能であるか否かを検出するステップ、
前記センサ信号のいずれもが利用可能である場合は第１の制御モードを選択するステップ、
前記センサ信号の内の１つだけを利用できる場合は第２の制御モードを選択するステップ、及び
前記センサ信号のいずれも利用できない場合は第３の制御モードを選択するステップ、
を含み、
よって、使用時に、前記歳差運動センサ信号及び／または前記船舶ロール運動センサ信号を利用できない状況に耐容し得る前記スタビライザーの制御を提供するため、それぞれの状況に最も適切な制御モードが選択される、
ことを特徴とするスタビライザー制御方法。
【請求項２】
前記歳差運動センサ信号が、前記船舶を安定化するための船舶安定化システムに用いられるジャイロスタビライザーの歳差を検出することによって得られることを特徴とする請求項１に記載のスタビライザー制御方法。
【請求項３】
前記第１の制御モードが、所望の歳差運動を生じさせるためにフライホイールの歳差を駆動するかまたはロール誘起自由歳差に能動的に対抗することにより、前記センサ信号のいずれをも、及び／または前記センサ信号の微分をプロセス制御変数として用いる、前記ジャイロスタビライザーの歳差の能動制御を含むことを特徴とする請求項２に記載のスタビライザー制御方法。
【請求項４】
前記第２の制御モードが、所望の歳差運動を生じさせるためにフライホイールの歳差を駆動するかまたはロール誘起自由歳差を能動的に制動することにより、前記前記ジャイロスタビライザー歳差運動センサ信号または前記船舶ロール運動センサ信号及び／または前記信号の微分をプロセス制御変数として用いる、前記ジャイロスタビライザーの歳差の能動制御を含むことを特徴とする請求項２に記載のスタビライザー制御方法。
【請求項５】
前記第２の制御モードが、
前記ジャイロスタビライザー歳差運動センサ信号及び／または前記センサ信号の計算された微分に基づき、適応能力を有しているかまたは有していない、予測制御方法または応答制御方法を用いて適切な歳差軸駆動制御コマンドまたは歳差軸制動制御コマンドを計算するステップ、
を含むことを特徴とする請求項２に記載のスタビライザー制御方法。
【請求項６】
前記第２の制御モードが、
前記船舶ロール運動センサ信号から歳差運動を推定するステップ、及び
前記推定歳差運動及び／または前記推定歳差運動の計算された微分に基づき、適応能力を有しているかまたは有していない、予測制御方法または応答制御方法を用いて適切な歳差軸駆動制御コマンドまたは歳差軸制動制御コマンドを計算するステップ、
を含むことを特徴とする請求項２に記載のスタビライザー制御方法。
【請求項７】
前記第２の制御モードが、
前記ジャイロスタビライザーのフライホイールの歳差を、前記ジャイロスタビライザー歳差軸運動から導かれるプロセス制御変数に基づいて、前記ジャイロスタビライザー歳差軸運動があらかじめ定められた限界をこえるであろうと推定されるまで、増大させることを目的とする制御信号を発生するステップ、及び
前記ジャイロスタビライザー歳差軸を回る、前記制御信号に応答する歳差制御トルクを印加するステップ、
を含み、
よって、前記ジャイロスタビライザー歳差軸運動から得られる前記プロセス制御変数だけに基づいて前記船舶運動の能動適応制御を達成することができる、
適応制御法を用いることを特徴とする請求項２に記載のスタビライザー制御方法。
【請求項８】
前記ジャイロスタビライザー歳差運動センサが利用可能ではない場合、前記ジャイロスタビライザー歳差軸運動の推定値に対応する推定歳差信号を発生するために前記船舶ロール運動センサ信号及び／または前記船舶ロール運動センサ信号の微分を用いることができ、前記第２の制御モードにおいて前記ジャイロスタビライザー歳差運動センサ信号が前記推定歳差信号で置き換えられることを特徴とする請求項２または請求項７に記載のスタビライザー制御方法。
【請求項９】
前記第３の制御モードが、予想動作条件範囲をこえる最大設計海況までの範囲において、あらかじめ定められた限界内に歳差角を制限するように設計された、あらかじめ設定される固定レベルの制動または制振を前記歳差軸に印加することによる、前記ジャイロスタビライザーの歳差の受動制御を提供することを特徴とする請求項２に記載のスタビライザー制御方法。
【請求項１０】
前記歳差軸に印加される制動または制振の前記あらかじめ設定されるレベルが手動調節可能であることを特徴とする請求項９に記載のスタビライザー制御方法。
【請求項１１】
前記船舶安定化システムが予備船舶安定化装置を備えることを特徴とする請求項２に記載のスタビライザー制御方法。
【請求項１２】
前記第１の制御モードが、前記ジャイロスタビライザーの前記制御と同時に、及び／またはリソース配分システムによって配分されるように、前記予備安定化装置を制御するステップを含むことを特徴とする請求項１１に記載のスタビライザー制御方法。
【請求項１３】
前記第２の制御モードが前記予備安定化装置を制御するステップを含むことを特徴とする請求項１１に記載のスタビライザー制御方法。
【請求項１４】
前記第３の制御モードが前記予備安定化装置をデフォルト状態または使用停止状態におくステップを含むことを特徴とする請求項１１に記載のスタビライザー制御方法。
【請求項１５】
前記ジャイロスタビライザーが利用可能であるか否か及びいずれかの予備安定化装置が利用可能であるか否かを検出し、利用できない場合または１つ以上の安定化装置の性能低下に合わせてリソース配分を修正する工程をさらに含むことを特徴とする請求項１１に記載のスタビライザー制御方法。
【請求項１６】
励振波浪力によって誘起される洋上船舶の運動を安定化させるためのスタビライザー制御システムにおいて、前記システムが、
歳差運動センサ信号が利用可能であるか否か及び船舶ロール運動センサ信号が利用可能であるか否かを検出するための障害検出手段、
いずれの前記センサ信号も利用可能である場合には第１の制御モードを選択し、前記センサ信号の内の１つしか利用できない場合には第２の制御モードを選択し、いずれの前記センサ信号も利用できない場合には第３の制御モードを選択するための制御モード選択手段、及び
前記選択された制御モードにしたがって安定化制御コマンドを発生するための安定化制御コマンド発生手段、
を備え、
よって、使用時に、前記歳差運動センサ信号及び／または前記船舶ロール運動センサ信号を利用できない状況を耐容し得る船舶安定化を提供するため、それぞれの状況に最も適切な制御モードが選択される、
ことを特徴とするスタビライザー制御システム。
【請求項１７】
前記歳差運動センサ信号が前記船舶を安定化するための船舶安定化システムに用いられるジャイロスタビライザーの歳差を検出することによって得られることを特徴とする請求項１６に記載のスタビライザー制御システム。
【請求項１８】
前記第１の制御モードにおいて発生される前記安定化制御コマンドが、所望の歳差運動を生じさせるためにフライホイールの歳差を駆動するかまたはロール誘起自由歳差に能動的に抗することにより、前記センサ信号のいずれも、及び／または前記センサ信号の微分をプロセス制御変数として用いる、前記ジャイロスタビライザーの歳差の能動制御を与えることを特徴とする請求項１７に記載のスタビライザー制御システム。
【請求項１９】
前記第２の制御モードにおいて発生される前記安定化制御コマンドが、所望の歳差運動を生じさせるためにフライホイールの歳差を駆動するかまたはロール誘起自由歳差を能動的に制動することによる、前記ジャイロスタビライザー歳差運動センサ信号または前記船舶ロール運動センサ信号及び／または前記センサ信号の微分をプロセス制御変数として用いる、前記ジャイロスタビライザーの歳差の能動制御を与えることを特徴とする請求項１７に記載のスタビライザー制御システム。
【請求項２０】
前記安定化制御コマンド発生手段が、
前記第２の制御モードにおいて、前記ジャイロスタビライザー歳差運動センサ信号及び／または前記センサ信号の計算された微分に基づき、適応能力を有しているかまたは有していない、予測制御方法または応答制御方法を用いて適切な歳差軸駆動制御コマンドまたは歳差軸制動制御コマンドを計算するための手段、
を含むことを特徴とする請求項１７に記載のスタビライザー制御システム。
【請求項２１】
前記安定化制御コマンド発生手段が、
前記第２の制御モードにおいて、前記船舶ロール運動センサ信号から前記歳差運動を推定するための手段、及び
前記推定歳差運動及び／または前記推定歳差運動の微分に基づき、適応能力を有しているかまたは有していない、予測制御方法または応答制御方法を用いて適切な歳差軸駆動制御コマンドまたは歳差軸制動制御コマンドを計算するための手段、
を含むことを特徴とする請求項１７に記載のスタビライザー制御システム。
【請求項２２】
スタビライザー制御方法において、実質的に、添付図面の内のいずれか１つ以上の図面を参照して本明細書に説明され、前記いずれか１つ以上の図面に示される、スタビライザー制御方法。
【請求項２３】
船舶スタビライザー制御システムにおいて、実質的に、添付図面の内のいずれか１つ以上の図面を参照して本明細書に説明され、前記いずれか１つ以上の図面に示される、船舶スタビライザー制御システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ロール運動を生じさせる励振波浪力によって誘起される洋上船舶の運動を安定化するための制御システム及び方法に関し、特に、ただし排他的ではなく、ジャイロスタビライザーを備え、障害耐容制御を与えるためにいくつかの制御モードを用いる、そのようなシステム及び方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
ジャイロスタビライザーがロール運動(ローリング)を減衰させるために洋上船舶に用いられる場合、船舶のローリングがフライホイールの歳差を誘起し、この歳差が続いてローリングに対向するトルクを生じさせる。これは、誘起フライホイール歳差が(歳差が９０°をこえなければ)常にローリングを減衰させるに適するフェーズにあることを意味する。回転のローリングレート(ロールレート)が、機械的構成によって生じる歳差への抗力に依存する、あるレベルをこえると、誘起歳差トルクは９０°より大きい歳差(過歳差)をフライホイールに生じさせるであろう。これは、フライホイールによって生じる抗ローリングトルクを、抗ローリングトルクが瞬間的にゼロになるから、不安定にする。ピーク入力イベント中の過歳差の誘起を防止するに十分に歳差への抗力が大きければ、より普通のイベント中の安定化効果が極めて大きく制限されることになろう。したがって、歳差への抗力を変化させるか、またはジャイロスコープのフライホイール歳差運動を能動的に制御するための、ジャイロスタビライザー制御システムを提供することが望ましい。
【０００３】
レバーによって作動される手動歳差軸ブレーキから、一般には検出された船舶ロール運動及びジャイロスコープ歳差運動にしたがう歳差角の能動制御まで、多くの既知のジャイロスタビライザー制御システムがある。初め１９０４年にシュリック(Schlick)により提案され、１９０７年にホワイト(White)により設計された、手動歳差軸ブレーキには狭い設計条件範囲外の波浪環境における過歳差を防ぐために人手の介入が必要であった。
【０００４】
次いで米国のスペリー(Sperry)社が、スイッチ及び主ジャイロスコープの歳差を制御するための小ジャイロスコープによって制御される電気モーターを用いることでシュリックジャイロスコープの問題点に対処するシステムを開発した。このシステムでは、歳差レートが船舶のロールレートに比例していた。これらの従来技術のシステムの性能はある程度の波浪環境においては顕著であったが(９５％までのローリング低減)、そのような歳差制御システムは変動する波浪条件に適応できず、よって性能は極端に単純化された歳差トルク制御に限定されていた。船舶がフィンによる流体力学的揚力の発生を可能にする速度にあるときに十分に作用する、一層軽量で安価なフィンスタビライザーの発明により、ジャイロスタビライザーへの関心は弱まった。
【０００５】
ジャイロスタビライザーは、流体力学ベースシステムの効果がほとんどまたは全く無い、船舶の前進速度がゼロであるかまたは小さい場合に適用するに特に有益である。巡視船、遊興用モーターヨット、洋上浮体生産システム及び洋上作業船を含むがこれらには限定されない、いくつかの用途は全て低速または速度ゼロにおいて重要な作業任務を有する。これらの用途が波浪誘起船舶ローリングを制御するためのジャイロスタビライザーへの関心を復活させ、再帰させている。
【０００６】
この結果、広い動作条件範囲にわたって改善された船舶運動減衰性能を提供する、ジャイロスタビライザーのための一層複雑な制御システムが提案されている。例えば、特許文献１において、ルーベンスタイン(Rubenstein)及びエイカーズ(Akers)は、船舶及びジャイロスタビライザーのいずれもがフィードフォワード成分を生成するための、姿勢センサ及び角速度センサを用いる制御方式を開示している。フィードフォワード成分は、フィードバック成分、(出航、係留または様々な速度における航行中のような現時点のイベントを示す)モード入力及び(ジャイロスタビライザー及び／またはその他の船舶安定化装置に適用される場合の)意図的制御の効果の予測とともに用いられて、ジャイロ及びその他の制御手段に対するリソース配分ベクトルを生成する。
【０００７】
ジャイロスタビライザーフライホイールの歳差を能動的に制御することにより、広い範囲の動作条件にわたる安全で効率的な性能を達成することができる。歳差の能動制御にはプロセス制御変数として用いるためのセンサフィードバックが必要である。センサ誤差、システム電源の喪失またはその他の障害によりプロセス制御変数を制御システムに利用できなくなると、能動制御システムは動作を停止するであろう。能動駆動ジャイロスタビライザーについては、この結果、ジャイロスタビライザーの安定化効果が即時に失われ、船舶の安全及び／または快適な動作が危うくなるであろう。
【０００８】
海況及び船舶の運動の変化により良く応答し得る一層複雑なジャイロスタビライザー制御アルゴリズムを可能にするために、備えるセンサの数を増やすと、１つ以上のセンサの障害のリスクが高まる。
【０００９】
本発明は、障害耐容であり、苛酷な１つ以上のセンサの障害リスクを低減する、ジャイロスタビライザー制御システム及び方法を提供する目的で開発された。しかし、本発明の制御システム及び方法が、流体力学的スタビライザーのような、他のタイプの船舶スタビライザーにも適用されることは理解されるであろう。流体力学的スタビライザーの例には、フィン、ラダー、Ｔフォイル、インターセプター、回流水槽またはトランサムフラップがあり、他のタイプの安定化装置には可動バラストシステムがある。
【００１０】
本明細書における従来技術の参照は説明の目的のためだけに与えられ、そのような従来技術がオーストラリアまたは他の地域において共通の一般知識の一部であることを認めているととられるべきではない。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１１】
【特許文献１】国際公開第２００９/００９０７４号パンフレット
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明の一態様にしたがえば、励振波浪力によって誘起される洋上船舶の運動を安定化させるためのスタビライザー制御方法が提供され、本方法は、
歳差運動センサ信号が利用可能であるか否か及び船舶ロール運動センサ信号が利用可能であるか否かを検出するステップ、
いずれのセンサ信号も利用可能である場合には第１の制御モードを選択するステップ、
センサ信号の内の１つだけが利用可能である場合には第２の制御モードを選択するステップ、及び
いずれのセンサ信号も利用できない場合には第３の制御モードを選択するステップ、
を含み、
よって、使用時に、歳差運動センサ信号及び／または船舶ロール運動センサ信号を利用できない状況を耐容するスタビライザー制御を提供するため、それぞれの状況に最も適切な制御モードが選択される。
【００１３】
一般に、歳差運動センサ信号は、船舶を安定化するために船舶安定化システムに用いられているジャイロスタビライザーの歳差を検出することによって得られる。あるいはまたはさらに、いくつかの状況において、歳差運動センサ信号は、例えば船舶の運動を検出するために備えられたジャイロスコープセンサの歳差運動を検出することによって得ることができる。船舶安定化システムはジャイロスタビライザーを用いていてもいなくても差し支えないが、好ましい実施形態において船舶安定化システムは少なくとも１基のジャイロスタビライザーを用いる。
【００１４】
第１の制御モードは、所望の歳差運動を生じさせるためにフライホイールの歳差を駆動するかまたはローリング誘起自由歳差に能動的に対抗することによる、両センサ信号及び／またはセンサ信号の微分をプロセス制御変数として用いるジャイロスタビライザーの歳差の能動制御を含むことができる。第１の制御モードは、比例-積分-微分(ＰＩＤ)コントローラ、ファジー論理コントローラ、ニューラルネットワークコントローラ、ロバストコントローラ、モデル予測制御法、その詳細が本明細書に参照として含まれる本出願人等による同時係属出願の国際出願第ＰＣＴ/ＡＵ２０１１/ＸＸＸＸ号の自動利得制御(ＡＧＣ)コントローラを含む適応制御法、またはこれらの制御手法の組合せを含むことができる。第１の制御モードは、他の安定化装置の作用を検出し、安定化装置の最適系を提供するためにジャイロスタビライザーを適宜に調節する、リソース配分法に応答することができる。第１の制御モードには操作員による入力が必要であるかまたは可能になり得る。第１の制御モードは測定された歳差軸及び船舶ロール軸のデータをプロセス制御変数として直接用いることができ、あるいは、様々なあり得る第１の制御モードの制御方法への入力として続いて用いられる、これらの信号の将来状態の推定値を与える予測要素を含むことができる。
【００１５】
第２の制御モードは、所望の歳差運動を生じさせるためにフライホイールの歳差を駆動するかまたはローリング誘起自由歳差を能動的に制動することによる、ジャイロスタビライザー歳差運動センサ信号または船舶ロール運動センサ信号及び／または信号の微分をプロセス制御変数として用いるジャイロスタビライザーの歳差の能動制御を含むことができる。あるいは、第２の制御モードは、ジャイロスタビライザー歳差運動センサ信号及び／またはその計算された微分に基づき、適応能力を有するかまたは有していない予測制御法または応答制御法を用いて適切な歳差軸駆動制御コマンドまたは歳差軸制動制御コマンドを計算するステップを含むことができる。第２の制御モードは、船舶ロール運動センサ信号から歳差運動を推定するステップ及び、推定歳差運動及び／またはその計算された微分に基づき、適応能力を有するかまたは有していない予測制御法または応答制御法を用いて適切な歳差軸駆動制御コマンドまたは歳差軸制動制御コマンドを計算するステップを含むことが好ましい。第２の制御モードはジャイロスタビライザー歳差軸運動が予測された限界をこえるであろうことがジャイロスタビライザー歳差軸運動から導かれたプロセス変数に基づいて推定されるまで、ジャイロスタビライザーフライホイールの歳差を増大させることを目的とする制御信号を発生するステップ及び、制御信号に応答してジャイロスタビライザー歳差軸を回る歳差制御トルクを印加するステップを含み、よって、使用時に、ジャイロスタビライザー歳差軸運動から導かれるプロセス制御変数だけに基づいて船舶運動の能動適応制御を達成することができる、適応制御法を用いることが有利である。
【００１６】
さらにまたはあるいは、ジャイロスタビライザー歳差運動センサ信号が利用できない場合には、ジャイロスタビライザー歳差軸運動の推定値に対応する推定歳差信号を発生するために船舶ロール運動センサ信号及び／またはその微分を用いることができ、第２の制御モードにおいてジャイロスタビライザー歳差運動センサ信号は推定歳差信号で置き換えられる。
【００１７】
第３の制御モードは、予想される動作条件範囲をこえる最大設計海況までの範囲において、あらかじめ定められた限界内に歳差角を制限するように設計された、あらかじめ設定された固定レベルの歳差軸の制動または制振を印加することによって、ジャイロスタビライザーの歳差の受動制御を与えることが好ましい。必要に応じて、歳差軸に印加される制動または制振のあらかじめ設定されるレベルは手動調節可能である。
【００１８】
船舶安定化システムは、(例えばローリング及びピッチングのいずれの制御も可能にするための)予備ジャイロスタビライザー、流体力学的スタビライザー及び／または別のタイプの安定化装置のような、予備船舶安定化装置を備えることができる。流体力学的スタビライザーの例には、フィン、ラダー、Ｔフォイル、インターセプター、回流水槽またはトランサムフラップがあり、別のタイプの安定化装置の例には、可動バラストシステムがある。第１の制御モードは、ジャイロスタビライザーの制御と同時に、及び／またはリソース配分システムによって配分されるように、予備安定化装置を制御するステップを含むことができる。第２の制御モードは予備安定化装置を制御するステップを含むことができる。第３の制御モードは予備安定化装置をデフォルト状態または使用停止状態におくステップを含むことができる。
【００１９】
本制御方法はジャイロスタビライザーを、またいずれかの予備安定化装置を、利用可能であるか否かを検出し、利用可能ではない場合または１つ以上の安定化装置の性能低下に合わせてリソース配分を修正するステップをさらに含むことができる。
【００２０】
本発明の別の態様にしたがえば、励振波浪力によって誘起される洋上船舶運動を安定化するためのスタビライザー制御システムが提供され、本システムは、
歳差運動センサ信号が利用可能であるか否か及び船舶ロール運動センサ信号が利用可能であるか否かを検出するための障害検出手段、
いずれのセンサ信号も利用可能である場合には第１の制御モードを選択し、センサ信号の内の１つだけを利用できる場合には第２の制御モードを選択し、いずれのセンサ信号も利用できない場合には第３の制御モードを選択するための制御モード選択手段、及び
選択された制御モードにしたがって安定化制御コマンドを発生するための安定化制御コマンド発生手段、
を備え、
よって、使用時に、歳差運動センサ信号及び／または船舶ロール運動センサ信号を利用できない状況を耐容する船舶安定化を提供するため、それぞれの状況に最も適切な制御モードが選択される。
【００２１】
一般に、歳差運動センサ信号は、船舶を安定化するために船舶安定化システムに用いられているジャイロスタビライザーの歳差を検出することによって得られる。あるいはまたはさらに、いくつかの状況において、歳差運動センサ信号は、例えば船舶の運動を検出するために備えられたジャイロセンサの歳差運動を検出することによって得ることができる。船舶安定化システムはジャイロスタビライザーを用いていてもいなくても差し支えないが、好ましい実施形態において、船舶安定化システムは少なくとも１基のジャイロスタビライザーを用いる。
【００２２】
第１の制御モードにおいて発生される安定化制御コマンドは、所望の歳差運動を生じさせるためにフライホイールの歳差を駆動するかまたはローリング誘起自由歳差に能動的に対抗することによる、両センサ信号及び／またはセンサ信号の微分をプロセス制御変数として用いるジャイロスタビライザーの歳差の能動制御を与えることができる。
【００２３】
同様に、第２の制御モードにおいて発生される制御コマンドは、所望の歳差運動を生じさせるためにフライホイールの歳差を駆動するかまたはローリング誘起自由歳差を能動的に制動することによる、ジャイロスタビライザー歳差運動センサ信号または船舶ロール運動センサ信号及び／または信号の微分をプロセス制御変数として用いるジャイロスタビライザーの歳差の能動制御を与えることができる。
【００２４】
一般に、安定化制御コマンド発生手段は、ジャイロスタビライザー歳差運動センサ信号及び／またはその計算された微分に基づき、適応能力を有するかまたは有していない予測制御法または応答制御法を用いて、第２の制御モードにおいて適切な歳差軸駆動制御コマンドまたは歳差軸制動制御コマンドを計算するための手段を含む。
【００２５】
必要に応じて、安定化制御コマンド発生手段は、第２の制御モードにおいて船舶ロール運動センサ信号から歳差運動を推定するための手段及び、推定歳差運動及び／またはその計算された微分に基づき、適応能力を有するかまたは有していない予測制御法または応答制御法を用いて適切な歳差軸駆動制御コマンドまたは歳差軸制動制御コマンドを計算するための手段を有する。
【００２６】
本明細書を通して、そうではないことを文脈が要求しない限り、語句「含む」または「(三単現の)含む」及び「含んでいる」のような変形は、言明された整数または整数群の包含を意味するが、他のいずれの整数または整数群の排除は意味しないことは当然であろう。同様に、語句「好ましい」または「好まれる」のような変形は、言明された整数または整数群が本発明のはたらきに望ましいが本質的ではないことを意味することは当然であろう。
【００２７】
本明細書を通して、語句「船舶」は、ロール運動を生じさせる環境的に誘起された起振力による振動運動を受ける、洋上浮遊プラットフォーム、一般には、汽船、ヨット、はしけ、艦船または潜水艦を指す。語句「ロール運動」は、そのいずれかのまたは全ての微分も含む船舶のローリングを指すが、より広くは、減衰されることが望ましい船舶のいずれの振動も指す。
【００２８】
本発明の本質は、船舶スタビライザー制御システム及び方法の、以下の例として与えられているだけの好ましい実施形態の、添付図面を参照する、詳細な説明から一層良く理解されるであろう。
【図面の簡単な説明】
【００２９】
【図１】図１は本発明にしたがう船舶スタビライザー制御システムの好ましい実施形態の略図である。
【図２】図２は、第１の制御モードにおける動作時の、図１の制御システムの略図である。
【図３】図３は、第２の制御モードにおける動作時の、図１の制御システムの略図である。
【図４】図４は、第３の制御モードにおける動作時の、図１の制御システムの略図である。
【図５】図５は、歳差軸の制動制御を与える、ジャイロスタビライザー液圧制御回路の好ましい実施形態の液流回路図である。
【図６】図６は、歳差軸の駆動制御を与える、ジャイロスタビライザー液圧制御回路の好ましい実施形態の液流回路図である。
【発明を実施するための形態】
【００３０】
図１は、励振波浪力によって誘起される洋上船舶２のロール運動を安定化するための、本発明にしたがう船舶スタビライザー制御システム１２の好ましい実施形態のアーキテクチャを示す。ジャイロスタビライザー４が、船舶２を安定化させるための船舶安定化システムに用いられ、船舶のロール運動が歳差軸を回るジャイロスタビライザー４の歳差運動を誘起するような方位に配置される。ジャイロスタビライザー４は、ジャイロスタビライザー４の運動の結果、ジャイロアクチュエータ８の変位が生じるように、ジャイロアクチュエータ８に機械的に結合される。船舶２のロール運動がジャイロスタビライザー４のフライホイール６に伝えられ、フライホイール６の歳差作用が波浪力によって誘起されるモーメントに対抗するジャイロスコープ安定化モーメントを生じさせる。本実施形態はロール運動減衰用途について説明されるが、本発明はピッチ運動の減衰にも同等に適用可能である。
【００３１】
ジャイロスコープフライホイールは、回転及び歳差の、２つの自由度を有する。回転及び船体の場所による角運動の保存により、フライホイール６はフライホイールの回転角運動量(慣性×角速度)と歳差レートの積に比例するジャイロスコープロールモーメントを生じる。回転速度は一般に一定であるが、制御することもできる。したがって、フライホイールの歳差レートが大きくなるほど、船舶に与えられるジャイロ安定化モーメントが大きくなる。しかし、歳差レート及び歳差角は、最大機械的負荷及びその他の物理的拘束条件がこえられないことを保証するため、及び、有効安定化トルクは低下するが他の平面における無用なトルクは有意になる、過歳差角を防止するため、制限されなければならない。歳差の制限は一般に、歳差軸を回る制動トルク及び／または駆動トルクを与える、液圧システム、電気システムまたは複合システムであるジャイロアクチュエータ８によって達成される。
【００３２】
ジャイロアクチュエータ８の作用は船舶スタビライザー制御システム１２によって調整または制御される。船舶ロール運動センサ１４がロール角測定値を船舶スタビライザー制御システム１２に供給する。一般に、ジャイロ歳差運動センサ１０がジャイロスタビライザー４の歳差角測定値を船舶スタビライザー制御システムに供給する。船舶スタビライザー制御システム１２がセンサ１０及び１４によって供給されたプロセス制御変数を処理し、ジャイロアクチュエータ８への適切な制御コマンドを生成する。
【００３３】
船舶安定化システムはジャイロスタビライザーを使用していてもいなくても差し支えないが、説明される実施形態において安定化システムは少なくとも１基のジャイロスタビライザー４を用いる。いくつかの状況において、船舶安定化システムは、ジャイロスタビライザーを用いず、流体力学的スタビライザーを用いることができる。そのような場合、歳差運動信号は、例えば船舶運動を検出するためのジャイロスコープ型センサの歳差運動を検出することによって、得ることができる。
【００３４】
船舶スタビライザー制御システム１２は、ジャイロスタビライザー歳差運動センサ１０及び船舶ロール運動センサ１４からのセンサ信号が利用可能であるか否かを検出するセンサ障害検出手段１６を備える。プロセス制御変数を供給するセンサの障害検出を用いる利点は、階層化制御モードシステムを作動させるため、利用できるプロセス変数(またはセンサ)の検出数を用い得ることである。階層化制御モードのそれぞれは、センサ障害及び電源喪失を耐容するジャイロスタビライザー４の安全で有効な動作を保証するため、利用できるプロセス制御変数を用いるように設計される。利用できるプロセス制御変数の数に基づいて適切な制御モードを選択するため、制御モードセレクタ１８が備えられる。
【００３５】
センサ障害検出手段１６がセンサ１０及び１４のそれぞれからの歳差信号及びロール信号のいずれも利用できると判定すれば、制御モードセレクタ１８は第１の制御モード２０を選択するであろう。制御モード２０は３つの選択可能なコントロールモードの内で最も複雑であり(最上位階層にあり)、ジャイロスタビライザー４から高レベルの性能を提供するため、船舶運動データ及びジャイロスタビライザー運動データのいずれの入力も必要である。
【００３６】
センサ障害検出手段１６が歳差センサ１０及びロールセンサ１４の内の１つからの信号しか利用できないと判定すれば、制御モードセレクタ１８は３つの選択可能な制御モードの内の中位階層である第２の制御モードを選択するであろう。第２の制御モードには、ジャイロスタビライザー４から良レベルの性能を提供するため、船舶運動またはジャイロスタビライザー運動の一方だけの入力データが必要である。
【００３７】
センサ障害検出手段１８が歳差センサ１０及びロールセンサ１４のいずれからの信号も利用できないと判定すると、制御モードセレクタ１８は第３の制御モード２４を選択するであろう。第３の制御モード２４は３つの選択可能な制御モードの最下位階層であり、ジャイロスタビライザー４から限定されたレベルの性能を提供するため、センサ信号を必要とせずに歳差運動の制動の駆動制御を提供する。
【００３８】
センサ障害検出手段１６，制御モードセレクタ１８及び(第１の制御手段２０，第２の制御手段２２及び第３の制御手段２４を含む)様々な安定化制御コマンド発生手段はそれぞれ、一般には信号コントローラにコードで組み込まれる。
【００３９】
図２は、船舶スタビライザー制御システム１２が船舶ロール運動信号及びジャイロスタビライザー運動信号のいずれをもそれぞれのセンサ１４及び１０から受け取る、制御システム１２の第１の制御モード２０を示す。第１の制御モード２０は一般に、所望の歳差運動を生じさせるためにフライホイール６の歳差を駆動するかまたはロール誘起自由歳差に能動的に対抗する(制動する)ジャイロアクチュエータ８の能動制御を提供する。船舶運動センサ１４がロール角信号を提供し、ジャイロスタビライザー歳差運動センサ１０が歳差角信号を供給すれば、制御システム１２は、必要であれば、これらの各信号を微分してレート及び加速度を生成することができる。あるいは、または冗長度を高めるため、船舶運動センサ１４及び／または歳差運動センサ１０にレートセンサ及び／または加速度センサを含めることができる。加速度は積分してレート及び角度を得ることができるから、(一般に確度は低下するにもかかわらず)いかなる角度信号、レート信号または加速度信号も、船舶運動センサ及び歳差運動センサから得ることができ、微分は制御システムによって計算される。
【００４０】
第１の制御モードは、比例-積分-微分(ＰＩＤ)コントローラ、ファジー論理コントローラ、ニューラルネットワークコントローラ、ロバストコントローラ、モデル予測制御法、本出願人等による同時係属出願の国際出願第ＰＣＴ/ＡＵ２０１１/ＸＸＸＸ号の自動利得制御(ＡＧＣ)コントローラを含む適応制御法、またはこれらの及び／またはその他の制御手法の組合せを含むことができる。
【００４１】
ジャイロスタビライザー４に加えて、フィン、ラダー、Ｔフォイル、インターセプター、回流水槽、トランサムフラップ及び可動バラストのような他の安定化装置も備えることができるから、第１の制御モード２０は、他の安定化装置の作用を検出し、安定化装置の最適系を与えるために適宜にジャイロスタビライザー制御を調節する、リソース配分法に応答することができる。第１の制御モードに、例えば、歳差軸制御をどれだけ強くまたは控えめにするべきか、(特に異なる海況には異なるアルゴリズムが優っていれば)どのタイプの制御アルゴリズムを用いるべきか、能動制御が歳差軸運動を駆動するかまたは制動するだけであるか、どの電力レベルで動作するべきか、さらには、予測される特定の時間における海況がどうであるかのような、操作員による入力を必要とするかまたは可能にし得る。第１の制御モード２０は、それぞれが船舶ロール運動信号及びジャイロスタビライザー歳差運動信号のいずれをも必要とする、いくつかの代替可能な第１の制御モードの内の１つとすることができる。第１の制御モード２０は測定された歳差軸データ及び船舶ロール軸データをプロセス制御変数として直接に用いることができ、あるいは、様々なあり得る第１の制御モード２０の制御方法への入力として続いて用いられる、これらの信号の将来状態の推定値を与える予測要素を含むことができる。
【００４２】
図３は、船舶スタビライザー制御システム１２がセンサ１０からのジャイロスタビライザー歳差運動信号だけを受け取る、システム１２の第２の制御モード２２を示す。第２の制御モード２２も、船舶ロール運動センサ信号が利用できないでいるにもかかわらず、ジャイロスタビライザー歳差運動の能動制御を提供することができる。
【００４３】
あるいは、第２の制御モード２２は、適応能力を有しているかまたは有していない、予測制御法または応答制御法を用いて、ジャイロアクチュエータ８に対する歳差軸駆動制御コマンドまたは歳差軸抵抗制御コマンドを計算するため、歳差運動センサ１０からの信号及び／またはその微分を用いることができる。
【００４４】
図３の第２の制御モード２２は、例えば、歳差運動センサ１０からの信号及びその微分を用いる適応制御モードであり得る。ジャイロスタビライザーに歳差制御トルクを与えるためにジャイロアクチュエータ８の制動を制御するための制御信号を発生する、そのような適応制御の一例は、その詳細が本明細書に参照として含まれる、本出願人等による同時係属出願の国際出願第ＰＣＴ/ＡＵ２０１１/ＸＸＸＸ号のＡＧＣコントローラである。本ＡＧＣコントローラは、歳差角または歳差レートがあらかじめ定められた限界をこえるであろうことが検出されるまで歳差軸を、運動を増大させるために歳差制動を漸進的に減じ、検出された時点において、過歳差を防止するために制動が強められる。
【００４５】
図３において、船舶運動センサ信号は存在せず、よって歳差運動センサ信号しか利用できない。逆に、歳差運動センサ信号が失われ、船舶運動センサ信号しか利用できないことがあり得る(図示せず)。この場合、失われた実歳差運動センサ信号の代わりに置き換えるために推定歳差運動センサ信号を発生するため、船舶運動センサ信号及び／またはその微分から歳差運動を推定することができる。この推定された置換信号は、第１の制御モード２０にしたがう動作を可能にするために用いることができる。あるいはしかし、図３にある実歳差得運動センサ信号測定値を歳差運動センサ信号推定値で置き換えることができる。これにより、歳差運動センサ信号は利用できないが船舶運動センサ信号は存在する場合に、様々な対応の第２の制御モード２２の多くを有効に用いることが可能になる。
【００４６】
複数の第２の制御モード２２を船舶スタビライザー制御システム１２に含めることができる。第１の制御モード２０によるように、例えば海況に合わせるかまたはスタビライザーシステムの電力消費を変えるため、第２の制御モードアルゴリズムの調節または選ばれる制御モードまたは制御アルゴリズムの変更さえも可能にするために、操作員による入力またはその他の入力を与えることができる。この第２の制御モード２２あるいは第２の制御モード２２の１つは、回流水槽または可動バラストのような予備安定化装置を制御することもできる。
【００４７】
図４は、船舶運動センサ信号及び歳差軸運動センサ信号のいずれをも利用できない場合の、船舶スタビライザー制御システム１２の第３の制御モード２４を示す。したがって、第３の制御モード２４は受動または手動で操作される制御モードである。例えば、第３の制御モード２４においてジャイロアクチュエータ８に対する制御信号は、あらかじめ定められた歳差制動を与えるための、あらかじめ設定された固定値利得とすることができる。そのような受動制御は、固定レベルの歳差軸の制動または制振は歳差角及び／または歳差力を最大設計海況におけるあらかじめ定められた範囲内または予想動作条件範囲内に制限するために控えめに設定されなければならないから、得られる性能は低い。したがって、受動制御モードは、歳差トルクを直接に適応するかまたは変えることはないから、穏やかな海況において十分な性能を提供をしないであろう。この制限を打ち破るため、おそらくは過歳差を制限しないというリスクを冒して、ジャイロスタビライザー４による穏やかな海況において十分であるかまたは少なくとも改善された性能の提供を可能にするために、制動レベルの手動調節を与えることができる。予備安定化装置が備えられている場合、第３の制御モード２４は予備安定化装置を封鎖しておくかまたは好ましくはデフォルト状態または作動停止状態におくステップを含む。
【００４８】
図５は、ジャイロスタビライザー４に対して歳差軸を制動または制振するトルクを与えるための１つの可能な液圧制御回路の簡単な回路図である。この場合、ジャイロアクチュエータ８には液圧制御回路に２つの液圧シリンダー３０が備えられる。液圧制御回路は、液圧シリンダー３０がポンプ作用で流体に回路内を矢印で示される方向に巡らせるように構成される。(電圧が印加されていない状態では)常時閉である、電気制御比例(またはサーボ)流量制御弁３２がインラインで配置される。正常動作において、液圧油は、歳差に対する可変抗力を生じるために油流量を制限する比例流量制御弁３２を通してポンプで送られる。ジャイロスタビライザー４の正常動作中、比例制御弁３２には制御アルゴリズムによって決定される量だけ開くように電圧が印加されるであろう。弁３２の流量設定を変えることで流量が抑えられる。比例流量制御弁２８は専用増幅器によって制御される。
【００４９】
フェイルセーフ手段として、制御システムから電力が失われた場合(またはシステムがエラー状態にある場合)、比例制御弁３２が閉じて弁３２の流過を阻止する。同時に、電気作動方向性流量制御弁(開／閉)３４が開いて、油の手動調節可能圧力補償比例流量制御弁３６の流過を可能にする。方向性流量制御弁３４は手動調節可能比例流量制御弁３６に直列に連結され、いずれの弁も電気制御比例流量制御弁３２と並列にインラインで連結される。方向性制御弁３４は(電圧が印加されていない状態で)常時開である。正常なジャイロスタビライザーの動作に対してこの弁を閉じたままにしておくためには、ソレノイドコイルに、例えば２４ＶＤＣ電源から０.９Ａの、電力を印加することが必要である。
【００５０】
制御弁にかかる圧力降下が液圧システム設計圧力をこえないことを保証するため、手動設定圧力リリーフ弁３８も電気制御比例流量制御弁３２と並列にインラインで備えられる。この圧力リリーフ弁の設定点が、歳差軸に印加される歳差制御トルクの上限を実効的に定める。圧力フィルタ４０が回路内の液圧流体から不純物を除去する。必要であれば、液圧流体熱交換器４２及び液圧流体蓄圧器４４を備えることができる。さらに、液圧システムの初期充填を、また必要に応じてシステム流体の補充または交換を可能にするため、必要に応じて、フィルタ内蔵手動液圧流体ポンプシステム４６を液圧制御流体貯槽４８に連結することができる。
【００５１】
歳差軸運動を駆動するために液圧システムを提供するため、制御マニホールドを用いて図５の制動液圧制御回路から図６に示される駆動液圧制御回路に切り換えることができる。図６において、例えば操船及びフィンスタビライザー作動に用いられる回路と同様の、駆動液圧制御回路において液圧シリンダー３０は、たすき掛けに(相互に前後十文字に)連結される。液圧流体は、モーター６２で駆動される流量固定／可変ポンプ６０により液圧流体槽５６から吸着フィルタ５８を通して引き出される。流体は、制御のための高圧流体源を与えるため、圧力フィルタ６４を通過して液圧流体蓄圧器６６に入る。方向性比例制御弁６８がポートＰに入る高圧流体源を、歳差軸を一方向に駆動するようにたすき掛け液圧シリンダー３０を作動させるためのポートＡに、または歳差軸を反対方向に作動させるようにたすき掛け液圧シリンダー３０を作動させるためのポートＢに、連結する。方向性比例制御弁６８のポートＡまたはポートＢの一方はそれぞれの液圧シリンダー３０の一方のチャンバに連結され、それぞれのシリンダーの他方のチャンバは、流体を槽５６に戻し、液圧シリンダー３０の伸縮を可能にするために、ポートＴに連結される。
【００５２】
(例えば図５の)歳差制動制御のための液圧制御回路及び(例えば図６の)歳差駆動制御のための液圧制御回路はいずれも、単一の液圧マニホールドに組み込むことができる。
【００５３】
本明細書を通して、歳差角またはロール角が測定される場合、角度信号の微分は制御システム内のプロセッサにとって簡単な作業であるから、この信号の微分が次いで、プロセス制御変数としての使用に利用可能になる。
【００５４】
船舶スタビライザー制御システム及び方法の好ましい実施形態を詳細に説明したから、説明した実施形態が、
(ｉ)  プロセス制御変数またはセンサの障害検出を提供し、検出された数の利用可能プロセス制御変数を階層化制御モードシステムを作動させるために用いることにより、センサ障害及び電源喪失を耐容する、船舶スタビライザーの安全で有効な動作を保証することが可能である；
(ii)  利用できるリソース及び海況に依存して、異なるレベルの制御性能をスタビライザーに与えることができる；
(iii) ２つ以上の制御モードを複合することにより、向上した障害耐容を達成することができる；
を含む、従来技術に優る多くの利点を提供することは明らかであろう。
【００５５】
本発明の基本的発明概念を逸脱せずに上述した実施形態に様々な改変及び改善が、既述に加えて、なされ得ることが当業者には容易に明らかであろう。したがって、本発明の範囲が説明された特定の実施形態に限定されず、添付される特許請求の範囲から定められるべきであることは当然であろう。
【符号の説明】
【００５６】
２    洋上船舶
４    ジャイロスタビライザー
６    フライホイール
８    ジャイロアクチュエータ
１０    ジャイロ歳差運動センサ
１２    船舶スタビライザー制御システム
１４    船舶ロール運動センサ
１６    センサ障害検出手段
１８    制御モードセレクタ
２０    第１の制御モード
２２    第２の制御モード
２４    第３の制御モード
３０    液圧シリンダー
３２    電気制御比例流量制御弁
３４    電気作動方向性流量制御弁(開／閉)
３６    手動調節可能圧力補償比例流量制御弁
３８    手動設定圧力リリーフ弁
４０，６４    圧力フィルタ
４２    液圧流体熱交換器
４４，６６    液圧流体蓄圧器
４６    フィルタ内蔵手動液圧流体ポンプシステム
４８    液圧制御流体貯槽
５６    液圧流体槽
５８    吸着フィルタ
６０    流量固定／可変ポンプ
６２    モーター
６８    方向性比例制御弁
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
2013519887.tif 000008
【国際調査報告】
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2013519887.tif 000010
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