舵减摇装置的发展
基于陀螺减摇装置的船舶横摇减摇研究
DOI:10.19423/ki.31-1561/u.2022.04.124基于陀螺减摇装置的船舶横摇减摇研究刘 义１，２ 夏召丹１，２ 汤雅敏１ 张杰杰１ 范佘明１，２（１． 上海市船舶工程重点实验室 中国船舶及海洋工程设计研究院 上海 ２０００１１；２． 喷水推进技术重点实验室 上海２００２４０）［摘 要］ 船舶在航行过程中需要减摇系统来抵抗风浪，从而使其能够稳定作业，并提高安全性和船员的舒适度。
陀螺减摇装置作为一种非常有效的减摇装置，其优点是其完全在船体内发挥作用，不需要足够的可移动质量来产生控制力矩。
该文首先建立了船舶在随机海浪中的非线性波浪力扰动模型，并结合陀螺减摇装置工作原理，建立船舶与陀螺减摇装置联合动力学模型，分别为自然驱动和控制器驱动的2种陀螺稳定器模型，构造了相应的MATLAB Simulink船舶运动控制仿真框图。
仿真结果表明：自然驱动和控制器驱动的陀螺稳定器都能通过轮子高速旋转和进动角变化的陀螺效应来减小横摇。
与自然驱动的陀螺稳定器相比，控制器驱动的陀螺稳定器能更有效地减少船舶非线性横摇运动。
［关键词］船舶横摇；陀螺减摇装置；不规则波浪；控制；进动角［中图分类号］ U661.2+2 ［文献标志码］A ［文章编号］1001-9855（2022）04-0124-08On Ship Roll Stabilization Based on GyrostabilizerLIU Yi1,2 XIA Zhaodan1,2 TANG Yamin1 ZHANG Jiejie1 FAN Sheming1,2(1. Shanghai Key Laboratory of Ship Engineering, Marine Design & Research Institute of China, Shanghai200011, China; 2.Science and T echnology on Water Jet Propulsion Laboratory, Shanghai 200240, China) Abstract: Stabilizing systems are necessary for the ship in wind and waves to ensure stable operations and improve the safety and comfort of the crew.As an effective stabilizer, gyrostabilizer acts entirely within the hull without requiring sufficient movable weight to generate a control moment. The nonlinear wave force disturbance model of the ship in random waves is firstly established. The combined dynamic model of the ship and the gyrostabilizer is then built together with the working principle of the gyrostabilizer. The corresponding MATLAB Simulink block diagramsof the ship motion control are constructed for two kinds of gyrostabilizer models, i.e., the natural-driven gyrostabilizer model and the controller-driven gyrostabilizer model. The results show that both the natural-driven and controller-driven gyrostabilizer are able to reduce the rolling motion through the gyroscopic effect of high-speed spinning and precession angel variation. The controller-driven gyrostabilizer can reduce the nonlinear rolling motion of the ship more effectively than the natural-driven gyrostabilizer.Keywords:roll; gyrostabilizer; irregular waves; control; precession angle收稿日期：2022-06-05 ；修回日期： 2022-06-18作者简介：刘 义（1988-），女，博士，高级工程师。
船舶减摇技术现状及发展趋势
SHIP ENGINEERING 船舶工程V ol.34 Supplement 2 2012 总第34卷，2012年增刊2船舶减摇技术现状及发展趋势洪超1,陈莹霞2（1．中国船舶重工集团公司第704研究所，上海 200031；2．上海船舶设计研究院，上海 201203）摘 要：传统的船舶减摇装置包括减摇鳍、减摇水舱、舵减摇、减摇陀螺、减摇重块等，本文介绍了这些传统的减摇装置的发展现状及近年来出现的新型减摇装置，包括零航速减摇鳍、舵鳍联合减摇、舱鳍联合减摇、Magnus效应回转轴减摇、减纵摇、船舶姿态控制系统等，并对未来的新型减摇装置进行了预测。
关键词：减摇鳍；减摇水舱；舵减摇；陀螺；减摇发展中图分类号：U664.7 文献标志码：A 文章编号：1000-6982 (2012) Z2-0236-09Current Situation and Tendency of Development ofShip Stabilizer TechniqueHONG Chao1, CHEN Ying-xia2(1. Shanghai Marine Equipment Research Institute, Shanghai 200031, China; 2. Shanghai Merchant Ship Design andResearch Institute, Shanghai 201203, China)Abstract: The traditional ship stabilizer includes fin stabilizer, anti-rolling tank, rudder roll stabilizer，moved mass stabilizer etc..this paper introduces the development status of these traditional stabilizers and some new stabilizers developed in recent years, such as fin stabilizer at zero speed, rudder-fin stabilizer, tank-fin stabilizer, Magnus Effect rotor stabilizer, pitch stabilizer and ship motion control system. And the prospective ship stabilizers are forecasted at the last part of this paper.Key words: fin stabilizer; anti-rolling tank; rudder roll stabilizer; gyro roll stabilizer; development1 概述人类从19世纪初的帆船年代的舭龙骨开始，就已经开始了船舶减摇的努力和斗争，前后共提出了350余种不同类型的减摇装置，其中用于了实践的达20几种[1]。
船舶考点1
1.反映船舶的操纵性能的有：包括航向稳定性、机动性。
（包括船舶的启动、加速、减速、停车、保持航向、航迹、位置、回转、规避）2.船舶运动稳定性中的船舶固定稳定性、控制稳定性:按是否操舵,稳定性可分为固定稳定性和控制稳定性,固前者取决于船体几何形状,后者取决于整个闭合回路的特性。
固定稳定性越好的船,控制稳定性也越好。
3.船舶回转特性的参数:反横距(L3)：船舶从初始直线航行至回转运动轨迹反向最大偏离处的距离。
满舵时约为0.01L。
正横距(L2):船舶从初始直线至船艏转向90º时，船舶重心所在位置之间的距离;S2越小，回转性越好。
纵距(L1)：从转舵时可船舶重心至船舶转向90度时沿原航线方向计算的距离。
一般为3~4L。
L1越小，说明操舵反映灵敏。
战术直径(DT)：从船舶原来航线至船舶转向180°时，船舶中剖面所在位置之间的距离。
DT越小，则回转性越好，一般DT约为3~6L。
定常回转直径Dc：定常回转阶段船舶重心点圆形轨迹的直径，一般为0.9DT。
进程：纵距L1 –定常回转半径 R。
相对回转直径D/L：通常用D/L代表回转性优劣。
4.船舶运动的线性、非线性模型:1．Davidson-Schiff模型2．野本船舶操纵运动模型3.船舶操纵运动非线性模型 (1).野本非线性模型（在二阶野本模型基础上，则将非线性项）(2).Bech非线性模型(3). Norrbin 非线性模型(4).考虑船舶航速损失的操纵模型-Van Leeuwen 模型5. 舵叶的分类:1.按面积对转轴位置：普通舵，平衡舵，半平衡舵。
2按剖面结构：平板舵，流线型舵，特种舵。
3特种舵：NACA舵，襟翼舵，西林舵，扭曲舵。
6. 横摇运动参数的测试方法:横摇衰减试验：当船舶横摇角大于5度时，让船舶作自由横摇衰减，用记录仪记录自由横摇衰减曲线。
然后通过衰减曲线确定船舶的横摇阻尼、转动惯量和横摇固有周期。
7.影响船舶减摇效果的因素:8. 减摇水舱的分类:控制方式分类:被动式减摇水舱,可控被动式减摇水舱,主动式减摇水舱结构上分类:U型减摇水舱(Frahm水舱)槽型水舱（Flume水舱）9.水舱设计的约束条件:水舱的高度应不小于水深的 1.7倍。
船舶减摇方式介绍及发展趋势
船舶减摇方式介绍及发展趋势船舶减摇是指通过一系列的技术和装置来减轻或消除船舶在海洋中的摇晃或波动。
船舶的摇晃是由于海洋波浪、气流、液体运动等因素造成的，造成失衡情况，不仅引起人员、货物的不适，而且还会对船舶本身造成损坏。
因此，船舶减摇技术在海洋工程中显得尤为重要。
以下是船舶减摇方式介绍及发展趋势。
1. 常规减摇法常规方法是通过船体形状改变、水动力作用、船舶重心调整和加装水阻板、减震材料等来实现减摇的目的。
例如，增加吃水线长度和减小船头面积可以使船舶更加稳定，缩小重心高度并加大重心升降调整力矩可以增加船舶的稳定性。
主动减摇法是通过电子控制系统、水动力作用、变形机构等来实现减摇的目的，常见的主动减摇装置有主动均舱系统、主动悬挂系统等。
主动均舱系统通过调整舱室内的水位来改变船舶的重心位置，从而实现减摇的目的；主动悬挂系统通过改变水下机构的形状和运动状态，以改变水下水动力，从而减少船舶在海洋中的摇晃。
被动减摇法是通过船舶外壳、结构、内部装置等被动方式实现减摇的目的。
被动减摇装置包括振动吸收体、液压阻尼器、机械阻尼器等，这些装置可以在船体产生摇晃时产生反作用力来实现减摇的效果。
目前，船舶减摇技术已经取得了许多进展，随着科学技术的不断进步，船舶减摇技术也将继续发展。
未来的发展趋势可能涉及到船舶自适应控制系统、声学减摇技术、磁浮减摇技术等，这些新技术可以更有效地减轻船舶在海洋中的摇晃，提高航行的安全和效率。
综上所述，船舶减摇技术对于保障航行安全和提高运输效率至关重要，其发展趋势也正在持续向着更加智能、高效、安全的方向发展，必将对海洋工程领域的发展产生深远的影响。
舰船舵阻摇技术的研究现状及展望
介 绍 了 国外 定 型 的舵 阻 摇 产 品 ， 对 舵 阻 摇 今 后 研 究 的 重 点 进 行 了展 望 。 并
关 键 词 ： 舰 船 ；舵 ； 阻 摇 舵
中图分 类号 ： Ｕ ７ ． ６５ １
文献标 识 码 ： Ａ
Ｏ ｖ ｒ ｉ ｗ ｎ ｔ ｃ ｎｏ ｏ ｙ ｏ ｕｄ ｒ ｒ ｌ ｄ ｍ ｐｉ ｇ ｅ ｖ ｅ ｉ ｅ ｈ ｌ ｇ ｆｒ ｄｅ ｏ ｌ ａ ｎ
１ 舵 阻 摇
船 的横摇虽 然是 由风 、 等外部 作用 力对 船体 施 浪
Ｆ ｎ ｌｙ，ｔ ｒｎ ｉ ｌｐ ｏ ｌｍ ｓ ｉ ｉ ａｌ ｈｅ ｐ ｃｐａ ｒ ｂ ｅ ｎ ＲＲＤ ｒ ｏ ｐｅ ｔｄ． ｉ ａ ｅ ｐｒ ｓ ｃ ｅ
Ｋ ｅ ｒ ｓ： ｗａ ｓ ｐ；ｒ ｄ ｅ ；ｒ ｄ ｅ ｏｌｄ ｍｐｉｇ ｙ ｗｏ ｄ ｒｈｉ ｕ ｄ ｒ ｕ ｄ ｒｒｌ ａ ｎ
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第２ ９卷 第 ４期
２ ０ 年 ８月 ０７
文 章 编 号 ：６ ２—７ ４ （ ０ ７ ０ ０ ２ ０ １７ ６ ９ ２ ０ ） ４— ０ ２— ５
舰
船
科
学
技
术
Ｖｏ ． ９， Ｎｏ． １２ ４
ＳＨＩ ＣＩ Ｐ Ｓ ＥＮＣＥ ＡＮＤ ＴＥＣＨＮＯＬ ＯＧＹ
ｉｓ ｌ ． ｆｒｔｙ Ｔｈ ｎ ｍａ ｅ ｎｙ ＲＲＤ ｏ ｔｏ ｌ ｏ ｔ ｃ ｎ ｒ ｌａｇ ｒ ｈｍｓａ ｅ ｐ ｏ ｉ ｅ ｎ ｈ ｖ ｒｅ ｒ ｄｕ ｔｏ ｓｏ ｉ ｒ ｒ ｖｄ ｄ ａ ｄ ｔ ｅ ｏ ｅ ａｐ ｏ ｃｉ ｎ ｆＲＲＤ ｒ ｎ ｒｄｕ ｅ ｓ ａ ｅ ｉ ｔｏ ｃ ｄ．
船用减摇装置原理
船用减摇装置原理船舶在航行过程中会受到海浪的影响，从而产生摇晃的运动，这种摇晃会给船舶和船员带来很大的安全隐患。
为了解决这个问题，船舶上通常会安装减摇装置，以减小船体的摇晃幅度，提高船舶的稳定性和航行安全性。
船用减摇装置的原理主要包括水动力原理和控制原理两个方面。
水动力原理是指利用水的力量来抵消船舶的摇晃运动。
船用减摇装置通常由一个或多个减摇槽组成，这些减摇槽位于船舶的两侧，沿船体纵向分布。
当船舶受到侧向波浪的作用时，水会穿过减摇槽，形成与波浪相位相反的力，从而产生一个与船舶摇晃方向相反的力矩。
这样，船舶受到的摇摆力矩就会减小，从而减小了船体的摇晃幅度。
控制原理是指通过一系列的控制系统来实时监测船体的摇晃情况，并根据监测结果调整减摇装置的工作状态。
控制系统通常由传感器、计算机和执行机构组成。
传感器用于感知船体的摇晃情况，如倾斜角度、加速度等；计算机用于处理传感器采集到的数据，并根据一定的控制算法计算出减摇装置的工作状态；执行机构则根据计算机的指令，调整减摇装置的工作参数，如减摇槽的开启程度、开启时间等。
船用减摇装置的工作过程可以简单概括为以下几个步骤：1. 传感器感知船体的摇晃情况，将采集到的数据发送给计算机；2. 计算机根据传感器采集到的数据，通过控制算法计算出减摇装置的工作状态；3. 执行机构根据计算机的指令，调整减摇装置的工作参数；4. 减摇装置开始工作，水流通过减摇槽产生与船体摇晃方向相反的力，从而减小船体的摇晃幅度；5. 一段时间后，计算机重新采集船体的摇晃情况，并根据新的数据调整减摇装置的工作状态；6. 重复以上步骤，不断监测和调整减摇装置的工作状态，以保持船体的稳定性。
船用减摇装置通过水动力原理和控制原理的相互配合，能够有效减小船体的摇晃幅度，提高船舶的稳定性和航行安全性。
目前，船用减摇装置已广泛应用于各类大型船舶，如客船、油轮、货船等。
在未来，随着技术的不断发展，船用减摇装置的性能将进一步提升，为航行中的船舶提供更加稳定和安全的环境。
侧推与减摇装置共26页
=57.3M/W·GM
减摇水舱的减摇能力一般为2~3º，减摇鳍能力较大,客船通 常为5º，军舰为7º，集装箱船和货船在5º以下。
实际上，任何减摇装置都不可能完全克服横摇，总有一定 剩余横摇，并可用减摇率R表示：
R=（1 - s/us）x100%
三、侧推器的管理
1、操作时注意事项：
（1）要有足够的发电机台数投入工作后方可使用 侧推器。侧推器主电动机功率较大，使用前要确 认电站的供电量能否满足。一般设有发电机台数 联锁装置，达不到规定工作台数（有的规定为三 台）侧推器起动不了。
（2）船速在5Kn以下方可使用侧推器。在操纵台 上有标识牌。
（3）当转换操作位置前，要确认主控制器和副控 制器两者控制杆位置和负荷一致后方可切换。
3）使船在恶劣海况下保持航行，保证航期和提高船舶营 运率；
4）减少船舶偏航，还能避免因激烈摇摆引起的航速下降， 节约燃料；
5）可减少或避免货物和集装箱的移位，减少货损；
6）可改善船员工作环境，保证船员工作效率。
3、减摇装置的能力
为了平衡波倾角量为 的波浪所作用于船舶的横摇力矩， 减摇装置必须具有与该力矩相等的减摇力矩。实际上减 摇装置所具有的减摇力矩是有限，通常将其最大减摇力 矩所能克服的波浪波倾角 作为衡量减摇装置能力的标 志，并称为减摇装置的当量波倾角或减摇能力。
横摇、升沉（垂荡）、横荡、纵荡。
对于船舶设备、船员、旅客和货物有不良影响的是纵摇、 升沉和横摇，而横摇影响最大。在恶劣的海况下，船舶 横摇30~40º是常见的。
海况越恶劣，波倾角越大，船舶摇摆也越激烈。 设波高h，波长L，则：
=180h/L
当船舶遭遇到一个波长大大超过船宽、波倾角为的横浪 时，就会受到波浪给予的一个横摇力矩，力图使船舶中 线与波面垂直，此力矩称为横倾力矩M，在数值上与船 在静水中倾斜时复原力矩相等。
游艇陀螺仪减摇仪原理
游艇陀螺仪减摇仪原理答案：游艇陀螺仪减摇仪的原理主要是基于陀螺效应，通过利用陀螺的角动量进行减摇。
这种装置内部装有重型飞轮，依靠飞轮的角动量（动量矩）与进动效应进行减摇。
角动量是衡量陀螺减摇能力的关键指标，直接关系到减摇效果。
相比其他类型的减摇装置，减摇陀螺具有以下优点：减摇效果好，可达80%-95%；不受航速的影响，航行、停泊状态都可减摇；适装性好，船舱、甲板、居中、偏置都可装；没有伸出船体的附件，工作时不影响航速；允许安装多台，联合工作，适配更大船型。
因此，减摇陀螺成为中小型船艇的首选减摇方案，现已成为引航艇、海事巡逻艇等船的标配。
延伸：一、陀螺仪的工作原理陀螺仪是一种能够感知和保持方向的装置，其工作原理基于陀螺效应。
当陀螺被旋转时，它会在空间中保持方向不变，不受外部力的干扰。
因此，如果将陀螺仪装置安装到一个运动的物体上，它可以被用来感知该物体的运动状态。
二、减摇仪的构成和工作流程减摇仪就是利用陀螺仪来感知游艇在海上的状态，并通过控制机械装置来抵消不良的晃动和颠簸。
减摇仪由陀螺传感器、控制电路和驱动单元组成。
它通过感知游艇的晃动状态来控制陀螺仪旋转速度和角度，从而减少游艇的晃动和颠簸。
三、减摇仪减轻游艇晃动和颠簸的原理在海上航行时，游艇容易受到波浪、风浪等外部环境因素的影响，导致晃动和颠簸。
而减摇仪通过感知游艇晃动状态，将这些信号传输给控制电路，并控制驱动单元来调整陀螺仪的旋转速度和角度。
由于陀螺效应的作用，减摇仪所产生的反作用力可以抵消游艇的晃动和颠簸，使得游艇行驶更加平稳。
四、减摇仪的应用前景目前，减摇仪已经成为许多游艇和船只的标配装置。
它能够大大提高游艇的航行舒适性，减轻乘客的晕船感。
同时，减摇仪还为游艇的安全性和稳定性提供了重要保障，避免了极端天气条件下的风险。
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舵减摇装置的发展
舵减摇是基于正确利用下述两条规律发展起来的：
在操舵时，舵除产生一个使舰船转向的艏摇力矩以外，还产生一个横摇力矩；
一般舰船的艏摇响应周期大约是横摇固有周期的一倍左右。
舵减摇装置可以在控制操舵系统完成保持航向功能的同时，还能进行更高频率（舰船横摇固有频率附近）的操舵，使舵产生横摇力矩而不影响舰船的正常航行。
与鳍减摇装置相比，舵减摇装置具有造价低、所占船内空间小、使用和维修方便，以及便于对原来没有配备减摇控制装置的现役舰船进行加装改造等优点。
早在1972年，就有人探讨了用舵作为稳定装置的可能性，并在一艘商船上试验成功。
早期美国舰船一般都不采用减摇鳍。
后来为了提高舰船在风浪中的特殊作业功能（例如直升机的起降作业，保持拖曳线列阵有尽可能多的时间正常工作，以及补给作业等），设法寻找提高舰船耐波性的途径才考虑安装减摇装置。
利用原有的舵机作为执行机构，加上相应的控制器达到减小横摇的目的，无疑是一个极好的可行的方案。
1974年美国泰勒舰船研究发展中心（DTNSRDC）开始研究在军舰上安装减摇装置的可能性，并研制了两台样机。
主要设计思想是：
供舰船作业期间短期使用（半小时左右）。
将舵减摇系统和自动驾驶仪分成两个独立的系统，简化舵减摇装置的设计与制造。
在使用舵减摇时，用人工操舵保持航向，一旦舵减摇装置发生故障，便可转换到自动舵。
控制原理是采用了有自适应性的角速度模拟控制。
这两台样机分别安装在两艘115米长、30 00吨的哈密尔顿级巡逻舰上，于1976年和1979年进行了海上试验。
在横浪中，当有义波高为2.14~2.44米，航速为14节时，横摇角有义值从4.83度减小到2.45度，减摇效果达49.3%，此外横荡加速度也有所减小。
早期的舵减摇装置都是采用控制规律简单的模拟系统，鉴于当时技术水平，不可能实现更为复杂的控制规律，加之舰船原有舵机性能的限制，因此减摇效果不总是那么理想。
1986年至1987年美国泰勒舰船研究发展中心和海军科技部又相继推出第一代和第二代数控舵减摇装置，第一代是利用原有舵机加上数字控制器使减摇性能又有提高。
第二代不仅采用了数字控制器而且配上了为舵减摇而专门研制的新舵机，使减摇效果大幅度提高，甚至达到70%的减摇水平。
由于原来的舵机操舵角速度只能在4度/秒以下，为了增大减摇力矩，如果舵机允许操舵角速度大于8度/秒，则舵减摇装置的性能将会有明显提高。
另外，新研制的舵机将满足功率、结构载荷以及对磨损等新的要求。
美国已经在斯普鲁恩斯级上进行了成功的试验，并研制了在航母上采用的舵减摇装置。
在美国获得试验成功的鼓舞下，80年代荷兰、瑞典等国也开展了舵减摇装置的研究。
1984年瑞典哥德堡船模试验水池（SSPA）着首研制型号为ROLL-NIX的舵减摇装置。
1987年在瑞典皇家海军两艘舰艇上进行了试验。
一艘为巡逻艇（艇长35米，排水量170吨，航速27节），一艘为布雷舰（舰长105米，排水量3300吨，航速16节）。
舵机速度都是8度/秒，在蒲氏风级4~6级的横浪和尾斜浪中减摇效果达40~60%。
ROLL-NIX采用了基于现代控制理论的自适应滤波器和调节器，可适应海况和航速的变化。
它的硬件有摩托罗拉MC 68000微机、角速度陀螺、自动舵控制、ROLL-NIX控制和电源控制器。
共组成两个部件：主设备和控制单元。
主设备约重12千克，体积约为0.5×0.2×0.3立方米。
控制单元重约13千克，体积约为0.2×0.1×0.1立方米。
可将它用于对现役舰船的原操舵装置进行改装，也可用于新船建造，只要1到2天就可以完成安装和调试。
该装置利用微机对信号进行数字滤波，提高了控制质量。
它也兼有航向自适应操舵仪的功能，在启用舵减摇时可任意选择用手舵和自动舵保持航向。
当要求改变航向时，减摇控制会自动脱开。
待进入指定方位后马上又
重新开始工作，ROLL-NIX型舵减摇装置至1990年已生产了60余套，安装在吨位从160~ 11000吨级的各种客船、舰艇以及工作船和救生船上。
荷兰在舵减摇方面获得了十分丰富的研究成果。
1981年荷兰皇家海军向DELFT大学咨询能否用舵减摇替代减摇鳍。
1982年荷兰皇家海军、DELFT大学和Van Rietschoten & Ho uwens公司签订了共同设计舵减摇自动驾驶仪的协议书，为期4年。
他们用一年时间与MA RIN研究所合作，通过数学模拟计算、物理模拟试验、8米长的遥控模型海上试验和实船试验，证实了用舵来替代减摇鳍的功能是可行的，明确了舵机和船型方面影响减摇效果的关键因素。
当时的试验是采用简单的固定增益控制仪，所以对不同的海况，要有人工加以仔细调解。
为此，用了3年时间进一步解决舵减摇自动驾驶仪对海况、操纵系统（舵角、舵角速度）限制的自适应，得到了许多有价值的成果，研制成ASSA型舵减摇自动驾驶仪，并按计划于1990年6月底安装在M级护卫舰的首制舰上。