CN102811903A - 船舶的主机控制系统以及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种船舶的主机控制系统以及方法。通过模拟而计算考虑了对于各种波高、波周期、对水船速、船舶的重量等的组合的船体运动的螺旋桨流入速度。根据所计算的螺旋桨流入速度的变动，计算主机旋转数的变动，求出标准偏差σ。把这些结果作为基准偏差数据库（16）。参照基准偏差数据库（16），从航行中的波高、波周期、对水船速、船舶的重量求出标准偏差，计算允许旋转数偏差△Nt。在控制部（14）中进行主机（11）的PID控制，设置增益不同的多种控制模式。根据比较部（15）中的旋转数偏差与允许旋转数偏差△Nt的比较，切换控制部（14）的控制模式。

Description

船舶的主机控制系统以及方法

技术领域

本发明涉及一种船舶的主机控制系统以及方法，特别是，涉及在多种模式之间切换调速器控制的主机控制系统。

背景技术

在船舶中的主机的调速控制中，一般使用PID控制等，进行把实际旋转数维持为目标旋转数的控制。另外，在这种把旋转数维持为一定的控制中，提出了在谋求维持驾船性的同时提高燃油效率的目的下，当实际旋转数或者设定旋转数的值超过了规定范围时，变更PID控制部的增益的控制方法（专利文献1）。

专利文献1：日本特开2009-191774号公报

发明内容

（发明要解决的问题）

然而，专利文献1的构成由于不是考虑了海象或者船速的控制，因此燃油效率改善的效果并不充分。

本发明的目的是进行配合海象的调速器控制，进一步抑制主机的燃料消耗。

（解决技术问题的技术方案）

本发明的主机控制系统的特征是，具备：控制单元，在多种控制模式下进行主机的控制；控制量检测单元，检测主机的控制中的控制量；模式选择单元，根据使用船速以及航行海域的波浪信息而推定的控制量的变动量和检测出的控制量，进行控制模式的选择。

主机控制系统具备例如从所推定的变动量计算控制量的允许偏差的允许偏差计算单元。此外，主机控制系统具备例如进行允许偏差与控制量的控制偏差的比较的比较单元，控制模式的选择例如根据比较单元中的比较进行。由此，能够以极简单的构成，进行对应海象的控制模式的选择。

控制量例如是主机的旋转数，允许偏差计算单元计算例如考虑了来自主机的最大额定旋转数的容限的允许偏差。另外，还可以具备用于变更容限的容限变更单元。由此，能够更可靠地防止发生主机的过旋转。

允许偏差例如是根据变动量的标准偏差而计算的值。允许偏差例如为标准偏差的常数倍，还可以具备用于变更常数的常数变更单元。另外，当允许偏差是标准偏差的常数倍时，常数例如是2～3.5。

允许偏差计算单元例如参照基于船速、波浪信息的数据库计算变动量。另外，变动量例如是考虑了船舶的重量的值，数据库也包括与船舶的重量有关的项目。由此，能够以简单的构成迅速/正确地进行配合海象的控制模式的切换。

在所述控制模式中包括：积极控制模式，例如积极地进行由于波浪而变动的控制量向目标值的恢复；消极控制模式，例如进行允许由波浪引起的控制量的变动的程度的消极控制。当控制量的值超过允许偏差时，模式选择单元选择积极控制模式。

模式选择单元例如在从消极控制模式变更成积极控制模式以后，在规定时间内，禁止向消极控制模式的变更。这时，规定时间比主机的响应时间长。由此，能够防止在主机响应之前返回到消极控制模式。另外，上述船速例如是对水船速，对水船速例如根据对地船速、测地信息和海流数据而计算。此外，主机控制系统具备例如用于输入波浪信息的输入单元。

本发明的船舶的特征是具备上述主机控制系统。

另外，本发明的船舶的控制方法的特征是，在多种控制模式下控制主机的运转，检测控制量，根据使用船速以及航行海域的波浪信息而推定的控制量的变动量和检测出的控制量，进行控制模式的选择。

（发明的效果）

依据本发明，能够进行配合海象的调速器控制，能够进一步抑制主机的燃料消耗。

附图说明

图1是示出本实施方式的船舶用主机控制系统的构成的控制框图。

图2是示出图1的控制部的详情的框图。

图3是由比较部进行的控制模式切换判定处理的流程图。

符号说明

10：主机控制系统

11：主机

12：控制台

13：旋转数偏差计算部

14：控制部

15：比较部

16：基准数据库

17：允许旋转数计算部

18：测地/对地船速器

19：海流数据库

20：对地船速修正部

22：消极控制运算部

23：积极控制运算部

24：切换部。

具体实施方式

以下，参照附图说明本发明的实施方式。

图1是示出作为本发明的一个实施方式的船舶的主机控制系统的构成的控制框图。

在主机控制系统10中，主机11的输出轴（未图示）直接、或者经过变速器间接连接到推进用的螺旋桨（未图示）。主机11进行反馈控制，使例如发动机的实际旋转数（控制量）成为目标旋转数（目标值）。目标旋转数例如由驾船者C通过控制台12设定。所设定的目标旋转数作为旋转数指令No输入到旋转数偏差计算部13。使用未图示的传感器检测输出轴的旋转，作为实际旋转数Ne输入到旋转数偏差计算部13。

在旋转数偏差计算部13中，计算检测出的实际旋转数Ne与旋转数指令No之间的旋转数偏差（Ne－No）。计算出的旋转数偏差（Ne－No）输出到控制部14以及比较部15。在控制部14中，根据输入的旋转数偏差（Ne－No）计算作为操作量的调速器指令，控制主机11的操作端（燃料控制阀门或者蒸汽阀（未图示）），调整燃料供给量。

另外，在本实施方式中，比较部15具备计时器15C，在比较部15中，判定作为控制偏差的旋转数偏差（Ne－No）以及计时器15C的值是否满足规定条件（后述）。比较部15根据该判定，向控制部14输出模式选择信号，在控制部14中，根据模式选择信号，进行控制模式（后述）的选择/切换。

在本实施方式中，作为规定条件之一，例如判定旋转数偏差的绝对值｜Ne－No｜是否在允许旋转数△Nt以内。例如参照通过模拟或者实验等预先生成的基准偏差数据库16，在允许旋转数计算部17中计算允许旋转数△Nt。在本实施方式的基准偏差数据库16中，记录对于波浪状况（例如波高、波周期等）、对水船速、载荷的状态（船的重量）的各值的组合的发动机旋转数基准偏差（旋转数变动的标准偏差）σ，在允许旋转数计算部17中，从参照基准偏差数据库16得到的发动机旋转数基准偏差σ，求出允许旋转数△Nt（后述）。

这里，波浪状况和载荷的状态（船的重量）由驾船者C经过控制台12输入。另一方面，对水船速Vr从对地船速Vg和海流速度Vm求出。对地船速Vg例如使用GPS等测地/对地船速器18取得，海流速度Vm从由测地/对地船速器18得到的地点信息和海流数据库19取得。即，在对地船速修正部20中使用对地船速Vg和海流速度Vm的值计算对水船速Vr，输入到基准偏差数据库16。

接着，参照图2的控制框图，说明控制部14的详情。在本实施方式中，例如使用速度形的PID算法。

在本实施方式中，作为控制模式，准备消极控制模式（消極制御モード）和积极控制模式（積極制御モード），来自旋转数偏差计算部13的旋转数偏差（Ne-No）分别输出到与消极控制模式相对应的消极控制运算部22、与积极控制模式相对应的积极控制运算部23。

在消极控制运算部22中，对于旋转数偏差分别实施1／T_i1、s、T_D1·s²的运算（s是拉普拉斯算子），然后，把3个值相加的同时，乘以控制增益K_p1，输出到切换部24。另外，在积极控制运算部23中，对于旋转数偏差分别实施1／T_i2、s、T_D2·s²的运算，然后，把3个值相加的同时，乘以控制增益K_p2，输出到切换部24。

切换部24根据来自比较部15（参照图1）的模式选择信号，仅把与所选择的控制模式相对应的来自运算部22、23的输出选择性地向积算部25输出。在积算部25中，对于由切换部24选择的来自消极控制运算部22的输出或者来自积极控制运算部的输出，实施积分运算1／s，作为调速器指令（操作量），向主机11的操作端输出。

这里，消极控制模式是进行允许由波浪引起的实际旋转数（控制量）Ne的变动的程度的消极控制的模式，在实际旋转数Ne的变动处在当前波浪状况中的通常的变动范围内的情况下被选择，特别是，在没有发生由空转等引起的过旋转的危险的状态下选择。

另外，积极控制模式是积极（早期）地进行由于波浪而变动的实际旋转数（控制量）Ne向目标旋转数（目标值）No恢复的模式，在发生了在现状的波浪状况下通常不会发生的很大的实际旋转数Ne变动的情况下被选择。

从而，消极控制运算部22的K_p1设定为比积极控制运算部23的K_p2小的值。另外，T_i1和T_i2、T_D1和T_D2根据控制对象的频率特性设定，通常设定为大致相同的值，但是当干扰和控制对象的频率特性相似时，可以在T_i1、T_i2的组和T_D1、T_D2的组中分别给出不同的值（每组类似的值）。

接着，参照图1以及图3的流程，说明在比较部15中执行的处理以及规定条件的具体例子。另外，本实施方式的调速器系统具备手动控制模式和自动控制模式，当由驾船者C选择了自动控制模式时，开始图3的流程表示的处理。另外，在刚刚选择了自动控制模式以后，选择消极控制模式，从比较部15向控制部14输出与消极控制模式相对应的模式选择信号。另外，在手动控制模式下，例如，通常选择积极控制模式。

在步骤S100中，计时器15C的计数值CN设定为0。然后，在步骤S102中，判定旋转数偏差的绝对值｜Ne-No｜是否小于允许旋转数△Nt。如果判定为绝对值｜Ne－No｜小于允许旋转数△Nt，则在步骤S104中，判定计时器15C的计数值CN是否大于预先设定的规定值CS。

在步骤S104中，如果判定为CN＞CS，则在步骤S106中，输出到控制部14的模式选择信号切换成与消极控制模式相对应的信号，处理返回到步骤S102。另一方面，在步骤S104中，如果判定为不是CN＞CS，则处理立即返回到步骤S102。

另外，在步骤S102中，如果判定为不是｜Ne－No｜＜△Nt，则在步骤S108中，判定当前的模式选择信号是否与消极控制模式相对应。如果是消极控制模式，则在步骤S110中，复位计数值CN的同时，起动计时器15C，开始计数值CN的每个规定时间的计数。然后，在步骤S112中，输出到控制部14的模式选择信号切换成与积极控制模式相对应的信号，处理返回到步骤S102。

另外，在步骤S108中，如果判定为当前输出的模式选择信号不是消极控制模式，则处理立即返回到步骤S102。

即，依据比较部15中的上述处理，在从消极控制模式向积极控制模式的切换中，如果判定为旋转数偏差的绝对值｜Ne－No｜大于允许旋转数△Nt，则立即进行控制模式的切换。另一方面，在从积极控制模式向消极控制模式的切换中，在选择了积极控制模式以后，在规定时间内（与规定值CS相对应），禁止控制模式的切换，在该期间不会变更模式选择信号。控制模式切换的禁止在经过规定时间以后解除，如果判定为旋转数偏差的绝对值｜Ne－No｜小于允许旋转数△Nt，则从积极控制模式向消极控制模式切换。

考虑了例如在刚刚将控制模式切换为积极控制模式以后，防止比发动机旋转数的响应还快的控制模式向消极控制模式的返回或者负荷变动的周期，决定上述规定时间（设定值CS）。即，设定把对于主机的操作端的输入的发动机旋转数响应一阶延时（一次遅れ）地单纯化时的时间常数、以及比由能够实施自动运转得到的波浪状况而引起的负荷变动周期还长的时间（例如8～12秒左右）。

接着，说明允许旋转数△Nt。在本实施方式中，允许旋转数△Nt作为发动机旋转数基准偏差（标准偏差）σ的常数倍，例如2～3.5倍，更优选的是2.5～3倍，在允许旋转数计算部17中计算。即，旋转数偏差的绝对值｜Ne－No｜比允许旋转数△Nt大的情况在通常的旋转数变动的范围内几乎不可能，在这种情况下，认为需要积极控制。另外，该常数优选能够由驾船者C设定/变更。

另外，如果目标旋转数（旋转数指令）No和允许旋转数△Nt之和（No＋△Nt）比主机11的最大额定旋转数Nm大，则具有实际旋转数Ne超过最大额定旋转数Nm的可能性。从而，在本实施方式中，允许旋转数计算部17具备把△Nt的值自动地变更为比（Nm－No）小的值的功能，使得和（No＋△Nt）的值不超过最大额定旋转数Nm。这时，优选的是在△Nt的值与（Nm－No）的值之间设置旋转数容限（マージン），旋转数容限例如能够由驾船者C设定/变更。即，允许旋转数计算部17从所设定的容限和主机10的最大额定旋转数，修正并输出上述的允许旋转数△Nt。

另外，如以下那样使用流体分析预先求出发动机旋转数基准偏差σ。即，对于各种状况中的船舶的对水速度（对水船速）、波高、波频率（波浪信息）、船舶的重量等的组合，通过考虑船体运动的流体分析，计算对于推进用螺旋桨的流入速度的变动，根据该螺旋桨流入速度的变动，求出对于各组合的发动机旋转数基准偏差σ。

更详细地进行说明，如果螺旋桨形状（例如螺距）是已知的，则从螺旋桨流入速度，在螺旋桨效率最大的条件下，唯一地决定最佳的螺旋桨旋转速度。从而，与螺旋桨直接或者经过变速器连接的主机输出轴对于最佳螺旋桨旋转速度的旋转数变动作为其常数倍被计算。从该发动机旋转数变动的模拟，计算对于对水船速、波浪信息（波高、波频率）、船舶的重量的各组合的主机的旋转数变动的标准偏差σ。

另外，在船体重量极大的船舶中，由于船体运动小，因此能够省略考虑船体运动的模拟。这种情况下，能够从基准偏差数据库减去与船体重量有关的项目，也不再需要由驾船者C输入与船体重量有关的信息。这种情况下，驾船者C只要通过控制台12仅输入波浪信息和目标旋转数即可。另外，在大型油轮等中，也可以是仅准备空载时和满载时的数据，驾船者C选择两者中的某一种的构成。

如上所述，依据本实施方式，能够从当前的对水船速和波浪信息配合海象而适当地选择主机的控制模式，能够大幅度地抑制燃料消耗。特别是，在本实施方式中，根据从当前的对水船速、波浪信息推定的主机旋转数变动的旋转数基准偏差（标准偏差）求出旋转数变动的允许偏差，根据该偏差进行控制模式的切换，因此能够以极简单的构成实现对应于海象的调速器控制。特别是，在波高数米的波浪状况下在远洋航行时，与现有的使用一般的主机旋转数控制的船舶相比较，具有1％～2％的燃油效率改善效果。

另外，在本实施方式中，预先模拟与各种船速、波浪信息相对应的旋转数基准偏差（标准偏差），并将这些关系作为数据库保存/利用，因此能够以简单的构成迅速地求出对应于当前的船速、波浪信息的基准偏差。

此外，在本实施方式中，由于从由测地/对地船速器得到的数据和海流数据库的信息得到当前的更正确的对水船速，因此能够以高精度进行控制模式的切换。另外，在本实施方式中，由于船舶的重量也成为基准偏差数据库中的旋转数基准偏差分类的一个项目，同时，通过输入载荷的状态，把握船舶的正确的重量，因此能够进行旋转数基准偏差的更正确的推定。

另外，在本实施方式中，由于按照与主机的最大额定旋转数的关系进行允许偏差的修正，因此防止主机的过旋转。此外，通过在允旋转数偏差和目标值之和与最大额定旋转数之间设置容限并使其能够调整，从而能够进行更灵活并且安全的调速器控制。

另外，在本实施方式中，该自动控制中，准备消极控制模式和积极控制模式这两种控制模式，但是例如也可以进一步把固定燃料指数的燃料模式添加为自动控制中的控制模式。这种情况下，例如，把比上述的允许旋转数偏差（第1允许旋转数偏差）小的第2允许旋转数偏差，在消极控制模式与燃料模式之间的切换判定中使用，当旋转数偏差比第2允许旋转数偏差大时，切换为消极控制模式，例如在规定时间期间，在旋转数偏差没有超过第2允许旋转数偏差的情况下，进行从消极控制模式向燃料模式的切换。另外，也可以仅用积极控制模式和燃料模式构成自动控制，还能够在自动控制中使用把其它的物理量作为控制量的控制模式（例如使用转矩传感器等的输出控制）或者与它们的组合。此外，在本实施方式中，虽然使用了速度形的PID，但也可以是其以外的控制形式。

另外，还能够把本发明适用在反馈控制以外的情况。另外，在本实施方式中，使用对于船速、波浪信息、船舶的重量的基准旋转数偏差（标准偏差）的数据库，但是也能够采取近似式或者并用数据库和插补式的构成。

另外，也能够从标准偏差以外的值求出旋转数（控制量）的允许偏差。即，也能够从表示控制量的变动的分布的标准偏差以外的代表值计算，例如，能够求出控制量的变动的各周期中的最大值、最小值与控制量的平均值之差，并从其平均值求出允许偏差。另外，在本实施方式中，把控制偏差与允许偏差进行了比较，但是也可以把目标值和允许偏差之和与控制量进行比较。

另外，在由海流产生的影响少时，代替对水船速也可以考虑使用对地船速。在本实施方式中，通过目视确认波浪信息，由驾船者输入，但是也可以使用传感器等自动地取得这些信息。

Claims (19)

1.一种船舶的主机控制系统，其特征在于具备：

控制单元，在多种控制模式下进行主机的控制；

控制量检测单元，检测所述控制中的控制量；

模式选择单元，根据使用船速以及航行海域的波浪信息而推定的所述控制量的变动量和检测出的所述控制量，进行所述控制模式的选择。

2.根据权利要求1所述的主机控制系统，其特征在于具备允许偏差计算单元，所述允许偏差计算单元从所推定的所述变动量计算所述控制量的允许偏差。

3.根据权利要求2所述的主机控制系统，其特征在于具备进行所述允许偏差与所述控制量的控制偏差的比较的比较单元，根据所述比较进行所述控制模式的选择。

4.根据权利要求2或3中任一项所述的主机控制系统，其特征在于，所述控制量是所述主机的旋转数。

5.根据权利要求4所述的主机控制系统，其特征在于，所述允许偏差计算单元计算考虑了来自所述主机的最大额定旋转数的容限的允许偏差。

6.根据权利要求5所述的主机控制系统，其特征在于具备用于变更所述容限的容限变更单元。

7.根据权利要求2至6中任一项所述的主机控制系统，其特征在于，所述允许偏差是根据所述变动量的标准偏差而计算的值。

8.根据权利要求4所述的主机控制系统，其特征在于，所述允许偏差为所述标准偏差的常数倍，所述主机控制系统具备用于变更所述常数的常数变更单元。

9.根据权利要求8所述的主机控制系统，其特征在于，所述常数是2～3.5。

10.根据权利要求2所述的主机控制系统，其特征在于，所述允许偏差计算单元参照基于所述船速、所述波浪信息的数据库计算所述变动量。

11.根据权利要求10所述的主机控制系统，其特征在于，所述变动量是考虑了所述船舶的重量的值，所述数据库也包括与所述船舶的重量有关的项目。

12.根据权利要求1至11中任一项所述的主机控制系统，其特征在于，在所述控制模式中包括：积极控制模式，积极地进行由于波浪而变动的所述控制量向所述目标值恢复；消极控制模式，进行允许由波浪引起的所述控制量的变动的程度的消极控制；当所述控制量的值超过所述允许偏差时，所述模式选择单元选择所述积极控制模式。

13.根据权利要求12所述的主机控制系统，其特征在于，所述模式选择单元在从所述消极控制模式变更成所述积极控制模式以后，在规定时间内，禁止向所述消极控制模式的变更。

14.根据权利要求13所述的主机控制系统，其特征在于，所述规定时间比所述主机的响应时间长。

15.根据权利要求1至14中任一项所述的主机控制系统，其特征在于，所述船速是对水船速。

16.根据权利要求15所述的主机控制系统，其特征在于，所述对水船速根据对地船速、测地信息和海流数据而计算。

17.根据权利要求1至16中任一项所述的主机控制系统，其特征在于具备用于输入所述波浪信息的输入单元。

18.一种船舶，其特征在于具备权利要求1至17中任一项所述的主机控制系统。

19.一种船舶的主机控制方法，其特征在于，在多种控制模式下控制主机的运转，检测控制量，根据使用船速以及航行海域的波浪信息而推定的控制量的变动量和检测出的所述控制量，进行所述控制模式的选择。

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