TW201144580A - Ship main engine control system and method - Google Patents

Description

201144580 、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 本發明是關於一種船舶主機和^ 關於-種在複數個模式間切換以之先及方法’特別 之主機控制系統。 叹益（gove聊〇控制 【先前技術】 來谁在ίΐΐ主機的調速控制’―般是採用™控制等 貫!旋轉數在目標旋轉數的控制。又，： 轉二 ==)定範圍時’變更PID控制部的增二轉) 專利文獻1 :特開2009-191774號公報 ’專利讀1的結構，並*是考慮到海象戋护 逮的控制，所以簡消耗改善效果不夠。 认 【發明内容】 控制，以進一步抑 本發明是進行配合海象的調速器 制主機的燃料消耗為目的。 ，發明的主機控制系統，其特徵為具備：控制手 ^ ’二，控制模式下進行主機控制；控制量檢測手

Lr 1機㈣的控制量；以及模式選擇手段，根 康用船速及航行海域的波浪#訊估計控制量的變動 201144580 量，與檢測到的控制量，來進行控制模式的選擇。 主機控制系統，具備例如容許偏差算出手段，從估 計到的變動量算出控制量的容許偏差。再者，主機控制 系統，具備例如比較手段，進行容許偏差與控制量的控 制偏差的比較，控制模式的選擇是例如根據在比較手段 的比較來進行。由此，以極簡略的結構可以選擇對應海 象的控制模式。 控制量為例如主機之旋轉數，容許偏差算出手段為 例如將從來自主機的額定最大旋轉數的裕度（margin ) 來考慮的容許偏差給算出。又，也可以具備裕度變更手 段，用以變更裕度。由此，可以確實地防止主機過度旋 轉的發生。 容許偏差是例如根據變動量的標準差所算出的 值。例如容許偏差被做為標準差的定數倍，也可以具備 定數變更手段，用以變更定數。又，容許偏差是標準差 的定數倍時，定數為例如2〜3.5。 容許偏差算出手段，是參照根據例如船速、波浪資 訊的資料庫來算出變動量。又，變動量為例如考慮船舶 重量的值，資料庫包含關於船舶重量的項目。由此，能 以簡單的結構，迅速正確地配合海象的控制模式進行切 換。 控制模式包含：積極控制模式，積極地進行回到例 如因波浪而變動的控制量的目標值；以及消極控制模 式，進行消極控制到例如容許控制量因波浪而變動的程 度，其中模式選擇手段是在控制量的值超過容許偏差 4 201144580 時，選擇積極控制模式。 模式選擇手段是例如從消極控制模式變更到積極 控制模式後的特定時間，禁止變更至消極控制模式。此 時，特定時間比主機的回答時間長。由此，在主機回答 前，可以防止回到消極控制模式。又，上述船速是例如 對水船速，對水船速是例如從對地船速、測地資訊與海 流資料來算出。再者，主機控制系統具備例如輸入手 段，用來輸入波浪資訊。 本發明的船舶其特徵在於具備上述主機控制系統。 又，本發明的船舶主機控制方法，其特徵在於在複 數個控制模式下控制主機之運轉，檢測控制量，根據用 船速及航行海域的波浪資訊估計控制量的變動量，與檢 測到的控制量，來進行控制模式的選擇。 根據本發明，可以進行配合海象的調速器控制，進 一步抑制主機的燃料消費。 【實施方式】 以下參照附帶圖式說明關於本發明的實施形態。 第一圖表示本實施形態的船舶主機控制系統的結 構的控制方塊圖。 在主機控制系統10,主機11的輸出軸（圖未顯示） 直接連接或經由變速器間接連接推進用的螺槳（圖未顯 示）。主機11例如被回饋控制成引擎的實際旋轉數（控 制量）變成目標旋轉數（目標值）。目標旋轉數是例如 被駕船者C經由控制台12來設定。設定的目標旋轉數 201144580 做為旋轉數指令No被輸入至旋轉數偏差算出部13。輸 出軸的旋轉是用圖未顯示的感應器來檢測，做為實際旋 轉數Ne被輸入至旋轉數偏差算出部13。 在旋轉數偏差算出部13,算出檢測到的實際旋轉 ，Ne與旋轉數指令No之間的旋轉數偏差（Ne_N〇)。 异出的旋轉數偏差（Ne-N〇)被輸出至控制部14及比較 =15。在控制部14根據輸入的旋轉數偏差（Ne_N〇)X 算出做為操作量的調速器指令，控制主機n的操作端 (燃料控制閥或蒸汽閥（圖未顯示）），調整燃料供= π ° '、 、口 隹不貫施形態 ν 〜于乂叶丹侑砟日子器15C， 在比較部15狀做為控制偏差的旋轉數偏差（Ne· 以及計時S 15C的值衫滿足特㈣件（後述）。比 部15根據該判定’輸出模式選擇訊號至控制部μ 控制部14根據模式選擇訊號，進行控 _ 的選擇切換。 、U交返j 在本實施形態’做為—特定條件，例如判斷旋 2差，絕對值丨Ne_N。丨Μ被收斂於容許 ^容許旋轉數請是例如參照以模 = 建^的基準偏差資料庫16，在容許旋轉 被异出。在本貫施形態的基準偏差資料庫！ 對於波浪狀況（例如浪高皮_ °，彔相 物狀態(船的重量)的各值組皮合^^^ (;轉數變動的標準差)。，在容許旋轉== 從參照基準偏差㈣庫16獲得㈣料馳基i偏差 201144580 σ，求得容許旋轉數ΔΝι (後述）。 在此，波浪狀況與貨物狀態（船的重量）被駕船者 C經由控制台12輸入。另一方面’對水船速Vr是從對 地船速Vg與海流速度Vm求得。對地船速Vg是例如 用GPS等測地對地船速器丨8來取得’海流速度Vm是 從以測地對地船速器18得到的地點資訊與海流資料庫 19取得。也就是說’在對地船速補正部20，用對地船 速Vg與海流速度Vm的值算出對水船速Vr，輸入至基 準偏差資料庫16。 接下來，參照第二圖的控制方塊圖來說明關於控制 =14的細節。在本實施形態，採用例如速度型的piD /汽算法（algorithm )。 與在本實施形態，做為控制模式，準備消極控制模式 控制模式，來自旋轉數偏差算出部13的旋轉數 控制i ΝΛΝ〇 )分別被輸出至對應消極控制模式的消極 U。次异部22與對應積極控制模式的積極控制演算部 1/'在5控制^^22，對於旋轉數偏差分別施以 力口 〇丨· S演异（s是拉普拉斯運算子），其後， 叉，=個值，並乘以控制增益Kpi而輸出至切換部Μ。 積？控制，算部23，對於旋轉數偏差分別施以 制増益κ :2二ΐ算，其後，加上三個值，並乘以控 9幾κρ2而輸出至切換部24。 式、s =換部24依照來自比較部15 (參照第-圖） ""擇訊號’僅將來自選擇的控制模式所對應的讀^部 201144580 22、23的輸出’選擇性 25，對於來自在切換部24、㈣。”5。在累加部 r做為調速―)輸 波浪ί ϊ ^祕騎肖_ _容許因 ^ μ =際疋轉數⑹的變動在現在波浪 =通常變動範圍内的狀況，特別是被選擇在^因良 工轉raemg)等導致過度旋轉產生的危險的狀離。 又，積極控制模式是積極地（早期）皮；

No^##V ^，J * } ^ § ^ . ^ ―、吴式被選擇在目前的波浪狀況下通常不會產 貫際旋轉數Ne有大變動發生的狀況。 曰 巧’消極㈣演算部22的&被設 控制演算部23的κρ2小的值。又，因為Tii盘τ.2、積丁才 與對應控制對象的頻率特性來設定者，所以通^ 會被設定在大致相同的值，但是外部擾動與控制對 頻率特性類似時，可以分別給予不同值（每組類似 於Tn、Ti2組與了⑴、Td2組。 接下來，參照第一圖以及第三圖的流程圖，說明關 於在比^交部15執行的處理以及特定條件的具體例。 又，本實施形態的調速器系統具備手動控制模式與自動 控制模式，第三圖的流程圖所示的處理，在自動控制模 式被駕船者C選擇時開始。又，自動控制模式被選擇後 201144580 务、接著’消極控制模式就被選擇’從比較部15輸出對 應消極控制模式的模式選擇訊號至控制部14。又，在 手動控制模式，例如經常選擇積極控制模式。 在步驟S100，計時器15C的計數值cn被設定為 0。其後在步驟S102，判定旋轉數偏差的絕對值|Ne_N〇| 疋否比谷許旋轉數ANt小。當判定絕對值|Ne_N〇|小於 容許旋轉數ΔΝΐ ’則在步驟S104，計時器15C的計數 值CN會被判定大於預設特定值cs。 在步驟S104，若判定為CN>CS，則在步驟sl〇6 輸出至控制部14的模式選擇訊號，被切換至對應消極 控制模式的訊號’處理會回到步驟S102。另一方面， 在步驟S1G4，當判定不是CN>CS，則處 回到 步驟S102。 =S^08，判定現在的模式選擇訊號是否對應於消極 ^制模式者。若是消極控制模式，則在步驟川〇，計 被重設，並啟動計數器15C，開始計數值CN 在各特定時間的計數。其後在步驟SU2， 控 切擇訊號被切換至對應於積極控制模式的 讯唬，處理回到步驟Sl〇2。 S’ ’當判定現在輪出的模式選擇訊 號不疋沾極控制訊號，則處理回到步驟 也就是說’㈣比較部丨5的±述 制模式的切換，當旋 筆侧被狀大於容許旋轉數_，則立刻進行控制 201144580 模式的切換。另一方面，在從積極控制模 控制极式’選擇積極控·式後的特 對姓極 會被變更。控制模式切換的禁止，經過^ = 2也不 當判定旋轉數偏差的絕對值，_Ν。丨小於“ :J :: △Nt，則從積極控制模式切換至消極控制模式。數 制定時間（设定值CS)是例如考慮防止將杵 的控制模式立刻回到消極控制模式 週期來決定。也就是說，設定成比對於 =的引擎旋轉數回應被—階延遲地單純化時的時門」 及二以實施自動運轉的波浪狀況所誘發的負i: 動週期更長的時間（例如8〜12秒程度）。 、戰文 A接下來，說明關於容許旋轉數ΔΝί。在本眚# 態’容許旋轉數請是引擎旋轉數基準偏差 也) σ的定數倍，例如2〜3.5倍，更佳為2 5〜3二 ） 算出部Π鲁也就是說，旋“偏差： 、-、邑對值|Ne-N〇|變得比容許旋轉數ΔΝ1;更大， 的 旋轉變動範圍幾乎不會發生，在這種狀況被認為 極控制。又，較數較佳輕被駕船者c狀、積 又，當目標旋轉數（旋轉數指令）Ν〇與 數ANt的和（No+ANt) ’大於主機u的最大 = 數Nm，則實際旋轉數Ne有可能超過最大額定 Nm。因此，在本實施形態，容許旋轉數算出部i7 j 自動變更ΔΝί的值小於（Nm-No)的值，使和 201144580

Nt)的值不超過最大額定旋轉數^^。此時，△奶的值 ^ (Nm-Να)的值之間’較佳為設有旋轉數裕度，旋轉 數裕度是例如能被駕船者C設定、變更。也就是說，容 =轉數算出部17，從設定的裕度與主機1()的最大額 疋疋轉數，補正上述的容許旋轉數^价並輸出。 箱土 ί ’引擎旋轉數基準偏差σ是用如以下的流體解析 戶Ϊ就是說’對於在各種狀況的船舶的對水速 ^ f ί 波高、波解（波浪資訊）、船舶重量 :、，、且° ’卩進行考慮船體運動的流體解析，來計算至 進=槳的流人速度變動，根據該螺紫流人速度的變 動，求得對各組合的引擎旋轉數基準偏差^。 浐螺3細Γΐ明，若螺槳形狀（例如螺距）是已知， 人速度’在螺槳效率最大的條 的J適螺槳旋轉速度。因此，對於 J唯 連接的主機輸出軸的最適度ί 忒的％轉數變動是做為其定數倍來 數變動的模擬，算出對於對水和 :/〜引擎％轉 2率）、船舶重量的各組合的主機旋轉數變動的標準 以者二重量極大的船舶，由於船體運動小，可 乂名略考慮船體運動的模擬。這種 差資料庫省略關於船泊重量# / 攸基準偏 入關於船舶重量的資二m需要駕船者c輸 台12’僅輸入波浪資u目種經由控制 型油輪（tanker)笙_/、知靛轉數即可。又，在大 ，可以僅準備空船時與滿载時的資 201144580 料，駕船者c則從兩者中任選一。 如以上所述，根據本實施形態，從現在的對水船速 與波浪資afl，將主機的控制模式配合海象而可適當選 擇，並可以大幅抑制燃料消費。特別是，在本實施形態， 從現在的對水船速、波浪資訊估計的主機旋轉數變動的 旋轉數基準偏差（標準差）來求得旋轉數變動的容許偏 差，據此進行控制模式的切換，所以以極端簡略的結 構，可實現對應海象的調速器控制。特別是波高數公尺 的波浪狀況下，在外海航行的時候，相較於用以往的一 身又主機疋轉數控制的船舶’有1 %〜2 %的燃料費改善 效果。 … ° 又’在本實施形態’將對應各種船速、波浪資訊的 力疋轉數基準偏差（標準差）預先模擬，將這些關係做為 資料庫保存利用，因此能以簡略結構求得對應現在船 速、波浪資訊的基準偏差。 u 再者’在本實施形態，因為從以測地、對地船速器 得到的資料與海流資料庫的資訊，得到更正確的現在對 水船速，所以可以以高精確度進行控制模式的切換。 又，在本實施形態，船舶的重量也做為在基準偏差資料 庫的旋轉數基準偏差分類的一項目，並輸入貨物狀態， 藉此來把握船舶的正確重量，所以可以更正確地估計旋 轉數基準偏差。 以與主機之最大額定旋轉數的關係來補正容許偏 差，所以防止主機的過度旋轉。再者，容許旋轉數偏差 與目標值的和，與最大額定旋轉數之間設有裕度，將裕 201144580 度做為可調整者，藉此可以進行更有彈性且安全 器控制。 王“。、 又’本實施形態在自動控制中’準備了消極於制模 式與積極控制模式兩個控制模式，但例如將燃^指標 (fuel index)固定的燃料模式進一步做為自動^制 控制模式來加入也可以。這種狀況，將例如比:沭六 許旋轉數偏差（第一容許旋轉數偏差）小的第二^許广 轉數偏差用於消極控制模式與燃料控制模式疋 換判定，當旋轉數偏差大於第二容許旋轉數偏差j := 換為消極控制模式’例如在特定時間之期減= 不超過第二容許旋轉數偏差的狀況，也可以=: 控制模式到燃料模式的切換。又，也可：：巧極 模式與燃料模式構成自動控制，也可 亟二制 為控制量的控制模式（例如用力矩感應； 準旋轉數偏差（=。ΐ波浪會讯、船舶重量的基 似式、或資料庫與内插式的結構。 K併用近 的容準差以外的值求出旋轉數（控制量） 準差以外的代，從表示控制量的變動分佈的標 週期的最大值、最】…例如’求出在控制4變動的各 這些平均值求出4:^控：量二平均值的差，可以從 卉偏差。又，在本實施形態，比較了 201144580 控制偏差與容許偏差，但也可以比較目標值與容許偏差 的和與控制量。 又，海流的影響變少時，也考慮用對地船速代替對 水船速。在本實施形態’波浪資訊以目視確認，而被駕 船者輸入，但也可以用感應器等自動取得這些資訊。 【圖式簡單說明】 第一圖：表示本實施形態的船舶主機控制系統的結構的 控制方塊圖。 第=圖：詳細表示第一圖的控制部的方塊圖。 ^圖：在比較部進行的控制模式切換判定處理的流程 【主要元件符號說明】 10 主機控制系統 11 主機 12 控制台 13 旋轉數偏差算出部 14 控制部 15 比較部 15C 計時器 16 基準資料庫 17 容許旋轉數算出部 18 測地、對地船速器 19 海流資料庫 201144580 20 對地船速補正部 22 消極控制演算部 23 積極控制演算部 24 切換部 25 累加部 C 駕船者

Ne 實際旋轉數

No 旋轉數指令 V g 對地船速 Vm 海流速度 Vr 對水船速 △ Nt容許旋轉數 σ 引擎旋轉數基準偏差

Claims (1)

1. 201144580 七、申請專利範圍： 1. 一種船舶主機控制系統，其特徵為具備： &制在複數個控制模式下進行主機的控制； ^制里檢測手段，檢測在前述控制的控制量；以及 拉^選擇手&，根據縣速及航行海域的波浪資訊估計 j控制量的變動量，與檢測到的前述控制量，來進 行别述控制模式的選擇。 2.二申請，請第1項所述之船舶主機控制系統， 山、f、·、^偏差异出手段，從估計到的前述變動量算 出别述控制量的容許偏差。 # U請專利範圍第2項所述之船舶主機控制系統， 二較手段，進行前述容許偏差與前述控制量的 的比較，前述控制模式的選擇是根據前述比 第2或3項所述之船絵機控制系 統，其中別述控制量是前述主機的旋轉數。 5.:申:奢專利範圍第4項所述之船 ;中前述容許偏差算出手段是將從來自前=二 6·=申請專利範圍第5項所述之船舶主機控制李統， 裕度變更手段，用以變更前述裕度。 項中任—項所述之船舶主機 ==出其的/。述容許偏差是根據前述變動量的標 201144580 8·如申請專利範圍第4 其中前述容許偏差被做為船舶主機控制系統， 舶主機控制系統具備··定U》準I的定數倍，該船 定數。 邊更手段，用以變更前述 9_如申請專利範圍第8 其中前述定數為2〜35〕 ^之船舶主機控制系統， 10.如t請專利範圍第2 其t前述容許偏差算出手主機控制系統， 前”浪資訊的資料庫來算出前述船速、 .如申請專利範圍第10項 里 庫也包含闕於前述船舶重量的項目f的值H貝枓 12·如申睛專利範圍第1〜11項中彳 機控制系統，其中所述之船舶主 式，積極地進行回到因波浪而變動^、=?制模 述目標值；以及消極控制槿述控制量的前 前述控制量因波、、f @進仃消極控制到容許 手段是在的程度’其中前述模式選擇 前述積極控制^式里的值超過則述容許偏差時，選擇 13以=第12項所述之船舶主機控制系統， 式遠擇手段是從前述消極控 消==:_式後㈣定時間’禁止變更S述 14.ί7ΐ2?;第13項所述之船舶主機控制系統， 中則34特定時間比前述主機的回答時間長。 17 201144580 15·如申請專利範園第丨〜 以r述船‘ 其令前述心是機控制系統， 料來算出。 ί也熬速、測地貧訊與海流資 ===::16項中任-項所述之船舶主 ^錢，具備··輸人手段，用錢人前述波浪資 17 其特徵為具備如申請專利範圍第1 員中任-項所述之船舶域控制系統。 19二種ί舶主機控制方法，其特徵在於：在複數個押 及機之運轉’檢測控制量，根據用船i ΐ浪計㈣量的變動量，與檢測 J的刖述拴制置，來進行前述控制模式的選擇。