JP6047923B2 - Variable pitch propeller control device, ship equipped with variable pitch propeller control device, and variable pitch propeller control method - Google Patents

Variable pitch propeller control device, ship equipped with variable pitch propeller control device, and variable pitch propeller control method Download PDF

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Description

本発明は、可変ピッチプロペラ(Controllable Pitch Propeller 以下、適宜CPPと記す。)装備船において、CPP翼角制御の応答遅れにより生じる問題を抑制することができる可変ピッチプロペラ制御装置、当該装置を搭載した船舶および可変ピッチプロペラ制御方法に関する。   The present invention is equipped with a variable pitch propeller control device capable of suppressing problems caused by response delay in CPP blade angle control in a ship equipped with a variable pitch propeller (hereinafter referred to as CPP as appropriate). The present invention relates to a ship and a variable pitch propeller control method.

特許文献1には、エンジンの負荷または出力を増加させる際に発生する煙の量を減少させることを目的として、(1)最初に一定出力のもとでプロペラのピッチを減少させ、エンジンおよび可変ピッチプロペラの回転速度を増加させる、(2)次いで、エンジンの出力を増加させるとともに、ほぼ一定の回転速度を維持するために、プロペラのピッチを増加させる、(3)エンジンの出力をプロペラ効率が最適値に達するまで増加させる、(4)出力増加の必要性に応じて(1)〜(3)の操作を繰り返す可変ピッチ・プロペラ及びディーゼルエンジンの燃料噴射制御方法が記載されている。
特許文献2には、船舶推進装置において、主機の燃料消費効率を最適に保つことができるように、ガバナ制御とプロペラピッチ制御手段等を総合的に制御する構成が記載されている。
特許文献3には、波浪等の影響によるプロペラ流入速度の変動に合わせて効率の高い回転数で主機を運転して燃費の向上を図ることを目的として、プロペラ流入速度把握手段と、主機の回転数を制御する回転数制御手段と、プロペラ流入速度の変動に合わせて目標回転数の修正を行う修正手段とを備え、修正手段は、プロペラ流入速度の変動に対して、効率線図上、効率が低下しない経路に沿って制御ポイントの移動を図り目標回転数を修正する舶用エンジン制御システムが記載されている。
特許文献4には、海象に合わせたガバナ制御を行い、主機の燃料消費を抑えることを目的として、主機の制御を複数の制御モードの下で行う制御手段と、主機の制御における制御量を検出する制御量検出手段と、船速および航海領域の波浪情報を用いて推定される制御量の変動量と、検出された制御量とに基づいて制御モードの選択を行うモード選択手段とを備えた主機制御システムが記載されている。
In Patent Document 1, for the purpose of reducing the amount of smoke generated when the load or output of an engine is increased, (1) the pitch of the propeller is first reduced under a constant output, and the engine and variable Increase the rotation speed of the pitch propeller. (2) Next, increase the engine output and increase the propeller pitch to maintain a substantially constant rotation speed. (3) Propeller efficiency increases the engine output. The variable pitch propeller and the fuel injection control method for the diesel engine are described in which the operation is increased until reaching the optimum value, and (4) the operations of (1) to (3) are repeated according to the necessity of increasing the output.
Patent Document 2 describes a configuration in which the governor control, the propeller pitch control means, and the like are comprehensively controlled in the marine vessel propulsion device so that the fuel consumption efficiency of the main engine can be kept optimal.
Patent Document 3 discloses a propeller inflow speed grasping means and a rotation of the main engine for the purpose of improving the fuel consumption by operating the main engine at a highly efficient rotational speed in accordance with fluctuations in the propeller inflow speed due to the influence of waves and the like A rotation speed control means for controlling the number of rotations, and a correction means for correcting the target rotation speed in accordance with fluctuations in the propeller inflow speed. The correction means is efficient on the efficiency diagram with respect to fluctuations in the propeller inflow speed. There is described a marine engine control system that corrects a target rotational speed by moving a control point along a path that does not decrease.
Patent Document 4 discloses control means for controlling the main engine in a plurality of control modes for the purpose of performing governor control in accordance with sea conditions and suppressing fuel consumption of the main engine, and detecting a control amount in the control of the main engine. And a mode selection means for selecting a control mode on the basis of the detected control amount and the amount of change in the control amount estimated using ship speed and wave information in the voyage area. Main engine control system is described.

特開平7−149287号公報JP 7-149287 A 特開平8−239093号公報JP-A-8-239093 特開2010−236463号公報JP 2010-236463 A 特開2011−214471号公報JP 2011-214471 A

可変ピッチプロペラ装備船のCPP翼角制御においては、駆動方式による程度の差はあるものの指令値に対する応答遅れが存在する。このため、その精度を向上させ波浪により生じる負荷変動に推進系を追従させるためには、この応答遅れを考慮した上でCPP翼角を制御することが好ましい。しかし、特許文献1〜4に記載の発明はいずれも、直近の計測データを入力値として用いるものであり、CPP翼角の応答遅れについて何ら考慮されていない。
そこで、本発明は、CPP翼角制御において、CPP翼角の駆動における指令値に対する応答遅れを考慮することにより、特に波浪中における負荷変動の抑制による主機トラブルの減少や、最適制御理論等に基づくエネルギー消費量抑制等を実現することができる、可変ピッチプロペラ制御装置、当該装置を搭載した船舶および可変ピッチプロペラ制御方法を提供することを目的としている。
In the CPP blade angle control of a ship equipped with a variable pitch propeller, there is a response delay with respect to a command value although there is a difference in degree depending on the drive system. Therefore, in order to improve the accuracy and make the propulsion system follow the load fluctuation caused by the waves, it is preferable to control the CPP blade angle in consideration of this response delay. However, any of the inventions described in Patent Documents 1 to 4 uses the latest measurement data as an input value, and does not consider any response delay of the CPP blade angle.
Therefore, the present invention is based on the reduction of main engine troubles by suppressing load fluctuations in waves, optimum control theory, etc. by taking into account the response delay to the command value in driving the CPP blade angle in CPP blade angle control. An object of the present invention is to provide a variable pitch propeller control device, a ship equipped with the device, and a variable pitch propeller control method capable of realizing energy consumption suppression and the like.

請求項1に記載の本発明の可変ピッチプロペラ制御装置は、船体を駆動する原動機としての主機と、前記主機により駆動軸を介して駆動される可変ピッチプロペラと、前記可変ピッチプロペラの運転条件を設定する運転条件設定手段と、前記可変ピッチプロペラへの水の流入速度を、リアルタイムで求めたリアルタイム流入速度に基づいて少なくとも前記可変ピッチプロペラの駆動系の時間遅れを考慮して設定した予測先時間における予測流入速度として予測するプロペラ流入速度予測手段と、前記運転条件設定手段により設定された運転条件と前記プロペラ流入速度予測手段で予測した前記予測流入速度に基づいて前記可変ピッチプロペラを制御する制御手段を備えたことを特徴とする。
上記の構成により、プロペラ流入速度予測手段による予測結果を用いて可変ピッチプロペラを制御して、可変ピッチプロペラのCPP翼角制御における応答遅れによる影響を抑制することができる。
A variable pitch propeller control device according to a first aspect of the present invention includes a main engine as a prime mover for driving a hull, a variable pitch propeller driven by the main engine via a drive shaft, and operating conditions of the variable pitch propeller. The operation condition setting means to be set, and the predicted destination time set in consideration of the time delay of the drive system of the variable pitch propeller based on the real time inflow speed obtained in real time for the inflow speed of water to the variable pitch propeller A propeller inflow speed predicting means for predicting the predicted inflow speed in the engine, and a control for controlling the variable pitch propeller on the basis of the operating conditions set by the operating condition setting means and the predicted inflow speed predicted by the propeller inflow speed predicting means. Means are provided.
With the above configuration, it is possible to control the variable pitch propeller using the prediction result by the propeller inflow velocity prediction means, and to suppress the influence due to the response delay in the CPP blade angle control of the variable pitch propeller.

請求項2に記載の本発明は、請求項1に記載の可変ピッチプロペラ制御装置において、前記プロペラ流入速度予測手段による前記予測流入速度の予測は、前記流入速度をリアルタイムで計測するために設けたリアルタイム計測手段の計測結果に基づく予測であることを特徴とする。
上記の構成により、リアルタイム計測手段により得られた計測結果に基づいて予測された流入速度を用いて、可変ピッチプロペラの応答遅れを考慮した制御を行うことができる。
The present invention described in claim 2 is the variable-pitch propeller control system as claimed in claim 1, wherein the prediction of the predicted inflow rate by the propeller inflow velocity predicting means, provided for measuring the inflow rate in real time The prediction is based on the measurement result of the real-time measurement means.
With the above configuration, it is possible to perform control in consideration of the response delay of the variable pitch propeller, using the inflow velocity predicted based on the measurement result obtained by the real-time measurement means.

請求項3に記載の本発明は、請求項2に記載の可変ピッチプロペラ制御装置において、前記リアルタイム計測手段は、前記駆動軸のトルク計測が可能な軸馬力計であることを特徴とする。
請求項4に記載の本発明は、請求項2に記載の可変ピッチプロペラ制御装置において、前記リアルタイム計測手段は、前記駆動軸のスラスト計測が可能な軸馬力計であることを特徴とする。
上記の構成により、軸馬力計により駆動軸のトルク計測、スラスト(推力)計測のリアルタイム計測により得られた計測結果に基づいて流入速度を予測することができる。
According to a third aspect of the present invention, in the variable pitch propeller control device according to the second aspect, the real-time measuring means is a shaft horsepower meter capable of measuring the torque of the drive shaft.
According to a fourth aspect of the present invention, in the variable pitch propeller control device according to the second aspect, the real-time measuring means is a shaft horsepower meter capable of measuring the thrust of the drive shaft.
With the above configuration, the inflow speed can be predicted based on the measurement result obtained by the torque measurement of the drive shaft and the real time measurement of the thrust (thrust) measurement by the shaft horsepower meter.

請求項5に記載の本発明は、請求項3または請求項4に記載の可変ピッチプロペラ制御装置において、前記予測流入速度の予測に当たって、前記可変ピッチプロペラの単独性能曲線と前記主機の回転数と前記可変ピッチプロペラのピッチ角を利用したことを特徴とする。
上記の構成により、可変ピッチプロペラの単独性能曲線と主機の回転数とピッチ角とを利用して、可変ピッチプロペラへの水の流入速度を容易に予測することができる。
According to a fifth aspect of the present invention, in the variable pitch propeller control device according to the third or fourth aspect, in the prediction of the predicted inflow speed, the independent performance curve of the variable pitch propeller and the rotational speed of the main engine The pitch angle of the variable pitch propeller is used.
With the above configuration, the inflow speed of water to the variable pitch propeller can be easily predicted using the single performance curve of the variable pitch propeller, the rotation speed and the pitch angle of the main engine.

請求項6に記載の本発明は、請求項2に記載の可変ピッチプロペラ制御装置において、前記船体にさらに相対水位計測手段および/または入射波計測手段と船体運動計測手段を備え、前記予測流入速度の予測に当たって前記相対水位計測手段および/または前記入射波計測手段と前記船体運動計測手段の計測結果を利用したことを特徴とする。
上記の構成により、相対水位計測手段および/または入射波計測手段により計測された波と、船体運動計測手段により計測された船体運動とから、プロペラ流入速度の変動に関する情報を得ることができる。
According to a sixth aspect of the present invention, in the variable pitch propeller control device according to the second aspect, the hull further includes a relative water level measuring means and / or an incident wave measuring means and a hull motion measuring means, and the predicted inflow velocity. In the prediction, the relative water level measurement means and / or the measurement results of the incident wave measurement means and the hull motion measurement means are used.
With the above configuration, it is possible to obtain information on fluctuations in the propeller inflow speed from the waves measured by the relative water level measuring means and / or the incident wave measuring means and the hull motion measured by the hull motion measuring means.

請求項7に記載の本発明は、請求項1から請求項6のうちの1項に記載の可変ピッチプロペラ制御装置において、前記制御手段は、前記主機のエネルギー消費量が最小となるように前記可変ピッチプロペラのピッチ角を制御したことを特徴とする。
請求項8に記載の本発明は、請求項7に記載の可変ピッチプロペラ制御装置において、前記ピッチ角の制御の前後において前記船体の速度が一定に保たれるように制御したことを特徴とする。
請求項9に記載の本発明は、請求項8に記載の可変ピッチプロペラ制御装置において、前記船体の速度は、海象を考慮したものであることを特徴とする。
上記の構成により、CPP翼角制御における応答遅れの影響をふまえた上、エネルギー消費量が最小となるように制御することができる。船体の速度を下げれば、通常、エネルギー消費量をも下げることができるが、船体の速度を一定に保つ必要がある場合、この条件下において応答遅れの影響をふまえた上で、主機のエネルギー消費量が最小となるよう制御を行うこともできる。なお、「船体の速度を一定に保つ」とは、CPP翼角の制御の前後において、速度を厳密に一定に維持すること、あるいは目標とする速度の周辺で平均的に維持することをいう。
According to a seventh aspect of the present invention, in the variable pitch propeller control device according to one of the first to sixth aspects, the control means is configured so that the energy consumption of the main engine is minimized. The pitch angle of the variable pitch propeller is controlled.
The present invention according to claim 8 is the variable pitch propeller control device according to claim 7, wherein the speed of the hull is controlled to be constant before and after the control of the pitch angle. .
According to a ninth aspect of the present invention, in the variable pitch propeller control device according to the eighth aspect of the present invention, the speed of the hull takes into account sea conditions.
With the above configuration, it is possible to control the energy consumption to be minimized while taking into account the influence of response delay in CPP blade angle control. If the speed of the hull is reduced, the energy consumption can usually be reduced. However, if it is necessary to keep the speed of the hull constant, the energy consumption of the main engine is taken into account under the influence of the response delay under these conditions. Control can also be performed to minimize the amount. “Keeping the speed of the hull constant” means that the speed is kept strictly constant before or after the control of the CPP blade angle, or is maintained on the average around the target speed.

請求項10に記載の本発明は、請求項1から請求項6のうちの1項に記載の可変ピッチプロペラ制御装置において、前記制御手段は、前記駆動軸の軸トルクの変動を平滑化するように前記可変ピッチプロペラを制御したことを特徴とする。
請求項11に記載の本発明は、請求項10に記載の可変ピッチプロペラ制御装置において、前記運転条件設定手段で前記軸トルクの目標値を設定し、前記軸トルクの目標値に近づけるように平滑化をおこなったことを特徴とする。
請求項12に記載の本発明は、請求項1から請求項6のうちの1項に記載の可変ピッチプロペラ制御装置において、前記制御手段は、前記駆動軸のスラストの変動を平滑化するように前記可変ピッチプロペラを制御したことを特徴とする。
請求項13に記載の本発明は、請求項12に記載の可変ピッチプロペラ制御装置において、前記運転条件設定手段で前記スラストの目標値を設定し、前記スラストの目標値に近づけるように平滑化をおこなったことを特徴とする。
上記の構成により、軸トルクまたはスラストの変動を抑制するように制御して、主機負荷変動を抑制することができる。
According to a tenth aspect of the present invention, in the variable pitch propeller control device according to one of the first to sixth aspects, the control means smoothes the fluctuation of the shaft torque of the drive shaft. The variable pitch propeller is controlled.
The present invention according to claim 11 is the variable pitch propeller control device according to claim 10, wherein the target value of the shaft torque is set by the operating condition setting means, and smoothed so as to approach the target value of the shaft torque. It is characterized by having made it.
According to a twelfth aspect of the present invention, in the variable pitch propeller control device according to one of the first to sixth aspects of the present invention, the control means smoothes fluctuations in thrust of the drive shaft. The variable pitch propeller is controlled.
According to a thirteenth aspect of the present invention, in the variable pitch propeller control device according to the twelfth aspect, the target value of the thrust is set by the operating condition setting means, and smoothing is performed so as to approach the target value of the thrust. It is characterized by what has been done.
With the configuration described above, it is possible to suppress fluctuations in the main engine load by performing control so as to suppress fluctuations in shaft torque or thrust.

請求項14に記載の本発明は、請求項1から請求項6のうちの1項に記載の可変ピッチプロペラ制御装置において、前記制御手段は、前記予測流入速度の予測結果に基づいて前記可変ピッチプロペラのプロペラ効率が最大となる包絡線に沿うように前記可変ピッチプロペラのピッチ角を制御したことを特徴とする。
請求項15に記載の本発明は、請求項14に記載の可変ピッチプロペラ制御装置において、前記包絡線は、ピッチ角毎に求めた前記可変ピッチプロペラのプロペラ単独性能曲線群について、プロペラ効率がプロペラ前進定数に対して最大となるピッチ角を結んだ包絡線であることを特徴とする。
上記のようにピッチ角を制御することにより、可変ピッチプロペラのプロペラ効率を最大化することができる。
According to a fourteenth aspect of the present invention, in the variable pitch propeller control device according to one of the first to sixth aspects, the control means is configured to control the variable pitch based on a prediction result of the predicted inflow velocity. The pitch angle of the variable pitch propeller is controlled so as to follow an envelope that maximizes the propeller efficiency of the propeller.
According to a fifteenth aspect of the present invention, there is provided the variable pitch propeller control device according to the fourteenth aspect, wherein the envelope has a propeller efficiency of a propeller single performance curve group of the variable pitch propeller obtained for each pitch angle. It is an envelope that connects the maximum pitch angle with respect to the forward constant.
By controlling the pitch angle as described above, the propeller efficiency of the variable pitch propeller can be maximized.

請求項16に記載の本発明の船舶は、請求項1から請求項15のうちの1項に記載の可変ピッチプロペラ制御装置を搭載したものであることを特徴とする。
上記の構成により、上述した可変ピッチプロペラ制御装置同様の作用を船舶として奏することができる。
A ship according to a sixteenth aspect of the present invention includes the variable pitch propeller control device according to one of the first to fifteenth aspects.
With the above configuration, the same effect as the above-described variable pitch propeller control device can be exhibited as a ship.

請求項17に記載の本発明の可変ピッチプロペラ制御方法は、船体を駆動する原動機としての主機により駆動軸を介して駆動される可変ピッチプロペラの運転条件を設定する設定ステップと、前記可変ピッチプロペラへの水の流入速度を、リアルタイムで求めたリアルタイム流入速度に基づいて少なくとも前記可変ピッチプロペラの駆動系の時間遅れを考慮して設定した予測先時間における予測流入速度として予測する予測ステップと、前記設定ステップにおいて設定された運転条件と前記予測ステップで予測した前記予測流入速度に基づいて前記可変ピッチプロペラを制御する制御ステップを備えたことを特徴とする。
上記の構成により、予測ステップにおいて得られた予測結果を用いて可変ピッチプロペラを制御することにより、翼角制御における応答遅れによる影響を抑制することができる。
A variable pitch propeller control method according to a seventeenth aspect of the present invention includes a setting step of setting operating conditions of a variable pitch propeller driven via a drive shaft by a main engine as a prime mover driving a hull, and the variable pitch propeller A prediction step of predicting the inflow speed of water into the predicted inflow speed at a predicted destination time set in consideration of at least the time delay of the drive system of the variable pitch propeller based on the real-time inflow speed obtained in real time; And a control step of controlling the variable pitch propeller based on the operating condition set in the setting step and the predicted inflow velocity predicted in the prediction step.
With the above configuration, the influence of the response delay in the blade angle control can be suppressed by controlling the variable pitch propeller using the prediction result obtained in the prediction step.

請求項18に記載の本発明は、請求項17に記載の可変ピッチプロペラ制御方法において、前記予測ステップにおける水の前記予測流入速度の予測は、前記可変ピッチプロペラへの水の流入速度のリアルタイム計測結果に基づく予測であることを特徴とする。
請求項19に記載の本発明は、請求項18に記載の可変ピッチプロペラ制御方法において、前記リアルタイム計測結果に基づく予測は、時系列解析手法または周波数解析手法に基づいておこなったことを特徴とする。
請求項20に記載の本発明は、請求項19に記載の可変ピッチプロペラ制御方法において、前記時系列解析手法は、時系列モデルおよび前記時系列モデルのモデル同定法によって構成されていることを特徴とする。
請求項21に記載の本発明は、請求項20に記載の可変ピッチプロペラ制御方法において、前記モデル同定法は、バーグ(Burg)法、ユールウォーカー(Yule Walker)法、ハウスホルダー(House Holder)法、パルコ(PARCOR)法、カルマンフィルタのいずれかから選択されたことを特徴とする。
請求項22に記載の本発明は、請求項19に記載の可変ピッチプロペラ制御方法において、前記周波数解析手法は、高速フーリエ変換法および逆高速フーリエ変換法によって構成されていることを特徴とする。
上記の構成により、予測ステップにおける水の流入速度を精度良く予測することができる。
The present invention according to claim 18 is the variable pitch propeller control method according to claim 17, wherein the prediction of the predicted inflow rate of water in the prediction step is real-time measurement of the inflow rate of water into the variable pitch propeller. The prediction is based on the result.
The present invention according to claim 19 is the variable pitch propeller control method according to claim 18, wherein the prediction based on the real-time measurement result is performed based on a time series analysis method or a frequency analysis method. .
The present invention according to claim 20 is the variable pitch propeller control method according to claim 19, wherein the time series analysis method is constituted by a time series model and a model identification method of the time series model. And
The present invention described in claim 21 is the variable pitch propeller control method according to claim 20, wherein the model identification method includes a Burg method, a Yule Walker method, and a House Holder method. , PARCO (PARCOR) method, or Kalman filter.
According to a twenty-second aspect of the present invention, in the variable-pitch propeller control method according to the nineteenth aspect, the frequency analysis method includes a fast Fourier transform method and an inverse fast Fourier transform method.
With the above configuration, the water inflow speed in the prediction step can be accurately predicted.

請求項23に記載の本発明は、請求項17から請求項22のうちの1項に記載の可変ピッチプロペラ制御方法において、前記制御ステップにおける前記可変ピッチプロペラの制御は、前記主機のエネルギー消費量が最小となる制御、前記駆動軸の軸トルク変動を平滑化する制御、前記駆動軸のスラスト変動を平滑化する制御、前記可変ピッチプロペラのプロペラ効率が最大となる包絡線に沿うように前記可変ピッチプロペラのピッチ角を制御する制御のうちから選択されることを特徴とする。
請求項24に記載の本発明は、請求項23に記載の可変ピッチプロペラ制御方法において、前記エネルギー消費量が最小となる制御において、前記ピッチ角を制御する制御方法は、制御の前後において船体の速度を一定に保った上で、前記エネルギー消費量が最小となることを目的とした最適制御理論によって得られる制御解に基づくことを特徴とする。
請求項25に記載の本発明は、請求項24に記載の可変ピッチプロペラ制御方法において、前記制御解は、船体運動モデルと主機応答モデルとプロペラトルクモデルが前記制御解の導出過程において考慮されていることを特徴とする。
請求項26に記載の本発明は、請求項25に記載の可変ピッチプロペラ制御方法において、前記船体運動モデルは、船体抵抗、操縦運動による流体力、プロペラ推力、舵力、波浪外力を外力項として含むことを特徴とする。
請求項27に記載の本発明は、請求項25または請求項26に記載の可変ピッチプロペラ制御方法において、前記主機応答モデルは、前記主機の調速モデル、前記主機のトルク発生機構、前記駆動軸の応答モデルを含むことを特徴とする。
請求項28に記載の本発明は、請求項27に記載の可変ピッチプロペラ制御方法において、前記エネルギー消費量は、前記調速モデルの中に組み込まれ、前記制御解の計算時に評価される変数であることを特徴とする。
上記の構成により、主機の負荷変動の抑制やエネルギー消費量の抑制やエネルギー消費量を最小とすることができる。
According to a twenty-third aspect of the present invention, in the variable pitch propeller control method according to one of the seventeenth to twenty-second aspects, the control of the variable pitch propeller in the control step is an energy consumption amount of the main engine. Control that minimizes the shaft torque fluctuation of the drive shaft, control that smoothes the thrust fluctuation of the drive shaft, and the variable that follows the envelope that maximizes the propeller efficiency of the variable pitch propeller. It is selected from among the controls for controlling the pitch angle of the pitch propeller.
According to a twenty-fourth aspect of the present invention, in the variable pitch propeller control method according to the twenty-third aspect, in the control that minimizes the energy consumption, the control method for controlling the pitch angle includes: Based on a control solution obtained by an optimal control theory aiming at minimizing the energy consumption while keeping the speed constant.
According to a twenty-fifth aspect of the present invention, in the variable pitch propeller control method according to the twenty-fourth aspect, the control solution includes a hull motion model, a main engine response model, and a propeller torque model taken into account in the derivation process of the control solution. It is characterized by being.
According to a twenty-sixth aspect of the present invention, in the variable pitch propeller control method according to the twenty-fifth aspect, the hull motion model includes hull resistance, hydrodynamic force due to steering motion, propeller thrust, rudder force, and wave external force as external force terms. It is characterized by including.
According to a twenty-seventh aspect of the present invention, in the variable pitch propeller control method according to the twenty-fifth or twenty-sixth aspect, the main machine response model includes a speed control model of the main machine, a torque generation mechanism of the main machine, and the drive shaft. The response model is included.
According to a twenty-eighth aspect of the present invention, in the variable pitch propeller control method according to the twenty-seventh aspect, the energy consumption is a variable that is incorporated in the speed governing model and is evaluated when the control solution is calculated. It is characterized by being.
With the above configuration, it is possible to suppress load fluctuation of the main machine, suppress energy consumption, and minimize energy consumption.

本発明の可変ピッチプロペラ制御装置は、プロペラ流入速度予測手段による予測結果を用いてCPP翼角制御における応答遅れの影響を抑制することにより、特に波浪中における負荷変動の抑制による主機トラブルの減少、最適制御理論等に基づくエネルギー消費量抑制等を実現することが可能となる。また、駆動軸のトルク計測、スラスト計測により得られたリアルタイムでの計測結果に基づいて流入速度を予測することにより、応答遅れの影響を考慮した精度の良い制御が可能となる。
また、相対水位計測手段および/または入射波計測手段と、船体運動計測手段による計測結果から得られた、可変ピッチプロペラへの入射波に関する情報を用いれば、流入速度の予測精度をさらに向上させることが可能となる。
また、最適制御理論等に基づいて主機のエネルギー消費量が最小となるように可変ピッチプロペラのピッチ角を制御すれば、エネルギー消費量を最小となるように抑制することが可能となる。
また、ピッチ角の制御の前後において船体の速度を一定に保ったり、船体の速度を海象を考慮して制御することにより、船体の運航の実態に基づいた上で主機のエネルギー消費量が最小となるよう制御を行うことができる。また、制御手段により、軸トルクまたはスラストの変動を平滑化して主機負荷変動を抑制すれば、主機の負荷変動を抑制し、主機トラブルを減少することが可能となる。
また、プロペラ効率が最大となる包絡線に沿うように可変ピッチプロペラのピッチ角を制御すれば、例えば、プロペラ前進定数が変わってもエネルギー消費量をさらに小さく抑制することができる。
本発明の船舶は、本発明の可変ピッチプロペラ制御装置を搭載しているから、船舶として上述した可変ピッチプロペラ制御装置と同様の効果を奏することが可能である。
本発明の可変ピッチプロペラ制御方法は、CPP翼角制御における応答遅れの影響を抑制し、上述した本発明の可変ピッチプロペラ制御装置と同様の効果を奏することが可能である。
The variable pitch propeller control device according to the present invention suppresses the influence of response delay in the CPP blade angle control by using the prediction result by the propeller inflow speed prediction means, thereby reducing the main engine trouble due to the suppression of the load fluctuation particularly in the waves. It is possible to realize energy consumption suppression based on optimal control theory and the like. In addition, by predicting the inflow speed based on the measurement result in real time obtained by the torque measurement and thrust measurement of the drive shaft, it is possible to perform the control with high accuracy in consideration of the influence of the response delay.
Moreover, if the information on the incident wave to the variable pitch propeller obtained from the measurement results of the relative water level measuring means and / or the incident wave measuring means and the hull motion measuring means is used, the prediction accuracy of the inflow velocity can be further improved. Is possible.
Further, if the pitch angle of the variable pitch propeller is controlled so that the energy consumption of the main engine is minimized based on the optimal control theory or the like, the energy consumption can be suppressed to be minimized.
In addition, by keeping the hull speed constant before and after the pitch angle control, and controlling the hull speed in consideration of sea conditions, the energy consumption of the main engine is minimized based on the actual operation of the hull. Control can be performed. Further, if the control means smoothes the fluctuation of the shaft torque or the thrust and suppresses the main engine load fluctuation, the main engine load fluctuation can be suppressed and the main engine trouble can be reduced.
Further, if the pitch angle of the variable pitch propeller is controlled so as to follow the envelope that maximizes the propeller efficiency, for example, the energy consumption can be further reduced even if the propeller forward constant changes.
Since the ship of the present invention is equipped with the variable pitch propeller control device of the present invention, it is possible to achieve the same effect as the variable pitch propeller control device described above as a ship.
The variable pitch propeller control method of the present invention suppresses the influence of response delay in CPP blade angle control, and can achieve the same effects as the above-described variable pitch propeller control device of the present invention.

本発明の第1の実施形態に係る可変ピッチプロペラ制御装置の概略構成を示す機能ブロック図1 is a functional block diagram showing a schematic configuration of a variable pitch propeller control device according to a first embodiment of the present invention. プロペラオープンテストにより得られた特性としての単独性能曲線の一例を示す(a)スラスト常数と呼ばれるプロペラスラストの無次元値のグラフ、(b)トルク常数と呼ばれるプロペラトルクの無次元値のグラフAn example of a single performance curve as a characteristic obtained by the propeller open test (a) a graph of a dimensionless value of a propeller thrust called a thrust constant, and (b) a graph of a dimensionless value of a propeller torque called a torque constant. 流入速度の予測計算の一例を示すグラフ、(a)予測先時間:2.5秒後、(b)予測先時間:5.0秒後The graph which shows an example of the prediction calculation of an inflow velocity, (a) Prediction destination time: 2.5 second later, (b) Prediction destination time: After 5.0 second プロペラ効率最大の包絡線の一例を示すグラフGraph showing an example of maximum propeller efficiency envelope 本発明の第2の実施形態に係る可変ピッチプロペラ制御方法のフローチャートFlowchart of a variable pitch propeller control method according to the second embodiment of the present invention.

まず、CPP翼角自動制御法として既存例数点の概要を紹介して、現状技術の問題点について説明する。
既存例の一つとして自動船速調整機能を用いた制御法が挙げられる。これは設定した船速を保持するようにCPP翼角ならびに主機回転数を自動調整する制御法である。
また、他の既存例として、自動負荷制御機能を用いた制御法が挙げられる。これは主機が負荷状態となれば、CPP翼角を調整して主機への負荷を減ずる制御方法である。この制御法では、燃料投入量と主機回転数の計測値を用いてフィードバックを行う。
First, the outline of several existing examples will be introduced as a CPP blade angle automatic control method, and problems of the current technology will be described.
One of the existing examples is a control method using an automatic ship speed adjustment function. This is a control method that automatically adjusts the CPP blade angle and the main engine speed so as to maintain the set ship speed.
Another existing example is a control method using an automatic load control function. This is a control method in which the load on the main machine is reduced by adjusting the CPP blade angle when the main machine is in a load state. In this control method, feedback is performed using measured values of the fuel input amount and the main engine speed.

CPP翼角自動制御法は上記の制御法以外にも存在するが、上記を含めたいずれの制御法も直近の計測データを入力としたフィードバック制御である。そもそも、CPP翼角変節軸駆動系は、駆動方式による程度の差はあれど、指令値に対していくらかの応答遅れが存在する。   Although the CPP blade angle automatic control method exists in addition to the above control method, any of the control methods including the above is feedback control using the latest measurement data as input. In the first place, the CPP blade angle inflection shaft drive system has some response delay with respect to the command value, although there is a difference depending on the drive method.

しかし、従来のCPP翼角自動制御は、指令値に対する応答遅れ分の時間が考慮されておらず、目標値に対してCPP翼角の追従性が必ずしも満足できるものではなかった。そこで、本発明の発明者らは、計測データの未来値を事前に予測し、CPP翼角制御における応答遅れ分の時間遅れを解消することを発明した。この解消により、例えば、出会い波によって時々刻々変動するプロペラ流入速度に対応したCPP翼角制御が追従性を問題とせず可能となる。したがって、主機のトルク変動抑制による主機トラブル抑制や、燃料消費量抑制等を従来の制御方法よりも高い効果で実現することができる。   However, the conventional automatic CPP blade angle control does not consider the response delay time with respect to the command value, and the followability of the CPP blade angle with respect to the target value is not always satisfactory. Therefore, the inventors of the present invention invented to predict the future value of the measurement data in advance and eliminate the time delay corresponding to the response delay in the CPP blade angle control. As a result of this cancellation, for example, CPP blade angle control corresponding to the propeller inflow speed that varies from moment to moment due to an encounter wave becomes possible without causing follow-up problems. Therefore, it is possible to achieve main machine trouble suppression by suppressing torque fluctuation of the main machine, fuel consumption reduction, and the like with higher effects than the conventional control method.

(第1の実施形態)
本発明を可変ピッチプロペラ制御装置として実施する形態について、図面を参酌しつつ以下に説明する。
図1は、本形態に係る可変ピッチプロペラ制御装置の概略構成を示す機能ブロック図である。同図に示すように、可変ピッチプロペラ制御装置10は、主機11、主機11により駆動軸12を介して駆動される可変ピッチプロペラ13、運転条件設定手段14、プロペラ流入速度予測手段15、制御手段16および軸馬力計(リアルタイム計測手段)17を備えている。
(First embodiment)
An embodiment in which the present invention is implemented as a variable pitch propeller control device will be described below with reference to the drawings.
FIG. 1 is a functional block diagram showing a schematic configuration of a variable pitch propeller control device according to the present embodiment. As shown in the figure, the variable pitch propeller control device 10 includes a main unit 11, a variable pitch propeller 13 driven by the main unit 11 via a drive shaft 12, an operating condition setting unit 14, a propeller inflow speed prediction unit 15, and a control unit. 16 and a shaft horsepower meter (real-time measuring means) 17 are provided.

主機11は、船体18を駆動する原動機である。ここで、「原動機」とは、火力、電力等のエネルギーを機械的エネルギーに変換する機関をいい、原動機にはエンジンやモータ(電動機)等が含まれる。主機11の回転数は、軸回転数計測手段(図示せず)により計測され、計測結果が軸回転数計測信号としてプロペラ流入速度予測手段15に出力される。   The main engine 11 is a prime mover that drives the hull 18. Here, the “prime mover” refers to an engine that converts energy such as thermal power and electric power into mechanical energy, and the prime mover includes an engine, a motor (electric motor), and the like. The rotational speed of the main machine 11 is measured by a shaft rotational speed measuring means (not shown), and the measurement result is output to the propeller inflow speed predicting means 15 as a shaft rotational speed measurement signal.

可変ピッチプロペラ13は、ボス(ハブ)内部の変節機構によりプロペラ翼を回転させて、その角度(CPP翼角、ピッチ角)を変化させることにより、そのプロペラピッチを変化させることが可能な装置である。可変ピッチプロペラ13のCPP翼角は、制御手段16から出力される指令値に対応したCPP翼角制御信号により制御される。このCPP翼角の制御においては、上述のように応答遅れが存在する。本発明の発明者らは、この可変ピッチプロペラ13の応答遅れに着目し、応答遅れを解消する時間に対応した未来の制御入力値を予測し、この予測した入力値を用いてCPP翼角制御を行うことにより、応答遅れによる影響を抑制できることを見出して、本発明に想到したものである。   The variable pitch propeller 13 is a device capable of changing the propeller pitch by rotating the propeller blade by the inflection mechanism inside the boss (hub) and changing its angle (CPP blade angle, pitch angle). is there. The CPP blade angle of the variable pitch propeller 13 is controlled by a CPP blade angle control signal corresponding to the command value output from the control means 16. In the control of the CPP blade angle, there is a response delay as described above. The inventors of the present invention pay attention to the response delay of the variable pitch propeller 13, predict a future control input value corresponding to the time to eliminate the response delay, and use this predicted input value to perform CPP blade angle control. As a result, it was found that the influence of response delay can be suppressed, and the present invention has been conceived.

発明者等が検証した結果、一般的な船舶における可変ピッチプロペラ13の応答遅れの時間は、通常1.5秒以下であることが明らかになった。そして、この応答遅れの時間は、プロペラ流入速度の予測精度が十分に実用的な範囲内であることも検証された(この点については、図3を参照して後に説明する。)。
そこで、本実施形態の可変ピッチプロペラ制御装置10は、運転条件設定手段14により設定された運転条件と、プロペラ流入速度予測手段15により予測された可変ピッチプロペラ13への水の流入速度の予測結果に基づいて、可変ピッチプロペラ13を制御する。これにより、可変ピッチプロペラ13の応答遅れを抑制し、主機11トラブルの減少、エネルギー消費量抑制等を実現することが可能となる。
As a result of verification by the inventors, it has been found that the response delay time of the variable pitch propeller 13 in a general ship is usually 1.5 seconds or less. The response delay time was also verified to be within a practical range for predicting propeller inflow speed (this point will be described later with reference to FIG. 3).
Therefore, the variable pitch propeller control device 10 of the present embodiment predicts the operation condition set by the operation condition setting means 14 and the inflow speed of water to the variable pitch propeller 13 predicted by the propeller inflow speed prediction means 15. Based on the above, the variable pitch propeller 13 is controlled. Thereby, the response delay of the variable pitch propeller 13 can be suppressed, and it is possible to reduce the trouble of the main engine 11 and suppress the energy consumption.

運転条件設定手段14は、可変ピッチプロペラ13の運転条件を設定するものである。可変ピッチプロペラ13の運転条件は、例えば、運転条件設定手段14の入力手段を介して操作者により入力された指示に基づいて設定される。   The operating condition setting means 14 sets the operating conditions of the variable pitch propeller 13. The operating condition of the variable pitch propeller 13 is set based on, for example, an instruction input by the operator via the input unit of the operating condition setting unit 14.

プロペラ流入速度予測手段15は、可変ピッチプロペラ13への水の流入速度を予測するものである。本実施形態では、軸馬力計17により計測された軸トルク計測値、主機11により検出された回転数の計測値または運転条件設定手段14で設定した回転数、可変ピッチプロペラ13より検出されたピッチ角の計測値または運転条件設定手段14で設定したピッチ角、これら3つの計測値(または設定値)に基づいて流入速度が予測される。   The propeller inflow speed prediction means 15 predicts the inflow speed of water into the variable pitch propeller 13. In the present embodiment, the shaft torque measurement value measured by the shaft horsepower meter 17, the rotation value detected by the main machine 11 or the rotation number set by the operating condition setting means 14, the pitch detected by the variable pitch propeller 13. The inflow speed is predicted based on the measured angle value or the pitch angle set by the operating condition setting means 14 and these three measured values (or set values).

制御手段16は、運転条件設定手段14により設定された運転条件とプロペラ流入速度予測手段15の予測結果に基づいて、可変ピッチプロペラ13を制御するものである。プロペラ流入速度予測手段15には、主機11から軸回転数計測信号が、軸馬力計17から軸トルク計測信号が、可変ピッチプロペラ13からCPP翼角計測信号が、運転条件設定手段14から予測に必要な計算条件である設定値が、それぞれ入力される。この予測計算結果を制御手段16に入力し、可変ピッチプロペラ13のピッチ角を決定するための各種演算を行う。そして、可変ピッチプロペラ13のCPP翼角を制御するための信号(CPP翼角制御信号)を可変ピッチプロペラ13の駆動系(図示せず)に出力する。   The control means 16 controls the variable pitch propeller 13 based on the operating condition set by the operating condition setting means 14 and the prediction result of the propeller inflow speed predicting means 15. The propeller inflow speed predicting means 15 predicts the shaft rotation number measurement signal from the main machine 11, the shaft torque measurement signal from the shaft horsepower meter 17, and the CPP blade angle measurement signal from the variable pitch propeller 13 to predict from the operating condition setting means 14. A set value that is a necessary calculation condition is input. This prediction calculation result is input to the control means 16, and various calculations for determining the pitch angle of the variable pitch propeller 13 are performed. Then, a signal (CPP blade angle control signal) for controlling the CPP blade angle of the variable pitch propeller 13 is output to a drive system (not shown) of the variable pitch propeller 13.

運転条件設定手段14、プロペラ流入速度予測手段15および制御手段16は、例えば、CPU(中央演算処理装置)、記憶手段、表示手段および入力手段等を備えたコンピュータ等を用いて構成される。図1は機能ブロック図であることから、これらを別に示しているが、これらの全ての機能を有する一つのコンピュータとして構成しても良い。   The operating condition setting means 14, the propeller inflow speed prediction means 15, and the control means 16 are configured using, for example, a computer (CPU) (central processing unit), storage means, display means, input means and the like. Since FIG. 1 is a functional block diagram, these are shown separately, but may be configured as a single computer having all these functions.

軸馬力計17は、主機11から可変ピッチプロペラ13へ駆動力を伝達する駆動軸12のねじれを測定することにより、伝達される馬力を計測するものである。軸馬力計17には、駆動軸12により伝達されるトルクを計測するものとスラスト(推力)を計測するものの2つのタイプがあるが、何れのタイプも用いることができる。また、双方を組み合わせたものを用いてもよい。軸馬力計17のセンジング手段(検出手段)としては、例えば、歪ゲージやアモルファス合金を用いた高感度変位センサー等が用いられる。   The shaft horsepower meter 17 measures the horsepower transmitted by measuring the torsion of the drive shaft 12 that transmits the drive force from the main engine 11 to the variable pitch propeller 13. The shaft horsepower meter 17 includes two types, one that measures torque transmitted by the drive shaft 12 and one that measures thrust (thrust), and either type can be used. Moreover, you may use what combined both. As the sensing means (detection means) of the shaft horsepower meter 17, for example, a highly sensitive displacement sensor using a strain gauge or an amorphous alloy is used.

本実施形態では、可変ピッチプロペラ13への水の流入速度をリアルタイムで計測するためのリアルタイム計測手段として軸馬力計17を用いている。ここで「流入速度をリアルタイムで計測する」とは、流入速度を即時に計測すること、または、流入速度と直接的、間接的に関係のある値を即時に計測することをいう。プロペラ流入速度予測手段15は、軸馬力計17の計測結果に基づいて、可変ピッチプロペラ13への流入速度を予測することができる。この方法については後に述べる。   In this embodiment, the shaft horsepower meter 17 is used as a real-time measuring means for measuring the inflow speed of water into the variable pitch propeller 13 in real time. Here, “measuring the inflow velocity in real time” means that the inflow velocity is measured immediately, or that a value directly or indirectly related to the inflow velocity is measured immediately. The propeller inflow speed prediction means 15 can predict the inflow speed into the variable pitch propeller 13 based on the measurement result of the shaft horsepower meter 17. This method will be described later.

なお、リアルタイム計測手段は、軸馬力計17に限られるものではなく、例えば、船尾に設けられた公知の流速計を用いてもよい。また、主機11としてモータを用いる場合、軸馬力計17の代わりに、モータに流れる電流から間接的に駆動軸12のトルクを計測する構成を用いても良い。   The real-time measuring means is not limited to the shaft horsepower meter 17, and for example, a known velocimeter provided at the stern may be used. Moreover, when using a motor as the main machine 11, instead of the shaft horsepower meter 17, a configuration in which the torque of the drive shaft 12 is indirectly measured from the current flowing through the motor may be used.

可変ピッチプロペラ制御装置10は、大別すると三つの機能(プロペラ流入速度計測、プロペラ流入速度予測、CPP翼角制御)を有する。以下、それぞれの機能を実現するためのシステムについて順に説明する。   The variable pitch propeller control device 10 roughly has three functions (propeller inflow speed measurement, propeller inflow speed prediction, and CPP blade angle control). Hereinafter, a system for realizing each function will be described in order.

(1)プロペラ流入速度計測システム
本実施形態の可変ピッチプロペラ制御装置10のプロペラ流入速度計測システムでは、プロペラ流入速度予測手段15において、軸馬力計17により計測された軸トルク、主機11の回転数とギア比から求めた可変ピッチプロペラ13の回転数または運転条件設定手段14により設定された回転数、プロペラピッチ角の計測値または運転条件設定手段14により設定されたピッチ角、この3つからトルク一致法を用いて、可変ピッチプロペラ13へのプロペラ流入速度をリアルタイムで算出して計測を行う。
(1) Propeller Inflow Speed Measurement System In the propeller inflow speed measurement system of the variable pitch propeller control device 10 of the present embodiment, the shaft torque measured by the shaft horsepower meter 17 in the propeller inflow speed prediction means 15 and the rotation speed of the main machine 11 The rotational speed of the variable pitch propeller 13 obtained from the gear ratio or the rotational speed set by the operating condition setting means 14, the measured value of the propeller pitch angle, or the pitch angle set by the operating condition setting means 14, and torque from these three Using the coincidence method, the propeller inflow speed to the variable pitch propeller 13 is calculated in real time and measured.

平水中のみならず、波浪中・可変ピッチプロペラ13の回転数変動中においても、プロペラ流入速度はトルク一致法により推定可能であることについて確認されている(上野道雄,塚田吉昭,谷澤克治:波浪中プロペラ流入速度に関する模型実験,日本船舶海洋工学会講演会論文集,第12号,2011,pp.419-420. 北川泰士,谷澤克治,塚田吉昭,瀧本忠教:プロペラ推力・トルクに及ぼす動的変動の影響,日本船舶海洋工学会講演会論文集,第13号,2012,pp.237-238.)。   It has been confirmed that the propeller inflow speed can be estimated by the torque matching method not only in flat water but also in waves and during fluctuations in the rotational speed of the variable pitch propeller 13 (Michio Ueno, Yoshiaki Tsukada, Katsuharu Tanizawa: Wave Model experiment on middle propeller inflow velocity, Proceedings of the Japan Society of Marine Science and Technology, No. 12, 2011, pp.419-420. Yasushi Kitagawa, Katsuharu Tanizawa, Yoshiaki Tsukada, Tadayoshi Enomoto: Dynamics on Propeller Thrust and Torque Effect of change, Proceedings of the Japan Society of Marine Science and Technology, No. 13, 2012, pp.237-238.

トルク一致法を表す数式群を(1)〜(3)式に示す。
Qm=Qpm/ρn …(1)
=f(KQm,P) …(2)
Pm=J・n …(3)
式(1)〜(3)において、
ρ:流体密度、
pm:軸トルク計測値、
:回転数計測値、
:プロペラ直径、
:プロペラ前進定数、
Qm:プロペラトルク無次元値、
P:プロペラピッチ角、
Pm:プロペラ流入速度計測値、とする。
Formulas representing the torque matching method are shown in formulas (1) to (3).
K Qm = Q pm / ρn m 2 D P 5 ... (1)
J P = f (K Qm, P) ... (2)
u Pm = J P · n m D P ... (3)
In the formulas (1) to (3),
ρ: fluid density,
Q pm : shaft torque measurement value,
n m : rotational speed measurement value,
D P : propeller diameter,
JP : propeller forward constant,
K Qm : dimensionless value of propeller torque,
P: propeller pitch angle,
u Pm : Propeller inflow velocity measurement value.

Qmはプロペラオープンテストで得られるトルク単独性能である。
図2はプロペラオープンテストにより得られた特性としての単独性能曲線の一例を示すグラフであり、(a)の縦軸(Kt)はスラスト常数と呼ばれるプロペラスラストの無次元値を示しており、(b)の縦軸(KQ)はトルク常数と呼ばれるプロペラトルクの無次元値を示している。(a)(b)のいずれも横軸はプロペラ前進定数(J)を示している。
図2に示すようにプロペラオープンテストから得られた単独性能曲線として、可変ピッチプロペラ13のピッチ角ごとの特性が得られる。トルク一致法を用いる上で、可変ピッチプロペラ13のトルク単独性能は、予めその前進定数Jとプロペラピッチ角Pで整理して関数化しておくとよい。(2)式はJとプロペラピッチ角で整理されたKQmからJを導出したことを示している。
K Qm is the torque single performance obtained by the propeller open test.
FIG. 2 is a graph showing an example of a single performance curve as a characteristic obtained by the propeller open test, and the vertical axis (Kt) of (a) shows a dimensionless value of the propeller thrust called a thrust constant. The vertical axis (KQ) of b) represents a dimensionless value of the propeller torque called a torque constant. In both (a) and (b), the horizontal axis represents the propeller advance constant ( JP ).
As shown in FIG. 2, the characteristic for every pitch angle of the variable pitch propeller 13 is obtained as a single performance curve obtained from the propeller open test. When using the torque matching method, the torque single performance of the variable pitch propeller 13 is preferably arranged in advance by the advance constant JP and the propeller pitch angle P and functionalized. (2) shows that to derive the J P from K Qm, organized by J P and propeller pitch angle.

上述したように、本実施形態の可変ピッチプロペラ制御装置10では、プロペラ流入速度予測手段15により可変ピッチプロペラ13への流入速度を予測するために、運転条件設定手段14で予測計算の設定を行った上で、駆動軸12のトルク計測が可能な軸馬力計17から得られた軸トルク計測値と、可変ピッチプロペラ13の単独性能曲線(図2(a)(b)参照)と、主機11の回転数計測値と可変ピッチプロペラ13のピッチ角計測値を利用している。これらを利用することにより、プロペラ流入速度予測手段15は可変ピッチプロペラ13への水の流入速度を予測することができる。なお、上述したように回転数とピッチ角の計測値の代わりに、運転条件設定手段14により設定された設定値を用いることができる。   As described above, in the variable pitch propeller control device 10 of the present embodiment, in order to predict the inflow speed to the variable pitch propeller 13 by the propeller inflow speed prediction means 15, the operation condition setting means 14 sets the prediction calculation. In addition, the shaft torque measurement value obtained from the shaft horsepower meter 17 capable of measuring the torque of the drive shaft 12, the single performance curve of the variable pitch propeller 13 (see FIGS. 2A and 2B), and the main engine 11 , And the pitch angle measurement value of the variable pitch propeller 13 are used. By utilizing these, the propeller inflow speed predicting means 15 can predict the inflow speed of water into the variable pitch propeller 13. As described above, the set value set by the operating condition setting means 14 can be used instead of the measured values of the rotation speed and the pitch angle.

プロペラ流入速度計測システムは、上述したトルク一致法の代わりに、スラスト一致法を使用することもできる。この場合、リアルタイム計測手段としての軸馬力計17として、駆動軸12のスラスト計測が可能なものを用いる。そして、軸馬力計17により計測されたスラストの値を軸トルクの値の代わりに用い、可変ピッチプロペラ13へのプロペラ流入速度をリアルタイムで算出して計測値とする。   The propeller inflow velocity measuring system can use the thrust matching method instead of the torque matching method described above. In this case, a shaft capable of measuring the thrust of the drive shaft 12 is used as the shaft horsepower meter 17 as the real-time measuring means. Then, the thrust value measured by the shaft horsepower meter 17 is used instead of the value of the shaft torque, and the propeller inflow speed to the variable pitch propeller 13 is calculated in real time to obtain a measured value.

可変ピッチプロペラ制御装置10には、後述の予測精度を実用的な範囲とするため、計測値のノイズを除去するフィルタ機能が付与される。このフィルタ機能を実現する手段としては、例えばローパスフィルタを用いることができる。また、ローパスフィルタの代わりに、プロペラ流入速度予測手段15における演算内で数値フィルタを設けることで計測値のノイズを除去することもできる。   The variable pitch propeller control device 10 is provided with a filter function for removing noise in the measurement value in order to make a prediction accuracy described later within a practical range. As a means for realizing this filter function, for example, a low-pass filter can be used. Further, by providing a numerical filter in the calculation in the propeller inflow speed prediction means 15 instead of the low-pass filter, the noise of the measurement value can be removed.

(2)プロペラ流入速度予測システム
可変ピッチプロペラ制御装置10では、上述したプロペラ流入速度計測システムとともに、プロペラ流入速度予測手段15においてプロペラ流入速度予測システムを構成している。このプロペラ流入速度予測システムでは流入速度の計測データに時系列解析手法を適応してリアルタイムで予測計算をおこなっている。
具体的には、自己回帰(AR、Auto regressive)モデルとBurg法を組み合わせた未来予測を用いている。ここで、Burg法は自己回帰モデル内の係数類を同定する手法であり、ユールウォーカー(Yule Walker)法、ハウスホルダー(House Holder)法、パルコ(PARCOR)法、カルマンフィルタを代替手法として選択することもできる。また、時系列解析手法の代替手法として、高速フーリエ変換(Fast Fourier Transform、FFT)/逆高速フーリエ変換(Inverse Fast Fourier Transform、IFFT)を応用した周波数解析手法を使用することもできる。
(2) Propeller Inflow Speed Prediction System In the variable pitch propeller controller 10, the propeller inflow speed prediction unit 15 constitutes a propeller inflow speed prediction system together with the above-described propeller inflow speed measurement system. In this propeller inflow velocity prediction system, prediction calculation is performed in real time by applying a time series analysis method to the measurement data of the inflow velocity.
Specifically, the future prediction which combined the autoregressive (AR, Auto regressive) model and the Burg method is used. Here, the Burg method is a method for identifying the coefficients in the autoregressive model, and the Yule Walker method, the House Holder method, the Parco method, and the Kalman filter are selected as alternative methods. You can also. Further, as an alternative method of the time series analysis method, a frequency analysis method applying Fast Fourier Transform (FFT) / Inverse Fast Fourier Transform (IFFT) can also be used.

本プロペラ流入速度予測システムでは、運転条件設定手段14において、計測データの情報量であるデータサンプル数(もしくは計測範囲時間)と予測先の時間を設定して予測計算を行う。基本的性質として、データサンプル数が多ければ予測精度が向上するが、検証結果によれば対象時系列波形の不規則性に応じてサンプル情報量の大小を適切に設定することで更なる精度の向上が図れる。また、予測先時間が短い程予測精度が向上する傾向がある。本システムでは、ノイズのフィルタリングによる時間遅れと可変ピッチプロペラ13のCPP駆動系の時間遅れを予め把握してその合計時間を予測先時間に設定する。発明者らがおこなった船舶の調査結果ではこの合計時間は1.5秒以下であり、後述の翼角制御においては実用的な範囲で予測精度が保証されているとの検証を得ている。   In this propeller inflow velocity prediction system, the operation condition setting means 14 performs the prediction calculation by setting the number of data samples (or measurement range time) that is the amount of measurement data and the prediction destination time. As a basic property, the prediction accuracy improves when the number of data samples is large, but according to the verification results, further accuracy can be improved by appropriately setting the amount of sample information according to the irregularity of the target time series waveform. Improvement can be achieved. Also, the prediction accuracy tends to improve as the prediction destination time is shorter. In this system, the time delay due to noise filtering and the time delay of the CPP drive system of the variable pitch propeller 13 are grasped in advance, and the total time is set as the predicted destination time. According to the survey results of the ship conducted by the inventors, this total time is 1.5 seconds or less, and it has been verified that the prediction accuracy is guaranteed within a practical range in the blade angle control described later.

図3は流入速度の予測計算の一例を示すグラフであり、(a)は予測先時間が2.5秒後の予測結果を示し、(b)は予測先時間が5.0秒後の予測結果を示している。これらグラフの横軸は経過時間を示し、縦軸はプロペラ流入速度uを示している。図3(a)および図3(b)中の点線(original)は4種の波形成分を有するプロペラ流入速度の計測値を示しており、各実線は異なるデータサンプル数(Ns)を設定して計算された予測値を示している。 FIG. 3 is a graph showing an example of calculation for predicting the inflow velocity, where (a) shows a prediction result after a prediction destination time of 2.5 seconds, and (b) shows a prediction after a prediction destination time of 5.0 seconds. Results are shown. The horizontal axis of these graphs represents the elapsed time and the vertical axis shows the propeller inflow velocity u P. The dotted lines (original) in FIGS. 3 (a) and 3 (b) indicate the measured values of the propeller inflow velocity having four types of waveform components, and each solid line sets a different number of data samples (Ns). The calculated predicted value is shown.

図3(a)(b)に示された予測計算は、0.1秒間隔で取得された計測データを用いて求められたものである。例えば、データサンプル数が100(Ns:100)の場合、予測計算を行う前10秒間に得られた計測データが用いられている。具体的には、図3(a)においてNs:100の112.5秒の計算値は、100秒から110秒の間に得られた100の計測データを用いて、110秒の地点において予測された結果を示している。   The prediction calculation shown in FIGS. 3A and 3B is obtained using measurement data acquired at intervals of 0.1 seconds. For example, when the number of data samples is 100 (Ns: 100), measurement data obtained for 10 seconds before the prediction calculation is used. Specifically, in FIG. 3A, the calculated value of 112.5 seconds of Ns: 100 is predicted at a point of 110 seconds using 100 measurement data obtained between 100 seconds and 110 seconds. The results are shown.

図3(a)(b)から、予測に用いる計測データ数を増やすことにより、予測精度が向上すること、および、予測先時間2.5秒の予測精度が良好であることが分かる。また、上述したとおり、可変ピッチプロペラ13のCPP駆動系の遅延時間とノイズのフィルタリングによる時間遅れを合計した時間は1.5秒以下である。このため、上述の手法により予測されたプロペラ流入速度を用いて可変ピッチプロペラ13を制御すれば、翼角制御における応答遅れによる影響を十分に抑制することが可能である。ここで、本プロペラ流入速度予測システムにおける予測先時間を適切に設定するため、CPP駆動系の遅延時間とフィルタリングによる時間遅れの想定量は本装置を搭載する船舶に対して予め検証しておくべきである。
上述した検証により、上記遅延時間と上記時間遅れを合計した時間が1.5秒であり、図3(a)に示したとおり予測先時間2.5秒の予測精度が良好であることを、検証済みである。このことから、例えば、予測先時間を1.5秒以上2.5秒以下の範囲内とすれば、翼角制御における応答遅れによる影響を十分に抑制することできる。
3 (a) and 3 (b), it can be seen that the prediction accuracy is improved by increasing the number of measurement data used for prediction, and the prediction accuracy for the prediction destination time of 2.5 seconds is good. As described above, the total time of the delay time of the CPP drive system of the variable pitch propeller 13 and the time delay due to noise filtering is 1.5 seconds or less. For this reason, if the variable pitch propeller 13 is controlled using the propeller inflow speed predicted by the above-described method, the influence due to the response delay in the blade angle control can be sufficiently suppressed. Here, in order to appropriately set the prediction destination time in the propeller inflow velocity prediction system, the delay time of the CPP drive system and the estimated amount of time delay due to filtering should be verified in advance for the ship on which the apparatus is mounted. It is.
Based on the verification described above, the total time of the delay time and the time delay is 1.5 seconds, and the prediction accuracy of the prediction destination time of 2.5 seconds is good as shown in FIG. It has been verified. From this, for example, if the predicted time is in the range of not less than 1.5 seconds and not more than 2.5 seconds, the influence due to the response delay in the blade angle control can be sufficiently suppressed.

(3)CPP翼角制御システム
可変ピッチプロペラ制御装置10では、運転条件設定手段14とプロペラ流入速度予測手段15と制御手段16によりCPP翼角制御システムを構成している。このCPP翼角制御システムではプロペラ流入速度の予測値に基づいて下記のような翼角制御を行う。
(3) CPP blade angle control system In the variable pitch propeller control device 10, the operating condition setting means 14, the propeller inflow speed prediction means 15, and the control means 16 constitute a CPP blade angle control system. In this CPP blade angle control system, the following blade angle control is performed based on the predicted value of the propeller inflow speed.

1)トルク変動抑制制御
制御手段16は、運転条件設定手段14により設定された軸トルク値の周辺でトルク変動を抑制する制御を行う。通常、プロペラトルクは、プロペラ流入速度、回転数、ピッチ角によって(4)式のように推定される。ここで、駆動軸12の軸トルクと可変ピッチプロペラ13のプロペラトルクは等しいとして、設定トルク値、プロペラ流入速度予測手段15により予測値として得られたプロペラ流入速度、および回転数の予測値を与えて(4)式を整理すれば、(5)式に示すように設定トルク値を常に保つ目標ピッチ角(CPP翼角)をリアルタイムで求めることができる。なお、可変ピッチプロペラ13の回転数は、予測値ではなく、過去の測定値の平均値など、運転条件設定手段14で設定した値を用いても良い。制御手段16は、この目標ピッチ角を用いて可変ピッチプロペラ13のCPP翼角を制御する。
=ρn ・K[u,n,P] …(4)
set=g(QPset,uPpredicted,nPpredicted) …(5)
ただし、式(4)(5)において、
ρ:流体密度、
:プロペラトルク、
:プロペラ回転数、
:プロペラ直径、
:プロペラトルク単独性能、
:プロペラ流入速度、
P:プロペラピッチ角、
set:プロペラピッチ角目標値、
QPset:軸トルク設定値、
Ppredicted:プロペラ流入速度予測値、
Ppredicted:プロペラ回転数予測値、とする。
上述したように、制御手段16は、目標値として設定された軸トルクの周辺で、駆動軸12の変動を平滑化するように可変ピッチプロペラ13を制御する。この制御の効果で、主機11の負荷変動を抑制し、トラブルの発生を未然に防ぐことが可能となる。
1) Torque fluctuation suppression control The control means 16 performs control to suppress torque fluctuation around the shaft torque value set by the operating condition setting means 14. Usually, the propeller torque is estimated as shown in Equation (4) based on the propeller inflow speed, the rotation speed, and the pitch angle. Here, assuming that the shaft torque of the drive shaft 12 and the propeller torque of the variable pitch propeller 13 are equal, the set torque value, the propeller inflow speed obtained as a predicted value by the propeller inflow speed predicting means 15, and the predicted value of the rotational speed are given. If the equation (4) is rearranged, the target pitch angle (CPP blade angle) that always maintains the set torque value can be obtained in real time as shown in the equation (5). Note that the rotation speed of the variable pitch propeller 13 may be a value set by the operating condition setting means 14 such as an average value of past measurement values instead of a predicted value. The control means 16 controls the CPP blade angle of the variable pitch propeller 13 using this target pitch angle.
Q p = ρn p 2 D p 5 · K Q [u P, n p, P] ... (4)
P set = g (QP set , u Predicted , n Predicted ) (5)
However, in Formula (4) (5),
ρ: fluid density,
Q p : propeller torque,
n p : propeller rotation speed,
D p : propeller diameter,
K Q : Propeller torque independent performance,
u P : Propeller inflow speed,
P: propeller pitch angle,
P set : propeller pitch angle target value,
QP set : Shaft torque set value,
u Ppredicted : propeller inflow velocity prediction value,
n Ppredicted : propeller rotation speed predicted value.
As described above, the control means 16 controls the variable pitch propeller 13 so as to smooth the fluctuation of the drive shaft 12 around the shaft torque set as the target value. Due to the effect of this control, it is possible to suppress the load fluctuation of the main machine 11 and prevent the occurrence of trouble.

2)スラスト変動抑制制御
制御手段16は、上述した軸トルクの代わりに目標値としてスラスト値を用いることとしてもよい。この場合、設定したスラスト値の周辺でスラスト変動を抑制する制御を行う。目標値としてスラスト値を用いる場合も、軸トルクについて説明した手法と同様である。このため、詳細についての説明は割愛する。
制御手段16により、駆動軸12の軸トルクまたはスラストの変動を平滑化することにより、トルク変動抑制制御と同様に主機トラブルの発生を未然に防ぐことが可能となる。
2) Thrust fluctuation suppression control The control means 16 may use a thrust value as a target value instead of the above-described shaft torque. In this case, control is performed to suppress the thrust fluctuation around the set thrust value. Even when the thrust value is used as the target value, the method described for the shaft torque is the same. For this reason, the detailed description is omitted.
By smoothing the fluctuation of the shaft torque or thrust of the drive shaft 12 by the control means 16, it becomes possible to prevent the occurrence of a main engine trouble in the same manner as the torque fluctuation suppression control.

3)プロペラ効率最大制御
可変ピッチプロペラ制御装置10に搭載する可変ピッチプロペラ13のプロペラオープンテストからプロペラ前進定数Jpに対してプロペラ効率が最大となる包絡線を用意する。そして、制御手段16は、流入速度の予測値から算出した前進定数に基づいてプロペラピッチ角が常に包絡線上に存在するように制御する。これにより、可変ピッチプロペラ13のプロペラ効率が最大となる制御を実現することができる。
3) Maximum control of propeller efficiency From the propeller open test of the variable pitch propeller 13 mounted on the variable pitch propeller control device 10, an envelope curve that maximizes the propeller efficiency with respect to the propeller forward constant Jp is prepared. Then, the control means 16 performs control so that the propeller pitch angle always exists on the envelope based on the forward constant calculated from the predicted value of the inflow velocity. Thereby, the control that maximizes the propeller efficiency of the variable pitch propeller 13 can be realized.

図4は、プロペラ効率最大の包絡線の一例を示すグラフである。同図では、横軸が可変ピッチプロペラ13のプロペラ前進定数Jを示し、縦軸が可変ピッチプロペラ13のプロペラ効率を示し、点線がプロペラ効率最大の包絡線を示している。プロペラ効率最大の包絡線は、プロペラ前進定数Jに対してプロペラ効率が最大となる点を、ピッチ角毎に求めた可変ピッチプロペラ13のプロペラ単独性能曲線群全体から選び結んだ線である。すなわち、ピッチ角が包絡線上に存在することは、航行時に常にプロペラ効率が最大であることを意味する。
制御手段16が、流入速度の予測結果に基づいて前進定数を算出し可変ピッチプロペラ13のプロペラ効率が最大となる包絡線に沿うように、可変ピッチプロペラ13のピッチ角(CPP翼角)を制御することにより、プロペラ効率を最大とすることができる。
FIG. 4 is a graph showing an example of an envelope having the maximum propeller efficiency. In the figure, the horizontal axis represents the propeller forward constants J P of the variable pitch propeller 13, a vertical axis indicates the propeller efficiency of the variable pitch propeller 13, a dotted line indicates a propeller efficiency maximum envelope. Propeller efficiency maximum envelope points propeller efficiency is maximized with respect to the propeller forward constants J P, a line connecting choose from the entire Propeller performance curves of the variable pitch propellers 13 obtained for each pitch angle. That is, the presence of the pitch angle on the envelope means that the propeller efficiency is always maximized during navigation.
The control means 16 calculates the forward constant based on the prediction result of the inflow speed, and controls the pitch angle (CPP blade angle) of the variable pitch propeller 13 so as to follow the envelope that maximizes the propeller efficiency of the variable pitch propeller 13. By doing so, the propeller efficiency can be maximized.

4)燃料消費量最小制御
制御手段16は、波浪中の主機応答、トルク変動、船体運動等を状態方程式としてモデル化し、燃料消費量を最小とする目的関数を設定することで定式化された最適制御問題を解くことで導出されたプロペラピッチ角の制御解に基づいて翼角制御を行う。これにより、主機11のエネルギー消費量が最小となるように可変ピッチプロペラ13のピッチ角を制御することができる。
4) Minimum fuel consumption control The control means 16 is modeled by setting the objective function that minimizes fuel consumption by modeling the main engine response, torque fluctuation, hull motion, etc. in the waves as a state equation. Blade angle control is performed based on the control solution of the propeller pitch angle derived by solving the control problem. Thereby, the pitch angle of the variable pitch propeller 13 can be controlled so that the energy consumption of the main unit 11 is minimized.

最適制御問題の中で、翼角制御中は船速を保つことを制約条件としている。すなわち、制御手段16はピッチ角の制御の前後において船体の速度が一定に保たれるように制御する。このため、指定船速下で燃料消費量を最小に抑制する運航が可能となる。制御解は、遭遇が予想される波浪条件にて広範に求めておき、計測するプロペラ流入速度の波形情報に基づいて使い分ける。   Among the optimal control problems, keeping the ship speed during wing angle control is a constraint. That is, the control means 16 performs control so that the speed of the hull is kept constant before and after the control of the pitch angle. For this reason, the operation which suppresses fuel consumption to the minimum under the designated ship speed becomes possible. The control solution is obtained extensively under the wave conditions where the encounter is expected, and is used properly based on the waveform information of the propeller inflow velocity to be measured.

なお、制御解を求めるための演算処理には、一般に長い時間を要するため、船舶の航行の際、制御手段16により制御解をリアルタイムで求めることが困難な場合が多い。そこで、波浪中の主機応答、トルク変動、船体運動等について船舶航行時の遭遇が想定される海象条件に基づいた各設定条件について予め制御解を求めておき、制御手段16の記憶手段に設定条件と制御解とを対応させたテーブルとして記憶しておくことが好ましい。この構成によれば、プロペラ流入速度予測手段15から得られた設定条件に対応する予測値を用いてテーブルを参照することにより、リアルタイムで制御解を求めずとも、制御解を用いた制御を行うことができる。   In addition, since the calculation process for obtaining the control solution generally requires a long time, it is often difficult to obtain the control solution in real time by the control means 16 when the ship navigates. Therefore, a control solution is obtained in advance for each setting condition based on the sea condition that is assumed to be encountered during vessel navigation, such as main engine response, torque fluctuation, hull motion, etc. in the waves, and the setting condition is stored in the storage means of the control means 16. And the control solution are preferably stored as a corresponding table. According to this configuration, by using the predicted value corresponding to the set condition obtained from the propeller inflow velocity predicting means 15, the control using the control solution is performed without obtaining the control solution in real time. be able to.

また、制御手段16は、海象を考慮した上で船体の速度が一定となるように、ピッチ角の制御を行う。ここで、「海象を考慮」には、波浪中における船体の抵抗増加、波浪により船体が受ける強制力等が含まれる。   In addition, the control means 16 controls the pitch angle so that the speed of the hull is constant in consideration of sea conditions. Here, “considering sea conditions” includes an increase in resistance of the hull in the waves, a forcing force received by the hull due to the waves, and the like.

可変ピッチプロペラ制御装置10は、船体18に相対水位計測手段19、入射波計測手段20および船体運動計測手段21を備えている。
相対水位計測手段19は、その位置から水面までの距離を測るものであり、例えば、超音波式、電磁波式のものが挙げられる。相対水位計測手段19により、水面の高さの変化を測定することができる。このため、その測定結果に基づいて可変ピッチプロペラ13に入射する波を評価することができる。
入射波計測手段20は、海面を直接計測することにより、船体18に入射する波を直接計測するものである。
船体運動計測手段21は、船体18の運動を計測するものであり、例えば、ジャイロや加速度計を用いることができる。
The variable pitch propeller control device 10 includes a relative water level measuring means 19, an incident wave measuring means 20, and a hull motion measuring means 21 in the hull 18.
The relative water level measuring means 19 measures the distance from the position to the water surface, and examples thereof include an ultrasonic type and an electromagnetic type. The relative water level measuring means 19 can measure a change in the height of the water surface. For this reason, the wave incident on the variable pitch propeller 13 can be evaluated based on the measurement result.
The incident wave measuring means 20 directly measures waves incident on the hull 18 by directly measuring the sea surface.
The hull motion measuring means 21 measures the motion of the hull 18, and for example, a gyroscope or an accelerometer can be used.

相対水位計測手段19および/または入射波計測手段20と船体運動計測手段21の計測結果により、可変ピッチプロペラ13位置での波と船体運動によるプロペラと流体との相対運動を求めることが可能で、これからプロペラ流入速度を予測することができる。このため、制御手段16が、可変ピッチプロペラ13への流入速度の予測に当たって、相対水位計測手段19および/または入射波計測手段20と船体運動計測手段21の計測結果を代替手法として利用することもできる。   Based on the measurement results of the relative water level measurement means 19 and / or the incident wave measurement means 20 and the hull motion measurement means 21, it is possible to obtain the relative motion between the propeller and the fluid due to the wave and hull motion at the position of the variable pitch propeller 13; From this, the propeller inflow speed can be predicted. For this reason, the control means 16 may use the relative water level measurement means 19 and / or the measurement results of the incident wave measurement means 20 and the ship motion measurement means 21 as an alternative method in predicting the inflow velocity into the variable pitch propeller 13. it can.

本発明は上述した本実施形態の可変ピッチプロペラ制御装置を搭載した船舶として実施することもできる。本発明を船舶として実施する場合も、上述した可変ピッチプロペラ制御装置同様の効果が得られる。   The present invention can also be implemented as a ship equipped with the above-described variable pitch propeller control device of the present embodiment. Even when the present invention is implemented as a ship, the same effect as the above-described variable pitch propeller control device can be obtained.

(第2の実施形態)
本発明は、下記の(1)〜(3)のフロー(工程)を備えた可変ピッチプロペラ制御方法、およびこのフローを実施する可変ピッチプロペラ制御装置として実施することができる(図1参照)。
(1)軸馬力計17から駆動軸12の軸トルク、主機11とギア比よりプロペラ回転数、可変ピッチプロペラ13よりプロペラピッチ角、これらの計測値や設定値からトルク一致法により可変ピッチプロペラ13へのプロペラ流入速度を計測する。
(2)計測データに時系列解析を施すことで、可変ピッチプロペラ13の駆動系応答遅れ分と計測データフィルタリングによる時間遅れ分の合計時間先(合計時間に等しい時間だけ離れた未来の時点)のプロペラ流入速度を予測する。
(3)プロペラ流入速度の予測値を用いて可変ピッチプロペラ13の翼角制御を行う。
この手法を用いることで、出会い波(可変ピッチプロペラ13に流入する波)や船体運動によって時々刻々変動する水の流入速度に対応した可変ピッチプロペラ13の制御を行うことが可能となる。
(Second Embodiment)
The present invention can be implemented as a variable pitch propeller control method including the following flows (steps) (1) to (3) and a variable pitch propeller control device that implements this flow (see FIG. 1).
(1) The shaft torque from the shaft horsepower meter 17 to the drive shaft 12, the propeller rotation speed from the main gear 11 and the gear ratio, the propeller pitch angle from the variable pitch propeller 13, and the variable pitch propeller 13 from these measured values and set values by the torque matching method. Measure the propeller inflow speed to.
(2) By performing time-series analysis on the measurement data, the total time ahead of the variable pitch propeller 13 drive system response delay and the time delay due to the measurement data filtering (future time point separated by a time equal to the total time) Predict the propeller inflow speed.
(3) The blade angle control of the variable pitch propeller 13 is performed using the predicted value of the propeller inflow speed.
By using this method, it becomes possible to control the variable pitch propeller 13 corresponding to the inflow speed of water that fluctuates from moment to moment due to encounter waves (waves flowing into the variable pitch propeller 13) and ship motion.

この可変ピッチプロペラ制御方法においては、トルク変動・スラスト(推力)変動を平滑化する制御法、プロペラ効率を最大に保つ制御法、指定船速下で燃料投入量を最小にする最適制御理論から得られた制御解に基づく制御法等を用いることができる。これらの制御法により、主機負荷変動の抑制による安全な運航、波浪中推進性能の向上といった効果が期待できる。   This variable pitch propeller control method is obtained from a control method that smoothes torque fluctuations and thrust fluctuations, a control method that keeps the propeller efficiency at a maximum, and an optimal control theory that minimizes the fuel input at a specified ship speed. A control method based on the obtained control solution can be used. These control methods can be expected to provide safe operation by suppressing fluctuations in the main engine load and improved propulsion performance in waves.

以下では、本発明を可変ピッチプロペラ制御方法として実施する態様について、図面を参照して説明する。
図5は、本実施形態の可変ピッチプロペラ制御方法に係るフローチャートである。同図に示すように、本実施形態の可変ピッチプロペラ制御方法は、設定ステップS1と、予測ステップS2と、制御ステップS3とを備えている。
Below, the aspect which implements this invention as a variable pitch propeller control method is demonstrated with reference to drawings.
FIG. 5 is a flowchart according to the variable pitch propeller control method of the present embodiment. As shown in the figure, the variable pitch propeller control method of the present embodiment includes a setting step S1, a prediction step S2, and a control step S3.

設定ステップS1は、船体18を駆動する原動機としての主機11により駆動軸12を介して駆動される可変ピッチプロペラ13の運転条件、およびプロペラ流入速度予測手段14の計算条件を設定するものである。可変ピッチプロペラ制御装置10では、運転条件設定手段14の入力手段から操作者が設定値を入力することによりなされる。   The setting step S <b> 1 sets operating conditions of the variable pitch propeller 13 driven by the main engine 11 as a prime mover that drives the hull 18 through the drive shaft 12 and calculation conditions of the propeller inflow speed predicting means 14. In the variable pitch propeller control device 10, the operator inputs a set value from the input means of the operating condition setting means 14.

予測ステップS2は、可変ピッチプロペラ13への水の流入速度を予測するものであり、プロペラ流入速度予測手段15によりなされる。この予測ステップS2における水の流入速度の予測は、可変ピッチプロペラ13への水の流入速度をリアルタイムで計測した結果に基づいてなされる。ここで、計測される対象は、第1の実施形態において説明したように、水の流入速度そのもののみならず、これと直接的または間接的に関連する事象を計測した値も含まれる。   Prediction step S <b> 2 predicts the inflow speed of water into the variable pitch propeller 13, and is performed by the propeller inflow speed prediction means 15. The prediction of the inflow speed of water in the prediction step S2 is made based on the result of measuring the inflow speed of water into the variable pitch propeller 13 in real time. Here, as described in the first embodiment, the object to be measured includes not only the water inflow speed itself but also a value obtained by measuring an event directly or indirectly related thereto.

上記リアルタイムで計測した結果であるリアルタイム計測結果に基づく予測は、時系列解析手法または周波数解析手法に基づいて行うことができる。本発明で用いる「時系列解析手法」とは、計測対象の時間領域における状態量変位をモデリングすることで、計測対象の将来の状態量変位の予測を行う手法をいう。
「時系列解析手法」の構成要素として、時系列モデルおよび時系列モデルのモデル同定法を挙げることができる。「時系列モデル」とは、ある時間の点における状態量変位について、その時間点における入力情報、過去に計測された状態量変位などの他の時間点における状態量変位とその変位に係る係数、これらの要素から説明するモデルをいう。また「時系列モデルのモデル同定法」とは、時系列モデルを構成する係数を同定するための手法である。そして、将来の予測は同定された時系列モデルにおいて設定した予測時間先の状態量変位を求めることで行う。
The prediction based on the real-time measurement result which is the result of the real-time measurement can be performed based on the time series analysis method or the frequency analysis method. The “time series analysis method” used in the present invention refers to a method of predicting a future state quantity displacement of a measurement target by modeling the state quantity displacement in the time domain of the measurement target.
The constituent elements of the “time series analysis method” include a time series model and a model identification method of the time series model. “Time-series model” refers to state quantity displacement at a certain time point, input information at that time point, state quantity displacement at other time points such as state quantity displacement measured in the past, and coefficients related to the displacement, The model explained from these elements. The “time series model identification method” is a method for identifying coefficients constituting the time series model. And future prediction is performed by calculating | requiring the state quantity displacement of the prediction time ahead set in the identified time series model.

モデル同定法としては、例えば、バーグ(Burg)法、ユールウォーカー(Yule Walker)法、ハウスホルダー(House Holder)法、パルコ(PARCOR)法、カルマンフィルタが挙げられる。
「周波数解析手法」としては、高速フーリエ変換法ならびに逆高速フーリエ変換法によって構成されている手法が挙げられる。
Examples of the model identification method include a Burg method, a Yule Walker method, a House Holder method, a Parco method, and a Kalman filter.
Examples of the “frequency analysis method” include a method constituted by a fast Fourier transform method and an inverse fast Fourier transform method.

制御ステップS3は、設定ステップS1において設定された運転条件と予測ステップS2における流入速度の予測結果に基づいて可変ピッチプロペラ13を制御するものであり、制御手段16によりなされる。
制御ステップS3における可変ピッチプロペラ13の制御としては、具体的には、主機11のエネルギー消費量が最小となる制御、駆動軸12の軸トルク変動を平滑化する制御、駆動軸12のスラスト変動を平滑化する制御、可変ピッチプロペラ13のプロペラ効率が最大となる包絡線(図4参照)に沿うように可変ピッチプロペラ13のピッチ角を制御する制御等を用いることができる。
The control step S3 controls the variable pitch propeller 13 based on the operating condition set in the setting step S1 and the inflow velocity prediction result in the prediction step S2, and is performed by the control means 16.
Specifically, the control of the variable pitch propeller 13 in the control step S3 includes control for minimizing the energy consumption of the main engine 11, control for smoothing the shaft torque fluctuation of the drive shaft 12, and thrust fluctuation of the drive shaft 12. Control for smoothing, control for controlling the pitch angle of the variable pitch propeller 13 so as to follow an envelope (see FIG. 4) that maximizes the propeller efficiency of the variable pitch propeller 13 can be used.

制御ステップS3における可変ピッチプロペラ13の制御は、ピッチ角を制御する制御方法はエネルギー消費量が最小となることを目的とした最適制御理論によって得られる制御解に基づく。
本発明における、「最適制御理論」とは、(1)対象とする制御系についてモデル方程式、制約条件などの定式化を行い、(2)入力条件に対して、設定された目的関数を最大限満足するような制御指令量を制御解として導出する制御理論をいう。
The control of the variable pitch propeller 13 in the control step S3 is based on a control solution obtained by an optimal control theory for the purpose of minimizing energy consumption in the control method for controlling the pitch angle.
In the present invention, “optimal control theory” means (1) formulation of model equations and constraint conditions for the target control system, and (2) maximum set objective function for input conditions. A control theory that derives a control command amount that satisfies the requirements as a control solution.

ここで、最適制御理論によって得られる制御解の導出過程において、船体18の運モデルと、主機11の応答モデルと、可変ピッチプロペラ13のプロペラトルクモデルが考慮されている。
ここで、主機11の応答モデルは、主機11の調速モデル、主機11のトルク発生機構、および駆動軸12の回転体としての力学モデルを含むものが挙げられる。そして、エネルギー消費量は、調速モデルの中に組み込まれ、制御解の計算時に評価される変数である。なお、主機11がエンジンである場合、その調速モデルはガバナの応答モデルとなる。
また、船体18の運動モデルとしては、船体18の船体抵抗、操縦運動による流体力、プロペラ推力、舵力、波浪外力を外力項として含むものが挙げられる。
Here, in the process of deriving the control solution obtained by the optimal control theory, the luck model of the hull 18, the response model of the main engine 11, and the propeller torque model of the variable pitch propeller 13 are considered.
Here, the response model of the main machine 11 includes a speed control model of the main machine 11, a torque generation mechanism of the main machine 11, and a dynamic model as a rotating body of the drive shaft 12. The energy consumption is a variable that is incorporated in the speed control model and is evaluated when calculating the control solution. When the main machine 11 is an engine, the speed control model is a governor response model.
Examples of the motion model of the hull 18 include a hull resistance of the hull 18, a fluid force due to a steering motion, a propeller thrust, a rudder force, and a wave external force as external force terms.

本発明は、ピッチ角駆動系の応答遅れを解消し、特に波浪中における主機トラブルの減少や最適制御理論等に基づくエネルギー消費量抑制等を実現することができるため、可変ピッチプロペラを装備した船舶等に利用できる。   The present invention eliminates the delay in response of the pitch angle drive system, and in particular, can reduce the main engine trouble in the waves and can suppress the energy consumption based on the optimal control theory, etc., so that the ship equipped with a variable pitch propeller Can be used for etc.

10 可変ピッチプロペラ制御装置
11 主機
12 駆動軸
13 可変ピッチプロペラ
14 運転条件設定手段
15 プロペラ流入速度予測手段
16 制御手段
17 軸馬力計(リアルタイム計測手段)
18 船体
19 相対水位計測手段
20 入射波計測手段
21 船体運動計測手段
DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 Variable pitch propeller control apparatus 11 Main machine 12 Drive shaft 13 Variable pitch propeller 14 Operating condition setting means 15 Propeller inflow speed prediction means 16 Control means 17 Shaft horsepower meter (real-time measurement means)
18 Hull 19 Relative water level measuring means 20 Incident wave measuring means 21 Hull motion measuring means

Claims (28)

船体を駆動する原動機としての主機と、
前記主機により駆動軸を介して駆動される可変ピッチプロペラと、
前記可変ピッチプロペラの運転条件を設定する運転条件設定手段と、
前記可変ピッチプロペラへの水の流入速度を、リアルタイムで求めたリアルタイム流入速度に基づいて少なくとも前記可変ピッチプロペラの駆動系の時間遅れを考慮して設定した予測先時間における予測流入速度として予測するプロペラ流入速度予測手段と、
前記運転条件設定手段により設定された運転条件と前記プロペラ流入速度予測手段で予測した前記予測流入速度に基づいて前記可変ピッチプロペラを制御する制御手段を備えたことを特徴とする可変ピッチプロペラ制御装置。
The main engine as the prime mover driving the hull,
A variable pitch propeller driven by the main machine via a drive shaft;
Operating condition setting means for setting operating conditions of the variable pitch propeller;
A propeller that predicts the inflow speed of water to the variable pitch propeller as a predicted inflow speed at a predicted destination time set in consideration of at least a time delay of the drive system of the variable pitch propeller based on a real time inflow speed obtained in real time Inflow velocity prediction means,
Variable pitch propeller control system characterized by comprising a control means for controlling the variable pitch propeller based on the predicted inflow velocity predicted by the propeller inflow velocity predicting means and the set operation condition by the operation condition setting unit .
前記プロペラ流入速度予測手段による前記予測流入速度の予測は、前記流入速度をリアルタイムで計測するために設けたリアルタイム計測手段の計測結果に基づく予測であることを特徴とする請求項1に記載の可変ピッチプロペラ制御装置。 The variable according to claim 1, wherein the prediction of the predicted inflow speed by the propeller inflow speed prediction means is prediction based on a measurement result of a real-time measurement means provided for measuring the inflow speed in real time. Pitch propeller control device. 前記リアルタイム計測手段は、前記駆動軸のトルク計測が可能な軸馬力計であることを特徴とする請求項2に記載の可変ピッチプロペラ制御装置。   The variable pitch propeller control device according to claim 2, wherein the real-time measuring means is a shaft horsepower meter capable of measuring torque of the drive shaft. 前記リアルタイム計測手段は、前記駆動軸のスラスト計測が可能な軸馬力計であることを特徴とする請求項2に記載の可変ピッチプロペラ制御装置。   The variable pitch propeller control device according to claim 2, wherein the real-time measuring means is a shaft horsepower meter capable of measuring thrust of the drive shaft. 前記予測流入速度の予測に当たって、前記可変ピッチプロペラの単独性能曲線と前記主機の回転数と前記可変ピッチプロペラのピッチ角を利用したことを特徴とする請求項3または請求項4に記載の可変ピッチプロペラ制御装置。 5. The variable pitch according to claim 3, wherein a single performance curve of the variable pitch propeller, a rotational speed of the main engine, and a pitch angle of the variable pitch propeller are used for the prediction of the predicted inflow velocity. Propeller control device. 前記船体にさらに相対水位計測手段および/または入射波計測手段と船体運動計測手段を備え、
前記予測流入速度の予測に当たって前記相対水位計測手段および/または前記入射波計測手段と前記船体運動計測手段の計測結果を利用したことを特徴とする請求項2に記載の可変ピッチプロペラ制御装置。
The hull further comprises a relative water level measuring means and / or incident wave measuring means and a hull motion measuring means,
3. The variable pitch propeller control device according to claim 2, wherein measurement results of the relative water level measurement means and / or the incident wave measurement means and the hull motion measurement means are used for the prediction of the predicted inflow velocity.
前記制御手段は、前記主機のエネルギー消費量が最小となるように前記可変ピッチプロペラのピッチ角を制御したことを特徴とする請求項1から請求項6のうちの1項に記載の可変ピッチプロペラ制御装置。   7. The variable pitch propeller according to claim 1, wherein the control means controls the pitch angle of the variable pitch propeller so that the energy consumption of the main engine is minimized. Control device. 前記ピッチ角の制御の前後において前記船体の速度が一定に保たれるように制御したことを特徴とする請求項7に記載の可変ピッチプロペラ制御装置。   8. The variable pitch propeller control device according to claim 7, wherein control is performed so that the speed of the hull is kept constant before and after the control of the pitch angle. 前記船体の速度は、海象を考慮したものであることを特徴とする請求項8に記載の可変ピッチプロペラ制御装置。   9. The variable pitch propeller control device according to claim 8, wherein the speed of the hull takes into account sea conditions. 前記制御手段は、前記駆動軸の軸トルクの変動を平滑化するように前記可変ピッチプロペラを制御したことを特徴とする請求項1から請求項6のうちの1項に記載の可変ピッチプロペラ制御装置。   The variable pitch propeller control according to any one of claims 1 to 6, wherein the control means controls the variable pitch propeller so as to smooth the fluctuation of the shaft torque of the drive shaft. apparatus. 前記運転条件設定手段で前記軸トルクの目標値を設定し、前記軸トルクの目標値に近づけるように平滑化をおこなったことを特徴とする請求項10に記載の可変ピッチプロペラ制御装置。   The variable pitch propeller control device according to claim 10, wherein a target value of the shaft torque is set by the operating condition setting means, and smoothing is performed so as to approach the target value of the shaft torque. 前記制御手段は、前記駆動軸のスラストの変動を平滑化するように前記可変ピッチプロペラを制御したことを特徴とする請求項1から請求項6のうちの1項に記載の可変ピッチプロペラ制御装置。   7. The variable pitch propeller control device according to claim 1, wherein the control means controls the variable pitch propeller so as to smooth the fluctuation of the thrust of the drive shaft. 8. . 前記運転条件設定手段で前記スラストの目標値を設定し、前記スラストの目標値に近づけるように平滑化をおこなったことを特徴とする請求項12に記載の可変ピッチプロペラ制御装置。   13. The variable pitch propeller control device according to claim 12, wherein a target value of the thrust is set by the operating condition setting means, and smoothing is performed so as to approach the target value of the thrust. 前記制御手段は、前記予測流入速度の予測結果に基づいて前記可変ピッチプロペラのプロペラ効率が最大となる包絡線に沿うように前記可変ピッチプロペラのピッチ角を制御したことを特徴とする請求項1から請求項6のうちの1項に記載の可変ピッチプロペラ制御装置。 The control means controls the pitch angle of the variable pitch propeller so as to follow an envelope that maximizes the propeller efficiency of the variable pitch propeller based on a prediction result of the predicted inflow velocity. The variable pitch propeller control device according to claim 1. 前記包絡線は、ピッチ角毎に求めた前記可変ピッチプロペラのプロペラ単独性能曲線群について、プロペラ効率がプロペラ前進定数に対して最大となるピッチ角を結んだ包絡線であることを特徴とする請求項14に記載の可変ピッチプロペラ制御装置。   The envelope is an envelope formed by connecting a pitch angle at which a propeller efficiency is maximum with respect to a propeller forward constant with respect to a propeller independent performance curve group of the variable pitch propeller obtained for each pitch angle. Item 15. The variable pitch propeller control device according to Item 14. 請求項1から請求項15のうちの1項に記載の可変ピッチプロペラ制御装置を搭載したものであることを特徴とする船舶。   A ship equipped with the variable pitch propeller control device according to one of claims 1 to 15. 船体を駆動する原動機としての主機により駆動軸を介して駆動される可変ピッチプロペラの運転条件を設定する設定ステップと、
前記可変ピッチプロペラへの水の流入速度を、リアルタイムで求めたリアルタイム流入速度に基づいて少なくとも前記可変ピッチプロペラの駆動系の時間遅れを考慮して設定した予測先時間における予測流入速度として予測する予測ステップと、
前記設定ステップにおいて設定された運転条件と前記予測ステップで予測した前記予測流入速度に基づいて前記可変ピッチプロペラを制御する制御ステップを備えたことを特徴とする可変ピッチプロペラ制御方法。
A setting step for setting operating conditions of a variable pitch propeller driven via a drive shaft by a main engine as a prime mover for driving the hull;
Prediction for predicting the inflow speed of water into the variable pitch propeller as a predicted inflow speed at a predicted destination time set in consideration of at least a time delay of the drive system of the variable pitch propeller based on the real time inflow speed obtained in real time Steps,
A variable pitch propeller control method comprising: a control step of controlling the variable pitch propeller based on the operating condition set in the setting step and the predicted inflow velocity predicted in the prediction step.
前記予測ステップにおける水の前記予測流入速度の予測は、前記可変ピッチプロペラへの水の前記流入速度のリアルタイム計測結果に基づく予測であることを特徴とする請求項17に記載の可変ピッチプロペラ制御方法。 18. The variable pitch propeller control method according to claim 17, wherein the prediction of the predicted inflow speed of water in the prediction step is a prediction based on a real-time measurement result of the inflow speed of water into the variable pitch propeller. . 前記リアルタイム計測結果に基づく予測は、時系列解析手法または周波数解析手法に基づいておこなったことを特徴とする請求項18に記載の可変ピッチプロペラ制御方法。   The variable pitch propeller control method according to claim 18, wherein the prediction based on the real-time measurement result is performed based on a time series analysis method or a frequency analysis method. 前記時系列解析手法は、時系列モデルおよび前記時系列モデルのモデル同定法によって
構成されていることを特徴とする請求項19に記載の可変ピッチプロペラ制御方法。
The variable pitch propeller control method according to claim 19, wherein the time series analysis method includes a time series model and a model identification method of the time series model.
前記モデル同定法は、バーグ(Burg)法、ユールウォーカー(Yule Walker)法、ハウスホルダー(House Holder)法、パルコ(PARCOR)法、カルマンフィルタのいずれかから選択されたことを特徴とする請求項20に記載の可変ピッチプロペラ制御方法。   21. The model identification method is selected from any of a Burg method, a Yule Walker method, a House Holder method, a PARCO method, and a Kalman filter. The variable pitch propeller control method described in 1. 前記周波数解析手法は、高速フーリエ変換法および逆高速フーリエ変換法によって構成されていることを特徴とする請求項19に記載の可変ピッチプロペラ制御方法。   20. The variable pitch propeller control method according to claim 19, wherein the frequency analysis method is configured by a fast Fourier transform method and an inverse fast Fourier transform method. 前記制御ステップにおける前記可変ピッチプロペラの制御は、前記主機のエネルギー消費量が最小となる制御、前記駆動軸の軸トルク変動を平滑化する制御、前記駆動軸のスラスト変動を平滑化する制御、前記可変ピッチプロペラのプロペラ効率が最大となる包絡線に沿うように前記可変ピッチプロペラのピッチ角を制御する制御のうちから選択されることを特徴とする請求項17から請求項22のうちの1項に記載の可変ピッチプロペラ制御方法。   The control of the variable pitch propeller in the control step includes control for minimizing energy consumption of the main engine, control for smoothing shaft torque fluctuation of the drive shaft, control for smoothing thrust fluctuation of the drive shaft, The control unit is selected from among controls for controlling a pitch angle of the variable pitch propeller so as to follow an envelope that maximizes a propeller efficiency of the variable pitch propeller. The variable pitch propeller control method described in 1. 前記エネルギー消費量が最小となる制御において、前記ピッチ角を制御する制御方法は、制御の前後において船体の速度を一定に保った上で、前記エネルギー消費量が最小となることを目的とした最適制御理論によって得られる制御解に基づくことを特徴とする請求項23に記載の可変ピッチプロペラ制御方法。   In the control that minimizes the energy consumption, the control method for controlling the pitch angle is an optimal for the purpose of minimizing the energy consumption while keeping the speed of the hull constant before and after the control. The variable pitch propeller control method according to claim 23, which is based on a control solution obtained by a control theory. 前記制御解は、船体運動モデルと主機応答モデルとプロペラトルクモデルが前記最適制御解の導出過程において考慮されていることを特徴とする請求項24に記載の可変ピッチプロペラ制御方法。   The variable pitch propeller control method according to claim 24, wherein a ship motion model, a main engine response model, and a propeller torque model are considered in the process of deriving the optimal control solution. 前記船体運動モデルは、船体抵抗、操縦運動による流体力、プロペラ推力、舵力、波浪外力を外力項として含むことを特徴とする請求項25に記載の可変ピッチプロペラ制御方法。   26. The variable pitch propeller control method according to claim 25, wherein the hull motion model includes hull resistance, fluid force due to steering motion, propeller thrust, rudder force, and wave external force as external force terms. 前記主機応答モデルは、前記主機の調速モデル、前記主機のトルク発生機構、前記駆動軸の応答モデルを含むことを特徴とする請求項25または請求項26に記載の可変ピッチプロペラ制御方法。   27. The variable pitch propeller control method according to claim 25 or claim 26, wherein the main machine response model includes a speed control model of the main machine, a torque generation mechanism of the main machine, and a response model of the drive shaft. 前記エネルギー消費量は、前記調速モデルの中に組み込まれ、前記制御解の計算時に評価される変数であることを特徴とする請求項27に記載の可変ピッチプロペラ制御方法。   28. The variable pitch propeller control method according to claim 27, wherein the energy consumption is a variable that is incorporated in the speed control model and is evaluated when the control solution is calculated.
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