CN102354112B - 一种船平航状态下调距桨螺距和主机转速的控制算法 - Google Patents

Abstract

一种船平航状态下调距桨螺距和主机转速的控制算法，包括以下步骤：（1）通过公式求得推力P；（2）通过公式求得船舶效率；（3）通过公式求得船舶的当前输出功率W；（4）根据求得的推力P、船舶效率和船舶的当前输出功率W通过公式求得控制判据J；（5）将转速n进行500等分、螺距H进行100等分，建立二维数组,当W[i][j]与W_外满足W[i][j]≤W_外且J[i][j]为最大值时，转速n和螺距H为控制目标值。本发明最优控制算法的有益效果在于：通过算法，取得转速n和螺距H，实现了主机输出功率最大、燃油效率最高且船舶机动性能最好的最优控制目的。

Description

一种船平航状态下调距桨螺距和主机转速的控制算法

技术领域

本发明涉及一种船平航状态下调距桨螺距和主机转速的控制算法，尤其涉及一种具有负荷保护的船舶平航状态下调距桨螺距和主机转速的最优匹配控制算法。

背景技术

现代船舶工业逐步向大吨位、低能耗、高自动化发展，主要表现为以电子、计算机、自动控制等为基础的数字化技术大量应用于船舶控制系统的各个环节，以数字化精密自动调节替代传统的手动调节，从而大幅度提高船舶操控的自动化水平，实现船舶在各种工况下工作参数的优化匹配，从而降低运行能耗，提高船舶运行的操控性能和安全性。其中船舶推进系统中和核心部件——螺旋桨、动力传动系统的主要进展是调距桨系统的应用。作为船舶运行的主传动系统，螺旋桨、主机的工作参数匹配是表征船舶品质的重要指标之一。调距桨装置通过电液控制系统无级调整螺旋桨桨叶的螺距角，从而实现船舶动力传动的“无级变速”。

船队在航行中，由于某种原因(例如大舵角、风浪过大、急弯急流等)船队负荷突然加大(瞬时或持续)，机、桨之间从正常的设计工况变为超负荷工况，需要对主机进行负荷控制保护，避免主机因超负荷运行而受损。主机负荷控制有两种方法，可以降低转速、或降低螺距比。直接降低转速，会使主机输出功率随外特性曲线下降，主机发不出额定功率，船舶的机动性大大降低；直接降低螺距，可以使主机保持输出额定功率，但此时的螺旋桨的淌水效率较低，致使燃油利用率降低。船舶航行的最优控制目标就为实现最高燃油效率的同时，保持船舶最高的机动性能。然而，燃油效率与机动性能两者往往难以兼得，必须在一定程度上进行取舍，需要进行最优化控制。

在主机负荷保护的条件下，如何最优化船舶的机动性与燃油效率，是船舶控制的关键技术难点。

发明内容

为了解决上述现有技术的不足和缺点，本发明提供了一种船平航状态下调距桨螺距和主机转速从而达到主机最大输出功率的控制算法。

一种船平航状态下调距桨螺距和主机转速的控制算法，包括以下步骤：

1)  将转速n进行x等分，n为n[0]到n[x]、螺距H进行y等分，H为H[0]到H[y]，建立二维数组,转速n取值为n[i],螺距H取值为H[j]；

2)  通过下述公式求得推力P： P=K_Pρn²D_P ⁴（1）式中，推力系数K_P为：K_P=a₁λ_p ²+a₂λ_p+a₃（2）式中，进速系数λ_p为：λ_p=（1-ω）H/D_P（3）； 

3)  通过下述公式求得船舶效率η为：η=η_c*η_s*η_p（4）式中，螺旋桨淌水效率η_p为：η_p=K_P/K_M*λ_p /2π（5）式中，阻力矩系数K_M为：K_M= b₁λ_p  ²+b₂λ_p +b₃（6）；

4)  通过下述公式求得船舶的当前输出功率W：W=M*2πn/η_cη_s（7），为保证主机不超负荷工作，输出功率应满足：W≤W_外=c₁n²+c₂n+c₃(8)式中，船的阻力矩M为：M=K_Mρn²D_P ⁵（9）；

5)  根据已求得的推力P、船舶效率η和船舶的当前输出功率W通过下述公式求得控制判据J：J=P/P_E *K₁+η/η_E*K₂+W/W_E *K₃（10）式中， k₁、k₂、k₃为参数系数且k₁+k₂+k₃=1（11）；

6)        通过i和j的不断取值将转速n和螺距H分别遍历0到x和0到y，当W[i][j]与W_外满足（8）且J[i][j]为最大值时，取得的转速n和螺距H，此时的转速n与螺距H值为平航状态下保证推力和船舶效率的情况下，主机达到最大输出功率的转速n与螺距H值。

本发明最优控制算法的有益效果在于：通过取功率W和条件B的任意值，经过查询排序算法，取得控制判据J的最大值，实现了主机输出功率最大、燃油效率最高且船舶机动性能最好的最优控制目的。

附图说明

图1为本发明的具体应用调距桨控制系统的各部件示意图。

具体实施方式

下面通过具体实施例对本发明作进一步详细说明，但并不是对本发明保护范围的限制。

实施例1

船舶通过螺旋桨获取的推力P是衡量船舶机动性的关键指标。船舶获取的加速度与推力P直接相关，可表示为式（12）：

m*a=P-R                                           （12）式中，m为船总重量，a为加速度，R为船的总阻力。当P值越大时，则船舶的加速度越大，机动性能越好。推力P可表示为式（1）：

P=K_Pρn²D_P ⁴                                           （1）式中，ρ为水的密度，K_P为推力系数，n为转速，D_P为桨直径，可表示为式（2）：

K_P=a₁λ_p ²+a₂λ_p +a₃                                     （2）式中，a₁、a₂、a₃为螺旋桨淌水实验结果曲线拟合参数，λ_p为进速系数可表示为式（3）：

λ_p =（1-ω）V_K/n D_P =（1-ω）H/D_P                                      （3）式中，ω为伴流系数，H为螺距，D_P为桨直径。

由于船的总阻力（包括摩擦阻力、形状阻力和兴波阻力）R可表示为式（13）：

R=1/2ρν²Ωζ                                           （13）式中，ρ为水的密度，ν为船的航速，Ω为船航行时的湿面积，ζ为总阻力常数系数。螺旋桨提供的有效推力P与船总阻力R达到平衡时，即P=R时，可获得最高速度运行速度，所以P值越大，则船快速性越好。

船舶效率是燃油效率的关键指标，它代表了从主机发出功率到船舶获得有效推进功率之间的能量损耗，可表示为式（4）：

η=η_c*η_s*η_p                                             （4）式中，η_c为船舶轴系及减速装置的综合传动效率，η_s为船—桨相互作用后船体影响系数（船身效率），η_c、η_s在不同工况下变化不大，所以最为关键的参数为η_p，如果能获取较大的η_p值，则燃油效率较高。η_p为螺旋桨淌水效率，可表示为式（5）：

η_p=K_P/K_M*λ_p /2π（5）式中，λ_p为进速系数，而K_P为推力系数（即式2中的K_P），阻力矩系数K_M可表示为式（6）：

K_M= b₁λ_p  ²+b₂λ_p+b₃                                    （6）式中的b₁、b₂、b₃为螺旋桨淌水实验结果曲线拟合参数。

该专利算法提出归一化的船舶机动性指标与燃油效率指标，然后提出最优控制判据J，J值可表示为以下形式（10）：

J=P/P_E *K₁+η/η_E*K₂+W/W_E *K₃                       （10）；

k₁+k₂+k₃=1                                           (11)；

在（10）式中，P_E、η_E、W_E都为额定功率时推力、船舶效率、主机输出总功率，而P、η、W都为当前状态下的推力、船舶效率、输出总功率，k₁、k₂、k₃是参数系数，可根据用户需求进行调整。

为进行负荷保护控制，船舶的当前输出功率W应该小于主机的外特性输出功率W_外，可表达为公式（8）：

W≤W_外=c₁n²+c₂n+c₃                       （8）式中，W为计算目标状态下的船舶输出总功率，可表示为式（7）：

W=M*2πn/η_cη_s                               （7）式中，M为船的阻力矩，可表示为式（9）：

M=K_Mρn²D_P ⁵                                     （9）式中，M为船的阻力矩，K_M为阻力矩系数，该专利算法目标就是在满足条件式（8）的情况下，使控制判据J值最大，实现最优控制。通过以上所有公式推导可以知道，P、M、W、K_P、K_M、η都是λ_p与n的函数，而λ_p又只是螺距H的函数，所以通过控制螺距H、转速n值，就可以得到最优的J判据。此时的转速n与螺距H值为平航状态下保证推力和船舶效率的情况下，主机达到最大输出功率的转速n与螺距H值。

实施例2

带负荷保护的最优控制算法的实现方法：

将转速n进行500等分、螺距H进行100等分，则建立判据J[500][100]与功率W[500][100]、条件B[500][100]的二维数组（条件B[500][100]为一个二维数组值，用以判断TRUE或FALSE），根据（1）-（10）公式统计各螺距及转速条件下的J[i][j]、W[i][j]数值，以及该转速条件下的W_外值，当W[i][j]与W_外满足关系式（8）时，则B[i][j]的数值为TRUE，否则为FALSE。该专利算法就是通过查询排序算法，得到B[i][j]为TRUE条件下的J[i][j]最大值，这时的n与H值就为控制目标值。

通过一组具体数值，对本发明作进一步的解释。公式里的水密度ρ= 1，螺旋桨直径D_p= 2，伴流系数ω= 0.2，总阻力常数系数ζ= 2，航行湿面积Ω= 100，综合传动效率η_c= 0.9，船身效率η_s= 0.9，k₁=0.3，k₂=0.3,k₃= 0.4。转速取值范围0-2000，螺距取值范围0-1.6。将转速n进行10等分、螺距H进行5等分，取得n为0、10,20、30、40、50、60、70、80、90，H为0～4。当H=0，n= 0时， J=0.000；H=0，n= 10时，J=0.000；H=0，n= 20时，J=1.060；H=0，n= 30时，J= 2.130；H=0，n= 40时，J= 3.210；H=0，n= 50时，J=4.299；H=0，n= 60时，J=5.398；H=0，n=70时，J=6.506；H=0，n=80时，J=6.506；H=0，n= 90时，J=6.506；H=1，n=0时，J=6.506；H=1，n=10时，J=27.315；H=1，n= 20时，J=27.315；H =1，n=30时，J=29.085；H=1，n= 40时，J=29.085；H=1，n=50时，J=30.886；H =1，n=60时，J=30.886；H=1，n=70时，J=32.718；H=1，n=80时，J=32.718；H=1，n=90时，J=34.580；H=2，n=0时，J=34.580；H=2，n=10时，J=52.323；H=2，n=20时，J=52.989；H=2，n=30时，J=53.660；H=2，n=40时，J=54.338；H=2，n=50时，J=55.020；H=2，n=60时，J=55.708；H=2，n=70时，J=56.402；H=2，n=80时，J=57.101；H=2，n=90时，J=57.805；H=3，n=0时，J=67.583；H=3，n=10时，J=67.982；H=3，n=20时，J=68.384；H=3，n=30时，J=68.789；H=3，n=40时，J=69.197；H=3，n=50时，J=69.607；H=3，n=60时，J=70.021；H=3，n=70时， J=70.437；H=3，n=80时，J=70.857；H=3，n=90时，J=71.279；H=4，n=0时，J =-6.258；H=4，n=10时，J=-6.162；H=4，n=20时，J= -6.066；H=4，n=30时，J=-5.970；H=4，n=40时，J=-5.874；H=4，n=50时，J=-5.778；H=4，n=60时，J=-5.682；H=4，n=70时，J=-5.586；H=4，n=80时，J=-5.490；H=4，n=90时，J=-5.394；通过排序计算，当H=3，n=90时，求得的J=71.279最大，此时的n和H为这几组数据中主机输出功率最大、燃油效率最高且船舶机动性能最好的转速n和螺距H。

实施例3

如图1所示，以本发明最佳启动算法的其中一种调距桨控制系统为例，具体说明本发明的工作过程。

该控制系统是以高速可靠的CAN总线为数字信息的传输载体，以高性能的ARM7芯片作为主控芯片，设计开发具有信息处理、最佳匹配控制、系统状态监测、主机过载保护、信息保存等功能的模块化的调距桨嵌入式控制系统。高性能嵌入式控制主机以高性能ARM7 CPU芯片为核心，以多路隔离CAN总线为通讯手段，配置大容量程序存储器、数据存储器和大容量固态数据记录芯片。

高性能嵌入式控制主机的运行频率为60MHz，处理器位宽为32位，具有4路隔离CAN总线。控制器通过CAN总线分别从主机和电液控制系统得到当前主机转速n和调距桨螺距H。当需要设置时，通过CAN总线输出指令，设置目标主机转速n和调距桨螺距H。

Claims (1)

1.一种船平航状态下调距桨螺距和主机转速的控制算法，其特征在于：包括以下步骤：

1、将转速n进行x等分，n为n[0]到n[x]、螺距H进行y等分，H为H[0]到H[y]，建立二维数组,转速n取值为n[i],螺距H取值为H[j]；

2、通过下述公式求得推力P： P=K_Pρn²D_P ⁴（1）式中，推力系数K_P为：K_P=a₁λ_p ²+a₂λ_p+a₃（2）式中，进速系数λ_p为：λ_p=（1-ω）H/D_P（3），ρ为水的密度，D_P为桨直径，a₁、a₂、a₃为螺旋桨淌水实验结果曲线拟合参数，ω为伴流系数； 

3、通过下述公式求得船舶效率η为：η=η_c*η_s*η_p（4）式中，螺旋桨淌水效率η_p为：η_p=K_P/K_M*λ_p /2π（5）式中，阻力矩系数K_M为：K_M= b₁λ_p  ²+b₂λ_p +b₃（6），η_c为船舶轴系及减速装置的综合传动效率，η_s为船—桨相互作用后船体影响系数，b₁、b₂、b₃为螺旋桨淌水实验结果曲线拟合参数； 

4、通过下述公式求得船舶的当前输出功率W：W=M*2πn/η_cη_s（7），为保证主机不超负荷工作，输出功率应满足：W≤W_外=c₁n²+c₂n+c₃(8)式中，船的阻力矩M为：M=K_Mρn²D_P ⁵（9），c₁、c₂、c₃为螺旋桨淌水实验结果曲线拟合参数；

5、根据已求得的推力P、船舶效率η和船舶的当前输出功率W通过下述公式求得控制判据J：J=P/P_E *K₁+η/η_E*K₂+W/W_E *K₃（10）式中， k₁、k₂、k₃为参数系数且k₁+k₂+k₃=1（11），P_E为额定功率时推力，η_E为额定功率时船舶效率，W_E为额定功率时主机输出总功率；

6、通过i和j的不断取值将转速n和螺距H分别遍历0到x和0到y，当W[i][j]与W_外满足W≤W_外=c₁n²+c₂n+c₃（8）且J[i][j]为最大值时，取得的转速n和螺距H，此时的转速n与螺距H值为平航状态下保证推力和船舶效率的情况下，主机达到最大输出功率的转速n与螺距H值。

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