CN102385314A - 一种船启动时调距桨螺距和主机转速匹配的控制算法 - Google Patents

Abstract

一种船启动时调整桨螺距和主机转速匹配的控制算法，包括以下步骤：（1）将n和H等分，求得n_现和H_现（2）通过公式求得推力P；（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和船舶的当前输出功率W，通过公式求得控制判据J₁；（5）通过公式求得目标与当前控制目标之间的距离J₂；（5）通过公式取得多组J₁[i][j]，将n[i]和H[j]代入公式并取得最小的J₂[i][j]，此时的n[i]和H[j]即为目标转速n和目标螺距H。本发明的有益效果在于：通过这个算法，使船在启动过程中，主机能沿最佳路径达到最大输出功率且不超负荷工作，同时保证最大推力输出。

Description

一种船启动时调距桨螺距和主机转速匹配的控制算法

技术领域

本发明涉及一种船启动时调距桨螺距和主机转速匹配的控制算法，尤其涉及一种船舶启动时使主机能沿最佳路径达到最大输出功率且不超负荷工作，同时保证最大推力输出的控制算法。

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”。

船舶在系泊试验或启动时，由于桨叶与水流的冲击角较大，这时会获得较大的推力P与阻力矩M，如果迅速提高控制转速，则船负荷会远远大于主机输出功率，造成主机超负荷运转，设备有损坏风险，工况变差。对于定距桨，启动过程只能通过缓慢提速实现平稳负荷加载，当主机低速工作平稳后，再切换到下一个稍高速工作状态，船舶速度呈阶梯状上升，所以整段启动过程较慢。而对于调距桨系统，可以在通过降低螺距比来减小推力与阻力矩，避免主机超负荷，实现主机快速启动后再逐步加大螺距，获取较大输出功率与推力，所以安装调距桨系统的船舶具有更好的机动性能。

但是目前在调距桨的实际使用中，对于如何动态调整主机转速和螺距的匹配，使得在船舶的启动过程中既能保证获得主机的最大输出功率和螺旋桨最大推力，同时避免主机超负荷，实现最快启动这一问题并没有有效的解决方案。

快速启动过程有两个要点：一是如何使主机输出功率快速上升，并且不处于超负荷工作状态；二是如何合理控制转速与螺距，使船舶获得较高的机动性与灵活性。

发明内容

为了解决上述现有技术的不足和缺点，本发明提供了一种使主机输出功率快速上升且不处于超负荷工作状态的合理控制转速与螺距的最佳启动算法。

一种船启动时调整桨螺距和主机转速匹配的控制算法，包括以下步骤：

一、  将转速n在取值范围内进行x等分、螺距H在取值范围内进行y等分，建立二维数组,取转速n任意值设为n[i]、取螺距H任意值设为H[j]，取当前转速为n_现，当前螺距为H_现；

二、  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，λ_p为进速系数：λ_p =（1-ω）H/D_P（3）； 

三、  通过下述公式求得船舶的输出功率W：W=M*2πn/η_cη_s(4)。为保证主机不超负荷工作，输出功率应满足：W≤W_外=c₁n²+c₂n+c₃(5)式中，船的阻力矩M为：M=K_Mρn²D_P ⁵（6）式中，阻力矩系数K_M为：K_M= b₁λ_p  ²+b₂λ_p+b₃（7）；

四、  根据已求得的推力P和船舶的当前输出功率W，通过下述公式求得控制判据J₁：J₁=P/P_E *K₁+ W/W_E *K₂（8）式中，k₁、k₂是参数系数且k₁+k₂=1（9）；

五、  通过下述公式求得目标与当前控制目标之间的距离J₂：J₂=∣n_目-n_现∣*K₃+∣H_目-H_现∣*k₄(10) 式中，k₃、k₄是参数系数且k₃+k₄=1（11）；

六、 将当前转速n_现和当前螺距H_现代入公式（1）～（8），得到当前控制判据J_1现，当W[i][j]与W_外满足关系式（5）并且J₁[i][j]> J_1现时，取得多组J₁[i][j]，将多组J₁[i][j]中的n[i]和H[j]代入公式（10），通过排序的方法，取得最小的J₂[i][j]，此时的n[i]和H[j]为目标转速n和目标螺距H，使主机最快达到最大输出功率且不超负荷工作。

本发明最优控制算法的有益效果在于：在船舶刚启动时，通过判据J₂，根据当前转速n_现和当前螺距H_现，可以得到目标转速n和目标螺距H。当当前转速n_现和当前螺距H_现达到目标转速n和目标螺距H后，重新进行运算求下一个目标转速n和目标螺距H，最后取得唯一的转速n和螺距H值，使主机能沿最佳路径达到最大输出功率且不超负荷工作，同时保证最大推力输出。

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。推力系数K_P为：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：λ_p =（1-ω）H/D_P（3）。

由于船的总阻力（包括摩擦阻力、形状阻力和兴波阻力）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。

主机最大输出功率是其外特性曲线，为保证主机不超负荷工作，输出功率应满足：W≤W_外=c₁n²+c₂n+c₃(5)式中，W_外为当前转速下外特性曲线上的功率值，c₁、c₂、c₃是船主机的外特性曲线参数，对于具体的主机为固定常数，通过下述公式求得船舶的输出功率W：W=M*2πn/η_cη_s(4)式中，W为旋桨上所受到的负荷，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），n为转速，对于螺旋桨所受到的阻力矩M可表示为：M=K_Mρn²D_P ⁵（6）式中，K_M为阻力矩系数，ρ为水的密度，D_P为桨直径。

阻力矩系数K_M的关系式可表达为（7）、（3）：

K_M= b₁λ_p  ²+b₂λ_p+b₃                                         （7）；                            

λ_p =（1-ω）V_K/n D_P =（1-ω）H/D_P                      （3）；

其中V_K 为船航速，λ_p为进速系数，ω为伴流系数，H为螺距，D_P为桨直径。（7）式中的b₁、b₂、b₃为螺旋桨淌水实验结果曲线拟合参数。 

从公式（1）～（7）可以看出，P、M、W、K_P、K_M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，就可以完全控制船舶工作状态。

该专利算法控制目标就是使带有调距桨系统的船舶沿着最佳启动曲线调整螺距与转速，在保障主机不超负荷运行条件下，使船舶快速稳定提升速度与输出功率。专利算法提出归一化的船舶机动性指标与输出功率指标，然后提出最佳控制判据J₁，J₁值可表示为以下形式（8）：

J₁=P/P_E *K₁+ W/W_E *K₂                                   （8）；

k₁+k₂=1                                            （9）；

当计算目标（目标转速、螺距）J₁值大于当前控制（当前转速、螺距）J值时，则计算目标为潜在的控制目标。在所有的潜在的控制目标中挑选与当前控制距离最短的转速、螺距对，则距离最短的潜在控制目标为真正下一步控制目标。两个计算目标间的距离计算方法如式（10）所示：

J₂=∣n_目-n_现∣*K₃+∣H_目-H_现∣*k₄                                           （10）；

K₃+k₄=1                                           （11）；

在式（8）中，P_E为额定功率时推力，W_E为额定主机输出功率，而P为计算目标状态下的推力、W为计算目标状态下的船舶输出总功率，k₃、k₄是参数系数，可根据用户需求进行调整。n_目、H_目是计算目标的转速与螺距，n_现、H_现是当前状态下的转速与螺距，J₂就是计算目标与当前控制目标之间的距离，当距离越短时，则两种状态之间切换最平稳。

带负荷限制调距桨最佳启动算法的实现方法：

将转速n进行500等分、螺距H进行100等分，则建立判据J₁ [500][100]、J₂[500][100]与功率W[500][100]、条件B[500][100] （条件B[500][100]为一个二维数组值，用以判断TRUE或FALSE）的二维数组，根据（1）～（8）公式统计各螺距及转速条件下的J₁[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（5）时，并且J₁[i][j]值大于当前J₁值时，则B[i][j]的数值为TRUE，否则为FALSE。该算法通过查询，取得B[i][j]为TRUE条件下的多对n与H，再将这几对n与H带代入公式（11），计算得到多对J₂[i][j]的值。通过排序方法，得到最小的J₂[i][j]值，此时，得到的n与H为目标转速n和目标螺距H。当当前转速n_现和当前螺距H_现达到目标转速n和目标螺距H后，重新进行运算求下一个目标转速n和目标螺距H。

实施例2

通过实验取得的一组具体数值，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=0.7,k₃= 0.5, k₄=0.5。将转速n进行10等分、螺距H进行5等分，取得n为0～9、H为0～4。船刚启动，此时的H为0，n为0，代入公式（1）～（9），求得J₁=0.000000，作为当前的J₁值。当H为0，n为1时，取得J₁=2.737294，并与当前的J₁进行比较，大于当前值。将H为0，n为1取出。以此类推，取出n为0～9、H为0～4的J₁值，并和当前的J₁值（即H为0，n为0的J₁值）比较。当求得的J₁值大于当前J₁值，求得多组H和n，并将这几组H和n代入公式（11），当H=0，n=1时，J₂₌0.500；当H=0，n=2时，J₂=1.000；当H=0，n=3时，J₂=1.500；当H=0，n=4时，J₂=2.000；当H=0，n=5时，J₂=2.500；当H=1，n=1时，J₂=1.000；当H=1，n=2时，J₂=1.500；当H=1，n=3时，J₂=2.000；当H=1，n=4时，J₂=2.500；当H=1，n=5时，J₂=3.000；当H=1，n=6时，J₂=3.500；当H=2，n=1时，J₂=1.500；当H=2，n=2时，J₂=2.000；当H=2，n=3时，J₂=2.500；当H=2，n=4时，J₂=3.000；当H=2，n=5时，J₂=3.500；当H=2，n=6时，J₂=4.000；当H=2，n=7时，J₂=4.500；当H=2，n=8时，J₂=5.000；当H=3，n=1时，J₂=2.000；当H=3，n=2时，J₂=2.500；当H=3，n=3时，J₂=3.000；当H=3，n=4时，J₂=3.500；当H=3，n=5时，J₂=4.000；当H=3，n=6时，J₂=4.500；当H=3，n=7时，J₂=5.000；当H=3，n=8时，J₂=5.500；当H=3，n=9时，J₂=6.000；当H=4，n=1时，J₂=2.500；当H=4，n=2时，J₂=3.000；当H=4，n=3时，J₂=3.500；当H=4，n=4时，J₂=4.000；当H=4，n=5时，J₂=4.500；当H=4，n=6时，J₂=5.000；当H=4，n=7时，J₂=5.500；当H=4，n=8时，J₂=6.000；当H=4，n=9时，J₂=6.500；将取得的J₂进行比较，取得最小的J₂值（即当H=0，n=1时，J₂₌0.500最小）。将此时的H和n作为目标值，即J₁[0][1]= 2.737294作为当前J₁值。将目标值分别输出给主机和调距桨。当主机转速n从原来的当前值0变为目标值1，调距桨螺距从原来的当前值0变为目标值0后，再将n为0～9、H为0～4的J₁值与当前J₁值（即当H=0，n=1时的J₁值）比较，大于当前J₁值，就取出这组H和n，再代入公式（11），取得多组J₂值进行比较，取得最小的J₂值，此时的H为0，n为2。将此时的H和n作为目标值，即J₁[0][2]= 6.023160作为当前J₁值。将目标值分别输出给主机和调距桨。当主机转速n从原来的当前值1变为目标值2，调距桨螺距从原来的当前值0变为目标值0后，再将n为0～9、H为0～4的J₁值与当前J₁值（即当H=0，n=2时的J₁值）比较。以此类推，最后取得当H为2，n为8时，取得最小的J₂值，J₁为22.273634，此时的J₁作为当前值。当n为0～9、H为0～4时，取得的J₁值没有大于当前值的，此时的转速n和螺距H为主机输出功率最大时的转速和螺距。通过一次次调整，使主机输出功率的上升有一个缓冲的空间，使主机不至于超负荷工作，最后使主机达到最大输出功率。

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)

1.一种船启动时调整桨螺距和主机转速匹配的控制算法，其特征在于：包括以下步骤：

1、将转速n在取值范围内进行x等分、螺距H在取值范围内进行y等分，建立二维数组，取转速n任意值设为n[i]、取螺距H任意值设为H[j]，取当前转速为n_现，当前螺距为H_现；

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，λ_p为进速系数：λ_p =（1-ω）H/D_P（3）； 

3、通过下述公式求得船舶的输出功率W：W=M*2πn/η_cη_s(4)，为保证主机不超负荷工作，输出功率应满足：W≤W_外=c₁n²+c₂n+c₃(5)式中，船的阻力矩M为：M=K_Mρn²D_P ⁵（6）式中，阻力矩系数K_M为：K_M= b₁λ_p  ²+b₂λ_p+b₃（7）；

4、根据已求得的推力P和船舶的当前输出功率W，通过下述公式求得控制判据J₁：J₁=P/P_E *K₁+ W/W_E *K₂（8）式中，k₁、k₂是参数系数且k₁+k₂=1（9）；

5、通过下述公式求得目标与当前控制目标之间的距离J₂：J₂=∣n_目-n_现∣*K₃+∣H_目-H_现∣*k₄(10)式中，k₁、k₂是参数系数且k₃+k₄=1（11）；

6、将当前转速n_现和当前螺距H_现代入公式（1）～（8），得到当前控制判据J_1现，当W[i][j]与W_外满足关系式（5）并且J₁[i][j]> J_1现时，取得多组J₁[i][j]，将多组J₁[i][j]中的n[i]和H[j]代入公式（10），通过排序的方法，取得最小的J₂[i][j]，此时的n[i]和H[j]即为目标转速n和目标螺距H，使主机能沿最佳路径达到最大输出功率且不超负荷工作，同时保证最大推力输出。

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