CN102483008A - 船舶用发动机控制系统以及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种船舶用发动机控制系统以及方法，该船舶用发动机控制系统的特征在于，从主发动机的实际转速和燃料指数求出负荷阻力系数，将由负荷阻力系数导出的物理量作为参数进行控制模式的切换。

Description

船舶用发动机控制系统以及方法
技术领域
本发明涉及船舶用发动机的控制系统，特别涉及基于海象进行船舶用发动机的控制的控制系统。
背景技术
在船舶用发动机的控制中，以设定的目标转速与实际转速无偏差的方式进行PID(比例-积分-微分)控制。但是，在恶劣气候时，由于螺旋桨产生的负荷转矩急剧变化，因此，在利用设想正常气候情况下的航行的增速的PID控制中，存在由于超速而引起发动机故障等的危险。对于这样的问题，提出了预测由于干扰所产生的螺旋桨转速的变动而变更PID控制的增速的构成的方案(专利文献1)。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本特开平8-200131号公报
发明内容
(发明要解决的课题)
为了提高燃油效率，有必要进行根据海象进行调速控制。但是，在专利文献1，由于不进行海象的判断，因此，不能严密地与每时每刻发生变化的海象变化相对应。此外，也未必可以说转速控制根据海象就可以提高燃油效率。
本发明的目的在于不新设置传感器而判断海象的变化，通过进行根据海象的调速控制，从而实现燃油效率的提高。
(用于解决课题的方法)
本发明的船舶用发动机控制系统的特征在于，从主发动机的实际转速和燃料指数中求出负荷阻力系数，将由负荷阻力系数导出的物理量作为参数进行控制模式的切换。
物理量中包含负荷阻力系数的变动周期或者变动的有效值的至少一个。此外，控制模式的切换与控制目标值的切换相对应，此时的控制模式中包含例如转速控制、输出控制、燃料指数控制的至少一个。
采用更新的负荷阻力系数进行从目标转速向目标燃料指数的变换、或者从目标转速向目标输出值的变换，在该变换中，采用负荷阻力系数在规定时间中的平均值。
此外，控制模式的切换例如与控制参数的切换相对应。控制参数的切换例如与PI运算的灵敏度相对应，灵敏度的切换在比例项的灵敏度相对较大、积分相对较短的模式、与比例项的灵敏度相对较小、积分相对较长的模式之间进行。
本发明的船舶的特征在于，具备上述任一的船舶用发动机控制系统。
本发明的船舶用发动机控制方法的特征在于，从主发动机的实际转速和燃料指数中求出负荷阻力系数，将由负荷阻力系数导出的物理量作为参数进行控制模式的切换。
(发明的效果)
根据本发明，不新设置传感器而判断海象的变化，通过进行根据海象的调速控制，从而能够提高燃油效率。
附图说明
图1是本发明第一实施方式的船舶用发动机控制系统的控制框图。
图2是表示负荷阻力系数R、实际转速Ne、以及燃料指数FIe的具体的时间序列变化的曲线图。
图3是表示燃料指数控制、输出控制、以及转速控制中的动态特长的曲线图。
图4是在第二实施方式中所使用的控制图的例。
图5是表示图2(c)所示的负荷阻力系数R的变动成分Rv、以及其有效值Re的时间序列变化、负荷阻力系数R的变动周期的曲线图。
图6是在第三实施方式中所使用的控制图的例。
图7是第三实施方式的船舶用发动机控制系统的控制框图。
符号说明
10、20船舶用发动机控制系统
11、14、17、25控制器
12转速/燃料指数变换模块
13主发动机
15致动器
16转速/输出值变换模块
19输出算出模块
22切换开关
24负荷阻力系数算出模块
26控制模式切换模块。
具体实施方式
以下，参照附图对本发明的实施方式进行说明。
图1是表示作为本发明第一实施方式的船舶用发动机控制系统的构成的控制框图。
第一实施方式的船舶用发动机控制系统10例如具备三个控制模式，各控制模式根据海象的状况等可以择一地选择。第一控制模式为将主发动机13的实际转速(转数)Ne维持在目标转速(转数)No的转速控制。第二控制模式为将主发动机13的输出Pe维持在目标值Po的输出控制。此外，第三控制模式为将燃料喷射量，即作为其指标的燃料指数FIe维持在目标值FIo的燃料指数控制。
在船舶用发动机控制系统10中，操纵者在任一控制模式中，将转速(No)作为转速指令发出。即，在本实施方式的调速控制中，操纵者只要仅将转速作为控制对象来认识即可。
在第一控制模式(转速控制)中，将作为控制指令发出的目标转速No与反馈的实际转速Ne之间的偏差输入控制器11。来自控制器11的输出通过切换开关22被传送到致动器15，致动器15将与来自控制器11的输出相对应的燃料喷射量(燃料指数FIe)的燃料供给主发动机13。
另外，切换开关22为进行第一至第三控制模式间的切换的开关，在选择第一控制模式时，将转速控制用的控制器11与致动器15连接。
在第二控制模式(输出控制)中，作为控制指令发出的目标转速No在转速/输出变换模块16中变换成目标输出Po(后述)。在输出控制中，主发动机13的现在的输出Pe被反馈，与目标输出Po之间的偏差被输入到控制器17。在第二控制模式中，切换开关22将控制器17与致动器15连接，来自控制器17的输出通过切换开关22而被传送到致动器15。致动器15对主发动机13进行与来自控制器17的输出相对应的燃料喷射(与燃料指数FIe相对应)。
另外，被反馈的现在的输出Pe在输出算出模块19中，由主发动机13的实际转速Ne和与实际燃料喷射量相对应的燃料指数FIe算出(后述)。
此外，转速/输出变换模块16中的变换基于后述的负荷阻力系数R的平均值Rav进行变换，负荷阻力系数R及其平均值Rav在负荷阻力系数算出模块24中，由如下所述的实际燃料指数FIe和实际转速Ne算出。
在第三控制模式(燃料指数控制)中，作为控制指令发出的目标转速No在转速/燃料指数变换模块12中变换成目标燃料指数FIo。另外，在该变换中，采用在负荷阻力系数算出模块24中所算出的负荷阻力系数R的平均值Rav。
在燃料指数控制中，与实际的燃料喷射量相对应的燃料指数FIe被反馈，并且将与目标燃料指数FIo之间的偏差输入到控制器14。在第三控制模式中，切换开关22将控制器14与致动器15连接，并且来自控制器14的输出通过切换开关22而被传送到致动器15。致动器15对主发动机13进行与来自控制器14的输出相对应的燃料喷射(与燃料指数FIe相对应)。
如上所述，在第一实施方式的船舶用发动机控制系统10中，通过切换开关22的切换，从而可将控制模式在转速控制、输出控制、燃料指数控制之间进行切换，并且能够进行根据海象的调速控制。
下面，对转速/输出变换模块16、转速/燃料指数变换模块12中的控制目标值的变换公式、以及输出算出模块19中输出算出公式进行说明。另外，在以下的说明中，将转速N、输出P、转矩T、燃料指数FI采用在主发动机13的连续最大额定值(MCR)时为100％的百分率[％]来表示。
根据螺桨定律，输出P[％]与转速N[％]的立方成比例，表示为：
P＝R·(N/100)3                        (1)
这里，R为依据上述海象的系数[％]，在本说明书中称作负荷阻力系数。另外，R[％]在航行中将水面平静状态(没有波浪的平静的状态)为100％。
另一方面，由于在转矩T[％]、输出P[％]、转速N[％]之间，具有如下关系：
T＝P/(N/100)                          (2)
因此，当转矩T采用负荷阻力系数R时，可表示为：
T＝R·(N/100)2                        (3)
此外，由于在调速控制中燃料指数FI[％]视为与转矩T[％]相等(FI＝T)，因此，从(3)式可得：
FI＝R·(N/100)2                       (4)
因此，如果负荷阻力系数R确定，在转速/输出变换模块16中，基于(1)式从转速N求出输出P，在转速/燃料指数变换模块12中，基于(4)式求出燃料指数FI。
此外，由(4)式，现在的负荷阻力系数R值能够通过下式从实际燃料指数FIe[％]和实际转速Ne[％]求出：
R＝FIe/(Ne/100)2                      (5)
即，(4)式的负荷阻力系数R根据海象而时刻进行变化，但是，该值由(5)式求出。因此，在本实施方式的转速/输出变换模块16、以及转速/燃料指数变换模块12中，每隔规定时间T将采用(5)式所算出的负荷阻力系数R的规定时间(例如从数十分到数小时程度，优选1小时程度)T的平均值Rav＝[∫FIe/(Ne/100)2·dt]/T进行更新和设定作为用于(1)式、(4)式的负荷阻力系数R的值。
即，在转速/输出变换模块16中，作为变换公式采用下式：
Po＝Rav·(No/100)3                    (6)
在转速/燃料指数变换模块12中，作为变换公式采用下式：
FIo＝Rav·(No/100)2                   (7)
此外，在输出算出模块19中所算出的输出Pe的值由(1)、(5)式通过下式求出：
Pe＝FIe·(Ne/100)                    (8)
图2中模式化地表示负荷阻力系数R、实际转速Ne、燃料指数FIe的具体的时间序列变化。另外，图2(a)表示转速Ne[％]、图2(b)表示燃料指数FIe[％]的测量值、图2(c)表示将图2(a)、图2(b)所示的实际转速Ne、燃料指数FIe代入(5)式而算出的负荷阻力系数R[％]的算出值的时间序列变化，横轴为时间[秒]。
如图2(a)所示，实际转速Ne在转速(转数)为一定的转速控制中，根据波浪的影响，以设定的目标值为中心进行变动，变动的周期与船体受到的波的周期相关。另一方面，如图2(b)所示，在燃料指数(燃料喷射量)FIe中，除了与转速变动相关的变动之外，与转速变动的周期相比，存在等级(オ一ダ一)大得多的趋势(トレンド)。并且，由(5)式R＝FIe/(Ne/100)2算出的负荷阻力系数R受到图2(a)、图2(b)各自的变动的影响，如图2(c)所示进行变动。
接着，图3中表示转速控制、输出控制、燃料指数控制的各控制模式中主发动机的转速[％]的变动(图3(a))、燃料指数值的变动(图3(b))、输出变动(图3(c))、负荷阻力系数的变动(图3(d))的代表例。
如图3所示，负荷阻力系数控制例如如图3(d)所示，在负荷阻力系数R的变动较小并且周期也较短的主发动机产生应答滞延的情况下被选择。如图3(b)所示，在燃料指数控制中，燃料指数维持一定，但是，图3(a)、图3(c)所示的转速和输出在短周期中微幅变动。
如图3(d)所示，输出控制在负荷阻力系数R的变动为中程度，周期也一定程度地较长，主发动机在能够充分随动的状况下被选择。如图3(c)所示，主发动机的输出通过上述的输出控制而大致维持一定，并且主发动机稳定运转。此时，转速(图3(a))和燃料指数(图3(b))在与负荷阻力系数R大致相同的周期中，以中等程度的大小进行变动。
此外，转速控制例如在极大汹涌波浪中或海港区域中被使用，防止由于例如空转所引起的主发动机的过度旋转等。如图3(d)所示，例如产生空转时，负荷阻力系数R其值突然变得极小。此时，由于转速开始急剧上升，因此，为了维持转速一定，燃料指数大幅度下降(图3(b))，主发动机的输出大幅度下降(图3(c))。由此，可防止转速的过度上升。
如上所述，在第一实施方式中，能够根据海象等将适当的物理量设定成控制目标值而进行调速控制，能够提高燃油效率。此外，当发出目标转速No时，由于可得到其值以及适应此时的海象的输出控制目标值Po和燃料指数控制目标值FIo，因此，能够进一步改善燃油效率。
下面，参照图4、图5对本发明的第二实施方式的船舶用发动机控制系统进行说明。第二实施方式的船舶用发动机控制系统的构成与第一实施方式的船舶用发动机控制系统大致相同，但是，在第二实施方式中，将负荷阻力系数R的变动的周期和负荷阻力系数R的变动的有效值作为参数进行第一至第三控制模式的切换。
图4表示基于负荷阻力系数R的变动的周期和有效值进行第一至第三的控制模式的切换的控制图的一例。即，在图4中，横轴为负荷阻力系数R的变动周期，纵轴与负荷阻力系数R的变动的有效值相对应。
一般来说，负荷阻力系数R的变动周期的长短与主发动机对波浪变动的随动性成正相关，并且变动的有效值的大小与波浪影响的大小成正相关，同时与干扰影响的大小成逆相关。因此，在本实施方式中，在变动周期短且主发动机的应答性较低的情况下，或变动的有效值小且波浪影响小但是干扰影响大的情况下，进行燃料指数控制，固定燃料喷射量而抑制多余的燃料喷射(燃料指数控制模式)。
相反，在变动周期长且可得到充分的随动性的情况下，或变动的有效值大且发生空转的波浪影响大的情况下，进行转速控制，维持主发动机(螺旋桨)的转速一定(转速控制模式)。并且，在这两个运行模式的中间区域，进行输出控制，维持主发动机输出一定(输出控制模式)。
即，在第二实施方式中，基于在负荷阻力系数算出模块24(图1)中所算出的负荷阻力系数R，进一步算出负荷阻力系数R的变动周期和负荷阻力系数R的变动的有效值，参照图4的控制图，而选择对应的区域的控制模式，并且进行切换开关22(图1)的切换。
这里，在图5(a)中用曲线图表示图2(c)所示的负荷阻力系数R[％]的变动成分Rv[％]的时间序列变化和Rv的有效值Re[％]的时间序列变化。另外，图5(a)中的变动成分Rv与从图2(c)的负荷阻力系数R去除了趋势的相对应。此外，在图5(b)中，用曲线图表示描绘从在图5(a)的变动成分Rv[％]上升中横切0[％]的时间点至在下次上升中横切0[％]的时间点将所花费的时间，在本实施方式中，将该值作为负荷阻力系数R的变动周期采用。
如上所述，根据本发明的第二实施方式，可得到与第一实施方式大致相同的效果，同时能够从由负荷阻力系数的变动周期、变动的有效值等的负荷阻力系数导出的物理量，判断现在的海象，而从控制目标值不同的多个控制模式中选择适当的控制模式。
下面，参照图6、图7对第三实施方式进行说明。第三实施方式与第二实施方式相同，将负荷阻力系数R的变动周期和变动的有效值作为参数而切换调速的控制模式。在第二实施方式的控制模式的切换中，将控制目标值变更为转速、输出、燃料指数，但是，在第三实施方式中，不进行控制目标值的变更，而对应于图的各区域而变更控制参数。
在第三实施方式的船舶用发动机控制系统中，例如转速控制用于调速控制，在与第二实施方式的控制图(图4)所示的转速控制、输出控制、燃料指数控制的各区域相对应的区域中，如图6的控制图所示，分别选择敏感控制、中间控制、缓慢控制。
图7表示第三实施方式的转速控制的控制框图。另外，对与第一、第二实施方式相同的构成采用相同的参照符号，并省略其说明。在第三实施方式的转速控制中，将目标转速No与实际转速Ne的偏差输入控制器25。来自控制器25的输出输入至致动器15，与来自控制器25的输出相对应的燃料喷射量(燃料指数FIe)向主发动机13供给。
控制器25例如包括PID控制模块，各项增速的设定基于来自控制模式切换模块26的指令而进行变更。实际燃料指数FI和实际转速Ne输入至控制模式切换模块26，并且与第一实施方式的负荷阻力系数算出模块24相同，在算出负荷阻力系数R的同时，算出其变动周期以及变动的有效值，参照图6的控制图。并且，控制模式切换模块26对于控制器25的PID控制模块，而设定基于控制图所选择的控制模式的增速。
表1中表示在第三实施方式的各控制模式中PID运算中的各项灵敏度的相对性的关系，这些是通过改变各项的增速的设定而进行变更。
[表1]
此外，在图6中，将控制模式分成三个区域，但是，也可以是仅分成两个控制模式的构成，在该情况下，例如分成敏感控制和缓慢控制，在两模式中PID运算中的比例项、积分项的灵敏度的相对性的关系表示于表2。
[表2]
Figure BDA0000138550820000092
另外，在这种情况下，也可以仅为PI控制。
如上所述，在第三实施方式中也能够得到与第二实施方式大致相同的效果。另外，在本实施方式中，以转速控制为例进行了说明，但是，本实施方式也能够适用于输出控制和燃料指数控制。
此外，第一至第三实施方式在取得匹配的范围中，也能够分别组合而使用。
另外，在各实施方式中，也可以构成为将算出的负荷阻力系数、其变动周期、变动的有效值的任一个或者由负荷阻力系数中导出的物理量的两个以上在操舵室或发动机室等中表示。此外，在第二、第三实施方式中，也能够仅以负荷阻力系数的变动周期、变动的有效值的任一个、或者与由负荷阻力系数中导出的其他物理量组合而规定控制模式的切换。此外，替代变动周期也能够使用变动频率。再者，在本实施方式中，操纵者设定转速作为控制指令，但是，也能够设定燃料指数、输出、船速和其他物理量作为控制指令。
此外，对于控制方法并不限定于PID控制，也能够适用于现代控制理论、适用控制、学习控制等。例如在第三实施方式的情况下，基于由负荷阻力系数导出的物理量，变更PI运算和PID运算的灵敏度，而进行控制模式的切换，但是，例如在现代控制理论、适用控制、学习控制等中，也可以基于由负荷阻力系数导出的物理量，变更各个控制中的控制参数的值，进行控制模式的切换。

Claims (12)

1.一种船舶用发动机控制系统，其特征在于，从主发动机的实际转速和燃料指数中求出负荷阻力系数，将由所述负荷阻力系数导出的物理量作为参数进行控制模式的切换。
2.根据权利要求1所述的船舶用发动机控制系统，其特征在于，所述物理量中，包含所述负荷阻力系数的变动周期或者所述变动的有效值的至少一个。
3.根据权利要求2所述的船舶用控制发动机系统，其特征在于，所述控制模式的切换与控制目标值的切换相对应。
4.根据权利要求3所述的船舶用发动机控制系统，其特征在于，所述控制模式中包含转速控制。
5.根据权利要求3所述的船舶用发动机控制系统，其特征在于，所述控制模式中包含输出控制。
6.根据权利要求3所述的船舶用发动机控制系统，其特征在于，所述控制模式中包含燃料指数控制。
7.根据权利要求1至6中任一项所述的船舶用发动机控制系统，其特征在于，采用更新的所述负荷阻力系数进行从目标转速向目标燃料指数的变换、或者从目标转速向目标输出值的变换。
8.根据权利要求7所述的船舶用发动机控制系统，其特征在于，在所述变换中，采用所述负荷阻力系数在规定时间中的平均值。
9.根据权利要求1或2中任一项所述的船舶用发动机控制系统，其特征在于，所述控制模式的切换与控制参数的切换相对应。
10.根据权利要求9所述的船舶用发动机控制系统，其特征在于，所述控制参数的切换与PI运算的灵敏度相对应，所述灵敏度的切换在所述比例项的灵敏度相对较大、所述积分相对较短的模式、与比例项的灵敏度相对较小、所述积分相对较长的模式之间进行。
11.一种船舶，其特征在于，具备权利要求1至10任一项所述的船舶用发动机控制系统。
12.一种船舶用发动机控制方法，其特征在于，从主发动机的实际转速和燃料指数中求出负荷阻力系数，将由所述负荷阻力系数导出的物理量作为参数进行控制模式的切换。
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