CN102791997A

CN102791997A - 发动机控制装置以及方法

Info

Publication number: CN102791997A
Application number: CN2011800133722A
Authority: CN
Inventors: 田中一郎; 青木猛; 山本秀则; 光藤亮; 渡边宽树
Original assignee: Mitsui Shipbuilding System Technology Research Co Ltd; Mitsui Engineering and Shipbuilding Co Ltd
Current assignee: Mitsui Shipbuilding System Technology Research Co Ltd; Mitsui Engineering and Shipbuilding Co Ltd; Mitsui Zosen Systems Research Inc
Priority date: 2010-03-31
Filing date: 2011-03-18
Publication date: 2012-11-21
Also published as: KR20120063556A; JP2011214468A; WO2011125464A1; JP4898935B2; TW201144582A; KR101167577B1

Abstract

本发明提供一种发动机控制装置以及方法，将目标转速（No）和发动机（10）的实际转速（Ne）的偏差输入到PID演算部（11）。在PID演算部（11）中，仅对于I演算部（13）的输出设置上限限制器（15）。将P演算部（12）、上限限制器（15）、D演算部（14）的输出相加输出到上限限制器（16）。将从上限限制器（16）输出的燃料指数（FIe）输出到发动机（10）的操作端，控制燃料供给量。

Description

发动机控制装置以及方法

技术区域

本发明涉及一种为了将控制量维持在一定的目标值而进行PID控制的发动机控制装置，特别涉及一种在负荷变动的环境中所使用的发动机的调速器装置。

背景技术

例如在船舶中，广泛采用将螺旋桨转速（主机转速）维持在一定的转速的固定控制。即，在船舶主机的调速器控制中，通过PID控制，实际转速维持为目标转速。另外，在调速器控制中，为了防止主机的过度旋转，防止产生过大负荷，设置有限制燃料指数（燃料供给量）并规定燃料供给量的上限的限制器（专利文献1）。

专利文献1：日本特开2009-191774号公报

发明内容

（发明要解决的问题）

但是，在将转速等的控制量保持为一定的控制中，相对于负荷变动，实际转速（控制量）以目标值为中心变动。因此，作为操作量的燃料指数（燃料供给量）或发动机输出为了将其抵消而大幅度变动，在负荷变动反复的环境下，燃料效率低下。

本发明的目的在于，一边使操作量追随于负荷变动，一边抑制操作量的变动，从而抑制发动机输出的变动以谋求燃料效率的提高。

（解决技术问题的技术方案）

本发明的发动机控制装置，具备进行将控制量维持在一定的目标值的控制的PID演算部，该发动机控制装置的特征在于，在PID演算部中，仅对于来自I演算部的输出设置第1上限限制器。

为了实现适合目标值的变更的适当的控制，例如具备根据目标值算出第1上限限制器的上限值的上限值算出单元。此时，第1上限限制器的上限值例如根据控制量和控制中的操作量算出。

例如，发动机为船舶的主机，控制量为发动机的旋转速度，操作量为燃料指数。另外，为了实现适合海象的变化的适当的控制，也可以从旋转速度以及燃料指数的值求取船舶的现在的负荷阻力系数，并根据此负荷阻力系数的变动幅度求取第1上限限制器的上限值。

进一步来说，例如发动机控制装置具备规定从PID演算部输出的操作量的上限的第2上限限制器，第2上限限制器的上限值例如从平静水面状态中的船舶的负荷阻力系数和目标旋转速度算出。第1上限限制器的上限值例如作为从第2上限限制器的上限值减去根据负荷阻力系数的变动幅度的值所得到的值而求取。

本发明的船舶的特征在于，将上述发动机控制装置作为主机的调速器使用。

另外，本发明的发动机控制方法的特征在于，为了进行将控制量维持在一定的目标值的控制而进行PID演算，将来自PID演算中的I演算的输出，通过上限限制器与PID演算的P演算的输出以及D演算的输出相加，作为控制的操作量。

此外，发动机控制方法的特征在于具备：PID演算部，为了进行将控制量维持在一定的目标值的控制；上限值限制器，规定从PID演算部输出的操作量的上限值；上限限制器的上限值被设定为，当控制中的输出不被给予负荷变动的时候，目标值被维持的操作量的值。

（发明的效果）

根据本发明，能够一边使操作量追随于负荷变动，一边抑制操作量的变动，从而抑制发动机输出的变动以谋求燃料效率的提高。

附图说明

图1是表示本实施方式的发动机控制装置的构成的框图。

图2是表示对于负荷阻力系数的变动的旋转速度控制方式、燃料指数限制方式、积分成分限制方式中的各物理量的变动的图表。

符号说明

10 发动机

11 PID演算部

12 P演算部

13 I演算部

14 D演算部

15 上限限制器

16 上限限制器

17 上限值演算部

18 R演算部。

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为表示本发明的一实施方式的发动机控制装置的构成的控制框图。

在本实施方式中，发动机10为船舶的主机，其轴（未图示）例如直接或者通过减速机连接于推进用的螺旋桨（未图示）。在本控制系统中，目标转速（目标值）No作为控制指令被给予，反馈被计测的发动机10的实际转速（控制量）Ne。即，将目标转速和实际转速的偏差（No-Ne）输入到PID演算部11。并且，实际转速Ne例如通过由未图示的传感器计测发动机轴的转速而求得。

输入到PID演算部11的转速偏差（No-Ne）被输入到P演算部12、I演算部13、D演算部14，分别被施行比例、积分、微分演算。将来自P演算部12、I演算部13、D演算部14的输出Po、Io、Do全部相加作为燃料指数FI从PID演算部输出，但在本实施方式中，仅将I演算部13的输出Io通过第1上限限制器15后，与P演算部12、D演算部14的输出Po、Do相加。其后，燃料指数FI通过第2上限限制器16作为燃料指数（操作量）FIe输出到发动机10。

在本实施方式中，限制器（第1上限限制器）15中的上限值Im、限制器（第2上限限制器）16中的上限值FIm，在上限值演算部17中被算出，通过来自上限值演算部17的输出，分别设定上限限制器15、16中的上限值Im、FIm。其中，燃料指数FI的第2上限值FIm从目标转速No和后述的负荷阻力系数R的代表值Rr算出，来自I演算部13的输出Io的上限值Im除了从目标转速No、代表负荷阻力系数Rr以外，还从负荷阻力系数R的变动成分的有效值（RMS）Rσ算出（后述）。

其中，负荷阻力系数R的变动成分的有效值Rσ，如后所述，在R演算部18中从实际转速Ne和实际燃料指数FIe算出。另一方面，代表负荷阻力系数Rr为手册中所设定的值，如后所述，直到进行变更为止，被保持于存储器（未图示）等。

其次，对于负荷阻力系数R的含义以及根据本实施方式中的负荷阻力系数R的上限值Im、FIm的设定方法进行说明。在以下的说明中，旋转速度（转速）N、输出Pw、转矩Q、燃料指数FI的值以发动机在连续最大额定值（MCR）时为100%的百分比［%］表示。

依照螺旋桨法则，输出Pw［%］与旋转速度（转速）N［%］的3次方成比例，表示为

Pw＝R·（N/100）³ （1）

其中R为依存于海象的系数［%］。在本说明书中，称此系数R为负荷阻力系数。R［%］在平静水面状态（没有风浪的稳定状态）中航行时的平均值成为100%。

另一方面，因为转矩Q［%］、输出Pw［%］、旋转速度N［%］之间有

Q＝Pw/（N/100）（2）

的关系，所以当使用负荷阻力系数R时，转矩Q表示为

Q＝R·（N/100）² （3）

进一步来说，在调速器控制中，因为能够将燃料指数FI［%］看作与转矩Q［%］等同（FI＝Q），所以从（3）式中得出

FI＝R·（N/100）² （4）

因此，通过将实际燃料指数FIe［%］、实际旋转速度Ne［%］代入到（4）式，而求取现在的负荷阻力系数Re的值

Re＝FIe/（Ne/100）² （5）

在本实施方式中，燃料指数FI的上限值FIm，将在平静水面状态（没有风浪的稳定状态）中的负荷阻力系数R的值（100%）作为代表负荷阻力系数Rr，从目标转速No与（4）式中，作为

FIm＝Rr·（No/100）² （6）

被给予。并且，因为平静水面状态中的负荷阻力系数R的值随时间变化（增大），所以在保养时等，其设定值定期被变更。

此外，在本实施方式中，积分演算部13的输出Io的上限值Im作为

Im＝FIm-K·Rσ （7）

被求取。其中K为通过模拟或实验决定的常数。另外，负荷阻力系数Re的变动成分的有效值的Rσ（负荷阻力系数的标准偏差）作为

Rσ＝（R_rms ²-R_av ²）^1/2 （8）

R_rms＝［（∫（Re（t））²dt）/T］^1/2

被求取。其中，R_rms为Re的有效值，积分为例如在过去的期间T（t1～t2）里的值（例如t2对应于现在时间点）。另外，R_av为负荷阻力系数Re（t）的期间T（t1～t2）里的平均值，作为期间T，例如选择比变动（波浪）的周期还长的时间。另外，因为期间T只要是能得到代表现在海象的R_av的时间即可，所以例如选择数十秒到一小时左右的时间。但是，期间T也可以比数十秒到一小时左右还长，在波浪的周期较短的情况下，也可以选择比数十秒到一小时左右还短的周期。

在本实施方式中，虽然上限限制器15、16的上限值FIm、Im是用（6）式、（7）式求取的，但是上限值FIm、Im的值也可以通过其他方法设定。此外，在（7）式中，上限值Im虽然根据负荷阻力系数Re的值而变更，但也可以为仅由目标转速No决定的构成。例如，也可以对Im用（6）式，对FIm设定更大的值。例如，作为FIm，能够设定对应于过度旋转、过度负荷等的值。另外，上限值Im比相当于发动机所容许的最大转矩的值还小，例如，设定为比相对于通常的负荷变动的输出Io的变动的最大值还小的值。

接着参照图2，对仅对于I演算部的输出Io使用上限限制器的情况下的作用/效果进行说明。

图2表示在不同的3个控制方式（A）～（C）中，模拟将负荷阻力系数Re如图2（d）所示变动的时候的各控制方式（A）～（C）中的（a）转速变动、（b）燃料指数的变动、（c）输出变动的时候的结果。其中，3个控制方式分别为：（A）旋转速度（转速）为一定的现有的旋转速度控制方式；（B）不设置上限限制器15，通过上限限制器16，仅将燃料指数FI限制为上限值81［%］（后述）的燃料指数限制方式；（C）不设置上限限制器16，通过上限限制器15，仅将I演算部的输出Io限制为上限值81［%］（后述）的积分成分限制方式。

对于各控制方式（A）～（C）所给予的负荷阻力系数Re的变动如图2（d）所示，是一样的（符号A4、B4、C4）。另外，在图2的图表中，在横轴（时间轴）0～100秒的范围里表示旋转速度控制方式（A）中的各变动［%］，在100～200秒的范围里表示燃料指数限制方式（B）中的各物理量的变动［%］、在200～300秒的范围里表示积分成分限制方式（C）中的各物理量的变动［%］。

如图2（d）所示，被设想的负荷阻力系数Re为整体上比平静水面状态中的值（Re＝100［%］）还高的值，对应于例如船体在逆风中受到波浪的影响进行航行的状态。负荷阻力系数Re包含了约10秒为周期的短周期的变动与约100秒为周期的长周期的变动。另外，在图2的例中，任一控制方式（A）～（C）中，目标旋转速度（转速）No也被设定为90［%］。即，以上所述的控制方式（B）、（C）中的上限值FIm、Im的81［%］的值，作为在平静水面状态中NO＝90［%］的时候的燃料指数的值，从（6）式中得出。

在旋转速度控制方式（A）中，燃料指数FIe随着负荷阻力系数Re的短周期以及长周期的变动而大幅度变动（符号A2），旋转速度大致抵消长周期的变动（符号A1）。但是，在旋转速度中，残留有短周期的变动的影响，以目标值90［%］为中心对应于短周期的变动而变动（符号A1）。因此，输出Pw（＝FIe·（Ne/100））配合负荷阻力系数的长周期以及短周期的变动而变动（符号A3），在整体上，其值比在平静水面状态以目标值No＝90［%］航行的情况下的输出（Pwo）72.9（＝FIm·（N/100））［%］高。

另一方面，在燃料指数限制方式（B）中，燃料指数的上限值被限制为FIm＝81［%］（符号B2）。因此，为了增大负荷阻力系数，并将旋转速度维持在90［%］，在需要将燃料指数设成高于81［%］的区域中，如图2（b）所示，燃料指数被抑制在81［%］（符号B2）。因此，在负荷阻力系数超过100［%］而进行变动的区域中，旋转速度以与负荷阻力系数的变动大致逆相关的形式变动，其整体比目标转速No（90［%］）低，短周期的变动的振幅被扩大（符号B1）。但是，旋转速度的上侧峰值被抑制为比旋转速度控制方式（A）的时侯还低的值（约91［%］）（符号B1）。另外，输出Pw以比Pwo（72.9［%］）稍低的值为中心进行变动（符号B3）。即，在燃料指数限制方式（B）中的输出Pw相比旋转速度控制方式（A）被减少。

其次，在积分成分限制方式（C）中，仅将PID演算中的比例成分输出Po、积分成分输出Io、微分成分输出Do中的积分成分（I）的上限限制为上限值Im（81［%］）。因此，追随长周期的变动的燃料指数的上升被上限值Im规定。但是，因为对于比例成分输出Po以及微分成分输出Do，与旋转速度控制方式（A）相同，所以燃料指数追随短周期的变动（符号C2）。此时，旋转速度的长周期以及短周期的变动都比燃料指数限制方式（B）的时候小，来自目标值No的整体的旋转速度的下降也变小。进一步来说，旋转速度的上侧峰值，减少至与燃料指数限制方式（B）大致相同的值（约91［%］）（符号C1）。另外，输出Pw以比Pwo（72.9［%］）稍高的值为中心几乎不变动（符号C3）。即，在积分成分限制方式（C）中的输出Pw的变动，相比旋转速度控制方式（A）或燃料指数限制方式（B）被大幅度减少（符号C3）。

当比较以上的3个控制方式（A）～（C）时，在旋转速度控制方式（A）中，旋转速度的上侧峰值为中，旋转速度的变动幅度为中，燃料指数的变动幅度为大，输出的变动幅度为大。

其次，在燃料指数限制方式（B）中，旋转速度的上侧峰值为小，旋转速度的变动幅度为大，燃料指数的变动幅度为小，输出的变动幅度为大。

进一步来说，在积分成分限制方式（C）中，旋转速度的上侧峰值为小，旋转速度的变动幅度为中，燃料指数的变动幅度为中，输出的变动幅度为小。

如上所述，在采用积分成分限制方式的本实施方式中，一边使燃料指数（操作量）追随短周期的波浪引起的负荷阻力系数的变动（负荷变动），一边相对于长周期的波浪抑制操作量的变动，从而抑制发动机输出的变动。因此，提高燃烧效率，改善燃料效率。另外，通过抑制伴随负荷变动的旋转速度变动的上侧峰值，能够抑制旋转速度的上升，并且能够降低作用于发动机的负荷。

进一步来说，在本实施方式中，因为各限制器中的上限值按照目标旋转速度的值自动变更，所以能够经常进行适合于被设定的目标旋转速度的调速器控制。另外，在本实施方式中，因为仅对PID演算的I演算部的输出所设置的限制器的上限值按照负荷阻力系数的值自动变更，所以能够进行更适应于海象的变化的调速器控制。即，在负荷变动的变动幅度较大的海象中，I演算部的输出的上限值被抑制得更低。

另外，在本实施方式中，没有为了从实际转速、实际燃料指数求取负荷阻力系数而设置新的构成，从而能够将海象的状态计量化，而适当地设定/变更积分成分的上限限制器。

并且，从通过降低旋转速度的上侧峰值的同时抑制燃料指数的变动幅度，而降低输出的平均值，谋求燃料效率的改善的观点来说，仅通过利用（6）式设定上限限制器16的上限值FIm的燃料指数限制方式（B），也具有一定的效果。即，在将操作量的上限限制器的上限值设定为控制系统不被给予负荷变动的时候输出被维持在目标值的操作量的值的情况下，也具有一定的效果。此外，在本实施方式中，将负荷阻力系数的变动成分的有效值作为评价负荷阻力系数的变动幅度的指标，但是也可以用有效值以外的指标。

另外，在本实施方式中，以船舶的主机为例进行说明，但是在汽车或飞机等其他的交通工具中的速度固定控制（自动巡航功能等）或转速固定控制中，也能够利用本发明。

例如，在汽车中进行速度固定控制的情况下，将在无风状态中的水平行驶中得到目标速度（目标值）Vo所必须的燃料指数（操作量）FI作为上限值FIm（或者Im）。此外，可以从实际速度Ve和实际燃料指数FIe算出车辆的负荷阻力，并根据其变动幅度来变更上限值Im的值。

Claims

1.一种发动机控制装置，具备进行将控制量维持在一定的目标值的控制的PID演算部，所述发动机控制装置的特征在于，在所述PID演算部中，仅对于来自I演算部的输出设置第1上限限制器。

2.根据权利要求1所述的发动机控制装置，其特征在于，具备根据所述目标值算出所述第1上限限制器的上限值的上限值算出单元。

3.根据权利要求2所述的发动机控制装置，其特征在于，所述第1上限限制器的上限值根据所述控制量和所述控制中的操作量算出。

4.根据权利要求3所述的发动机控制装置，其特征在于，所述发动机为船舶的主机，所述控制量为所述发动机的旋转速度，同时，所述操作量为燃料指数。

5.根据权利要求4所述的发动机控制装置，其特征在于，从所述旋转速度以及所述燃料指数的值求取所述船舶的现在的负荷阻力系数，同时，根据所述负荷阻力系数的变动幅度求取所述第1上限限制器的上限值。

6.根据权利要求5所述的发动机控制装置，其特征在于，所述发动机控制装置具备规定从所述PID演算部输出的操作量的上限的第2上限限制器，所述第2上限限制器的上限值从平静水面状态中的所述船舶的负荷阻力系数和目标旋转速度算出。

7.根据权利要求6所述的发动机控制装置，其特征在于，所述第1上限限制器的上限值为从所述第2上限限制器的上限值减去根据所述变动幅度的值所得到的值。

8.根据权利要求1至5中任一项所述的发动机控制装置，其特征在于，所述发动机控制装置具备规定从所述PID演算部输出的操作量的上限的第2上限限制器。

9.一种船舶，其特征在于具备权利要求1至8中任一项所述的发动机控制装置。

10.一种发动机控制方法，其特征在于，为了进行将控制量维持在一定的目标值的控制，进行PID演算，将来自所述PID演算中的I演算的输出，通过上限限制器与所述PID演算的P演算的输出以及D演算的输出相加，作为所述控制的操作量。

11.一种发动机控制方法，其特征在于具备：PID演算部，为了进行将控制量维持在一定的目标值的控制；上限值限制器，规定从所述PID演算部输出的操作量的上限值；所述上限限制器的上限值被设定为，当所述控制中的输出不被给予负荷变动的时候，所述目标值被维持的操作量的值。