CN106976541A - 一种非平静海况下船舶电力推进系统的抗过旋控制策略 - Google Patents

一种非平静海况下船舶电力推进系统的抗过旋控制策略 Download PDF

Info

Publication number
CN106976541A
CN106976541A CN201610026740.1A CN201610026740A CN106976541A CN 106976541 A CN106976541 A CN 106976541A CN 201610026740 A CN201610026740 A CN 201610026740A CN 106976541 A CN106976541 A CN 106976541A
Authority
CN
China
Prior art keywords
torque
propeller
sea
overwinding
control strategy
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
CN201610026740.1A
Other languages
English (en)
Inventor
宋蕙慧
曲延滨
汪桐萱
孙兆晋
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Harbin Institute of Technology Weihai
Original Assignee
Harbin Institute of Technology Weihai
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Harbin Institute of Technology Weihai filed Critical Harbin Institute of Technology Weihai
Priority to CN201610026740.1A priority Critical patent/CN106976541A/zh
Publication of CN106976541A publication Critical patent/CN106976541A/zh
Pending legal-status Critical Current

Links

Classifications

    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B63—SHIPS OR OTHER WATERBORNE VESSELS; RELATED EQUIPMENT
    • B63H—MARINE PROPULSION OR STEERING
    • B63H21/00—Use of propulsion power plant or units on vessels
    • B63H21/21—Control means for engine or transmission, specially adapted for use on marine vessels
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B63—SHIPS OR OTHER WATERBORNE VESSELS; RELATED EQUIPMENT
    • B63H—MARINE PROPULSION OR STEERING
    • B63H21/00—Use of propulsion power plant or units on vessels
    • B63H21/12—Use of propulsion power plant or units on vessels the vessels being motor-driven
    • B63H21/17—Use of propulsion power plant or units on vessels the vessels being motor-driven by electric motor
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B63—SHIPS OR OTHER WATERBORNE VESSELS; RELATED EQUIPMENT
    • B63H—MARINE PROPULSION OR STEERING
    • B63H21/00—Use of propulsion power plant or units on vessels
    • B63H21/21—Control means for engine or transmission, specially adapted for use on marine vessels
    • B63H2021/216—Control means for engine or transmission, specially adapted for use on marine vessels using electric control means

Abstract

一种针对非平静海况下的船舶电力推进系统的抗过旋控制策略研究。本发明为了降低恶劣海况下风、浪、流、涌等外界环境因素对船体平稳航行的影响，通过探测到螺旋桨频繁露出水面，判断为海面出现非平静海况，从而由平静海况下采用的直接转矩控制的推进控制策略切换为抗过旋控制策略，所述的抗过旋控制策略包括推进控制、性能监测、通风检测、抗过旋控制四个主要环节，通过控制螺旋桨的转矩降低来实现螺旋桨降速，抵消螺旋桨露出水面时机械负荷骤减引起转速突增的作用，从而减小船舶的机械磨损和螺旋桨的损耗，在非平静海况下使船舶保持平稳航行。

Description

一种非平静海况下船舶电力推进系统的抗过旋控制策略
技术领域
本发明属船舶电力推进控制技术领域，具体涉及一种针对非平静海况下的船舶电力推进系统的抗过旋控制策略，是一种类似于汽车刹车系统的控制船舶螺旋桨转速超速的控制算法。
背景技术
电力推进是现代船舶推进方式之一，通过电动机直接或经减速齿轮装置带动螺旋桨推动船舶行进，可广泛用于各种民用船舶和军用舰船。但船舶系统的大惯性、非线性、强耦合、时滞等特性，以及航行中风、浪、涌、流等环境变化及干扰和测量的不精确性等，都会使系统的行为产生不确定性。为增强推进控制的鲁棒性，模糊-PI控制方法、神经元自适应PID方法、复合误差模型自适应方法等先进控制方法不断涌现。（李勇. 船舶电力推进模糊-PI控制方法[J]. 中国航海, 2014, 37(1): 34-38；何新英, 徐曼平. 基于神经元自适应PID船舶电力推进电机控制系统研究[J]. 广东造船, 2013, 4: 47-48,64；张桂臣. 复合误差模型自适应船舶控制系统的应用研究[D], 大连海事大学, 2009.）这些方法在一定程度上解决了不确定性对控制性能的影响，提升了系统抗干扰的能力。但是当船舶遭遇恶劣海况时，螺旋桨会出现进出水面的情况，导致螺旋桨经历一个很大的负载瞬时变化。这种由螺旋桨动态性能变化造成的大幅干扰会使推进系统的转矩、转速和功率产生振荡。若还以平静海况的控制方法控制船舶行进，将无法对这种随机的突发型干扰进行有效补偿。当螺旋桨露出水面时，螺旋桨瞬时失载，转矩平衡被破坏，致使电机转速突增，当螺旋桨落回水面，快速旋转的桨叶撞击水面，螺旋桨转速和突然恢复的负载将产出很大的机械应力，导致机械传动机构损坏和桨叶的损坏，产生不必要的经济损失。只有适时根据海况调整控制策略，才能更好的解决所述的螺旋桨机械动态失衡问题。
鉴于目前没有针对船舶遭遇非平静海况导致螺旋桨进出海面情况下的船舶电力推进控制策略，本发明提出了一种类似于汽车防抱死刹车系统的，在非平静海况下的船舶电力推进抗过旋控制策略。所述控制方法能够有效抑制螺旋桨失载时螺旋桨飞车，保障推进传动系统的动态平衡，减少推进单元的机械损耗，限制功率峰值，有效实现船舶在恶劣海况中的安全可靠推进。
发明内容
本发明的目的是降低恶劣海况下风、浪、流、涌等外界环境因素对船体平稳航行的影响，实质是通过探测到螺旋桨频繁露出水面，判断为海面出现非平静海况，由平静海况下采用的直接转矩控制的推进控制策略切换为抗过旋控制策略，控制螺旋桨的转矩降低来实现螺旋桨降速，抵消螺旋桨露出水面时机械负荷骤减引起转速突增的作用，从而减小船舶的机械磨损和螺旋桨的损耗，在非平静海况下使船舶保持平稳航行。
本发明通过以下的技术方案实现：抗过旋控制策略将划分为螺旋桨通风检测、检测信号干扰消除和螺旋桨机械转矩抑制三个环节；非平静海况下，螺旋桨将频繁露出水面，由螺旋桨通风检测环节判断螺旋桨是否频繁露出水面，若为是则发出检测信号；检测信号干扰消除环节将通过滤波以避免噪声或高频信号等对检测信号有效性的干扰；一旦确认为船舶处于非平静海况，检测信号将作为控制策略切换信号，使船舶推进的控制策略由平静海况下的直接转矩控制策略切换为抗过旋控制策略，抗过旋控制策略通过降低转矩给定，闭环实现实际转矩跟随给定转矩，最终实现在螺旋桨频繁出入水面时，降低螺旋桨转速。
本发明相比现有技术具有以下有益效果：1、本发明采用一种类似于汽车的防抱死刹车系统的原理，可以避免风浪过大时螺旋桨露出水面而引起的过旋现象，保证电力推动系统的动态平衡，使船舶航行过程更加安全可靠。2、本控制方法可以降低螺旋桨落回水面时的机械应力，减小了螺旋桨机械损耗，提高船体中电动机和螺旋桨的使用寿命。3、本控制方法采用具有延时的通风检测，能够避免由扰动引起的误切换动作，并且在抗过旋控制中加入低通滤波器和限幅措施，排除信号噪声和瞬时扰动的影响，提升了在风、浪、流、涌等外界环境因素影响下的控制有效性。
附图说明
图1为非平静海况下船舶电力推进系统整体结构图。
图2为推进控制模块的结构框图。
图3为抗过旋控制模块的结构框图。
具体实施方式
为更好地了解本发明的技术方案，以下结合附图对本发明的实施方式作进一步描述。
船舶电力推进系统整体结构图如图1所示，包含推进控制模块、性能监测模块、通风检测模块、抗过旋控制模块四个主要部分。
推进控制模块主要实现对船舶永磁同步电机推进控制，如图2所示，上述模块输入信号为推力的期望值，转矩指令的抑制因子和实际转速。上述输入信号的前两个值来源于抗过旋控制模块，上述输入信号的第三个值为转速测量值。通过推力与转矩间的函数关系，可得到转矩期望值，再用实际转速设定转矩的限幅值。以转矩期望值作为转矩控制指令，通过直接转矩控制方法完成电机实际转矩跟随转矩指令的变化功能。
性能监测模块主要用于螺旋桨的负载转矩观测和当出现非平静海况引起负载转矩损耗，对负载转矩损耗进行估测。首先螺旋桨的负载转矩观测依据推进电机旋转动态方程，方程以推进角速度、推进转矩为状态变量，以实测推进角转速（推进角速度+有界扰动）为系统输出，由观测矩阵的满秩性可证明上述动态方程对于系统输出是可观的。因此负载转矩观测值可以得到；随后，负载转矩的观测值将用于对螺旋桨的负载损耗进行估计，负载损耗估计与权重系数、负载转矩观测值、负载转矩额定值和负载损耗的上下限相关。
通风检测模块主要用于检测船舶是否处于非平静海况。根据由性能检测模块得到的负载损耗，来判定是否发出通风检测信号。发出有效通风检测信号，需同时满足三个条件：1. 需保证负载损耗的大小在通风出现的损耗范围，设置损耗上下限分别。损耗大小满足上下限范围间；2. 为确保是由于负载损耗引起的螺旋桨转速上升，而避免电机转矩上升引起的转速上升的情况，还需满足电机拖动转矩在此时是非增的条件；3. 由于低速会导致转矩损耗估算不准确，故还需保证转速大于转速的最小值。同时满足上述三个条件，通风检测信号为1，否则为零。此外，在通风检测信号输出后接入一个延时模块，当发现船舶处于非平静海况后，信号会保持为1，控制切换为抗过旋控制策略，直到在给定的时间长度中一直信号都为零，表明船舶已进入平静海况，再将控制策略恢复为直接转矩控制，以避免控制策略在恶劣海况时出现频繁切换。
抗过旋控制模块主要用于降低螺旋桨转速，减少螺旋桨的机械磨损，限制功率峰值，确保船舶在非平静海况中的安全可靠推进，结构框图如图3所示。抗过旋控制模块由两部分组成：一部分为转矩抑制功能，一部分为转矩平滑功能。转矩抑制功能作用于主推进控制模块，引入转矩比例系数控制推进器转矩。具体过程为，在转矩抑制环节有两个内部指标γ1和γ2 。当处于平静海况时γ1为1，当处于非平静海况时，γ1为通风检测模块的输出。γ2为γ1变化率限幅后的输出，其中需设置γ1上升变化率和下降变化率的限值。再将经一阶低通滤波，降低高频扰动影响得到主推进控制模块转矩指令上的抑制因子，范围在(0,1)区间。所述的转矩抑制因子作用为转矩的比例因子，与汽车防抱死刹车系统原理相似。在转矩平滑环节，用于形成与非平静海况下的期望转速相匹配的推进力。上述的匹配推进力将实现电机转矩的平滑过渡，否则，若只是将转速指令从船舶在平静海况时的转速指令值瞬时突变至非平静海况时的转速期望值，会导致较大的暂态波动，影响控制效果并出现较大的机械应力。在转矩平滑环节有两个内部指标ωr1和ωr2 。当处于平静海况时ωr1=ωr，当处于非平静海况时，ωr1=ωas。ωr2为ωr1的变化率限幅后的输出，其中需设置ωr1上升变化率和下降变化率的限值。再将经一阶低通滤波，降低高频扰动影响，得到ωras，再依据ωras和转速与推力的关系可以得到推力指令。推力指令与转矩指令抑制因子共同作为主推进控制模块的输入，实现非平静海况下的船舶推进控制。

Claims (6)

1.一种针对非平静海况下的船舶电力推进系统的抗过旋控制策略，其特征在于，抗过旋控制策略具有推进控制模块、性能监测模块、通风检测模块、抗过旋控制模块四个主要部分，完成螺旋桨通风检测、检测信号干扰消除和螺旋桨机械转矩抑制三个环节。
2.所述的抗过旋控制策略，通过控制螺旋桨的转矩降低来实现螺旋桨降速，抵消螺旋桨露出水面时机械负荷骤减引起转速突增的作用，从而减小船舶的机械磨损和螺旋桨的损耗，在非平静海况下使船舶保持平稳航行。
3.根据权利要求1所述的抗过旋控制策略，其推进控制模块特征在于，以推力的期望值，转矩指令的抑制因子和实际转速值为输入信号，共同作用形成非平静海况时的转矩控制指令，再由直接转矩控制方法完成电机实际转矩跟随转矩指令的变化功能。
4.根据权利要求1所述的抗过旋控制策略，其性能监测模块特征在于，可以观测螺旋桨的负载转矩，并对负载转矩的损耗进行估测。
5.根据权利要求1所述的抗过旋控制策略，其通风检测模块特征在于，同时满足负载损耗的大小在通风出现的损耗范围、电机拖动转矩非增、转速幅值大于最低转速三个条件时，判断船舶处于非平静海况。
6.根据权利要求1所述的抗过旋控制策略，其抗过旋控制模块特征在于， 具有转矩抑制功能，由作用于主推进控制模块转矩指令上的抑制因子实现；具有转矩平滑功能，由不平静海况下的转速期望指令值求解与非平静海况下的期望转速相匹配的推进力，从而实现电机转矩的平滑过渡。
CN201610026740.1A 2016-01-17 2016-01-17 一种非平静海况下船舶电力推进系统的抗过旋控制策略 Pending CN106976541A (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201610026740.1A CN106976541A (zh) 2016-01-17 2016-01-17 一种非平静海况下船舶电力推进系统的抗过旋控制策略

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201610026740.1A CN106976541A (zh) 2016-01-17 2016-01-17 一种非平静海况下船舶电力推进系统的抗过旋控制策略

Publications (1)

Publication Number Publication Date
CN106976541A true CN106976541A (zh) 2017-07-25

Family

ID=59340178

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201610026740.1A Pending CN106976541A (zh) 2016-01-17 2016-01-17 一种非平静海况下船舶电力推进系统的抗过旋控制策略

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN106976541A (zh)

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN109946604A (zh) * 2019-03-29 2019-06-28 大连海事大学 一种基于opc通讯技术的船舶螺旋桨负载模拟装置及其控制方法
CN111377045A (zh) * 2020-03-09 2020-07-07 陕西柴油机重工有限公司 带定距桨的船用柴油机负荷限制方法

Citations (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH08200131A (ja) * 1995-01-26 1996-08-06 Mitsubishi Heavy Ind Ltd 舶用電子ガバナの負荷変動制御器
CN102211656A (zh) * 2011-05-11 2011-10-12 上海海事大学 船舶电力推进系统的推进驱动结构
CN202481287U (zh) * 2012-01-10 2012-10-10 西门子工厂自动化工程有限公司 船舶电力推进系统的控制装置
CN103069135A (zh) * 2010-09-08 2013-04-24 三井造船株式会社 船舶用发动机控制系统及方法
CN103640444A (zh) * 2013-12-18 2014-03-19 江苏科技大学 斜侧双体水面两栖无人艇
CN203864987U (zh) * 2014-04-14 2014-10-08 重庆新世纪游轮股份有限公司 船舶用电力推进控制系统
EP2815981A1 (en) * 2013-06-21 2014-12-24 Hamilton Sundstrand Corporation Propeller rotor and engine overspeed control
CN104627344A (zh) * 2013-11-13 2015-05-20 三菱重工业株式会社 控制装置及具备该控制装置的船舶、以及统一控制方法
JP2015227110A (ja) * 2014-05-30 2015-12-17 川崎重工業株式会社 船舶の推進システム

Patent Citations (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH08200131A (ja) * 1995-01-26 1996-08-06 Mitsubishi Heavy Ind Ltd 舶用電子ガバナの負荷変動制御器
CN103069135A (zh) * 2010-09-08 2013-04-24 三井造船株式会社 船舶用发动机控制系统及方法
CN102211656A (zh) * 2011-05-11 2011-10-12 上海海事大学 船舶电力推进系统的推进驱动结构
CN202481287U (zh) * 2012-01-10 2012-10-10 西门子工厂自动化工程有限公司 船舶电力推进系统的控制装置
EP2815981A1 (en) * 2013-06-21 2014-12-24 Hamilton Sundstrand Corporation Propeller rotor and engine overspeed control
CN104627344A (zh) * 2013-11-13 2015-05-20 三菱重工业株式会社 控制装置及具备该控制装置的船舶、以及统一控制方法
CN103640444A (zh) * 2013-12-18 2014-03-19 江苏科技大学 斜侧双体水面两栖无人艇
CN203864987U (zh) * 2014-04-14 2014-10-08 重庆新世纪游轮股份有限公司 船舶用电力推进控制系统
JP2015227110A (ja) * 2014-05-30 2015-12-17 川崎重工業株式会社 船舶の推進システム

Non-Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
何惠明: "船艇波浪中自航实验研究", 《上海船舶运输科学研究所学报》 *
李勇: "船舶电力推进模糊-PI控制方法", 《中国航海》 *

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN109946604A (zh) * 2019-03-29 2019-06-28 大连海事大学 一种基于opc通讯技术的船舶螺旋桨负载模拟装置及其控制方法
CN109946604B (zh) * 2019-03-29 2021-06-04 大连海事大学 基于opc通讯技术的船舶螺旋桨负载模拟装置及其控制方法
CN111377045A (zh) * 2020-03-09 2020-07-07 陕西柴油机重工有限公司 带定距桨的船用柴油机负荷限制方法

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN202718807U (zh) 风力涡轮机
Ortolani et al. Investigation of the radial bearing force developed during actual ship operations. Part 1: Straight ahead sailing and turning maneuvers
CN202624599U (zh) 一种螺旋桨减摇系统
JP5260390B2 (ja) 船舶の推進装置
JP5296753B2 (ja) 舶用エンジン制御システム及び方法
Ebrahimi et al. A comprehensive study on noise reduction methods of marine propellers and design procedures
JP2014500929A5 (zh)
Tsujimoto et al. Development of a calculation method for fuel consumption of ships in actual seas with performance evaluation
US20070275613A1 (en) Propulsion and steering unit for a waterborne vessel
Vartdal et al. Lateral propeller forces and their effects on shaft bearings
AU2020102493A4 (en) A braking control system to ships by electric propulsion
CN106976541A (zh) 一种非平静海况下船舶电力推进系统的抗过旋控制策略
Tsujimoto et al. Development of a ship performance simulator in actual seas
Amini et al. Theoretical and experimental investigation of propeller shaft loads in transient conditions
Chroni et al. Simulation of the maneuvering behavior of ships under the influence of environmental forces
Smogeli et al. The concept of anti-spin thruster control
Pivano et al. Nonlinear thrust controller for marine propellers in four-quadrant operations
CN103411028B (zh) 一种海底油气管线航道不封航铺管施工方法
CN201834187U (zh) 一种减摇鳍电液控制系统
JP4898935B2 (ja) エンジン制御装置および方法
CN110837254B (zh) 一种水翼艇纵向运动控制方法
JP2007230510A (ja) 船舶
Turkmen et al. Cavitation Tunnel tests and full-scale review of the first gate rudder system installed on the 400TEU container ship
KR20220028077A (ko) 선박의 추진 파워 출력을 제어하기 위한 방법 및 시스템
CN105468046A (zh) 船舶主推进系统多功率分支局部振动控制方法

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
RJ01 Rejection of invention patent application after publication
RJ01 Rejection of invention patent application after publication

Application publication date: 20170725