CN110789699A - 综合性智能动态船机桨联合控制方法 - Google Patents

综合性智能动态船机桨联合控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种综合性智能动态船机桨联合控制方法，其包括以下步骤：步骤1、船体和螺旋桨的匹配分析程序；得到在该特定值的排水量下的最优的船舶纵倾TR、最优的船舶平均吃水T；步骤2、螺旋桨和主机的匹配分析程序；找出实时最低的主机油耗FOC值，即可得到此时最优的转速n及对应的螺距Pitch；步骤3、综合判断并发指令控制程序；判断船舶未来一段时间的航行状态，设定判断程序，以触发步骤1或步骤2。本发明立足于船、机、可调桨的统筹协调，实现综合分段、智能优化、动态实时的可调桨联合控制方法，在船舶的全寿命周期内，实现船舶实时航行的油耗最低。

Description

综合性智能动态船机桨联合控制方法
技术领域
本发明涉及船舶技术领域，特别涉及一种综合性智能动态船机桨联合控制方法。
背景技术
相比于固定螺距桨，可调桨可以实现螺距的调节。随着可调桨在实船上越来越多的应用，各主要厂商及研究机构都提出了各自相应的可调桨控制方法或者专利。
现有的实船上配备的以及国际国内的专利中所采用可调桨联合控制方法有如下几类：
(1)可调桨与主机转速分别独立控制，由船员根据经验自行操纵；
(2)传统的联合控制方式：在特定的航速范围内(例如50％设计航速以下)，主机转速固定，通过调整螺旋桨的螺距来实现航速的变化；在特定的航速范围外(例如50％设计航速以上)，螺旋桨螺距固定，通过调整主机转速来实现航速的变化；
(3)预置式联合控制曲线：在实船上预先安装固定的控制曲线，主机转速与螺旋桨螺距一一对应实现联动。
(4)动态式联合控制：没有预先设计好的联合控制曲线，而是通过多种方法包括但不限于机桨特性曲线、实船数据收集、各种参数感应等方式实现主机转速与螺距的动态调节。
上述方法1无法实现机桨智能联动，且人工操作会带来随机不利影响。
上述方法2无法实现在全航速范围内均实现油耗的实时最优。
上述方法3无法实现在船舶的各种寿命周期内均实现油耗的实时最优；无法避免船舶污底老化后，预置曲线的不匹配问题。
上述方法4存在以下缺陷：
(1)有的仅从比较局限性的理论上分析，没有考虑船机桨的统筹配合，最终也没有应用到实船上。
(2)有的方法过于复杂，例如通过采集风、浪、流等各种航行信息，实现实时计算。此种方法一则误差过大，无法保证风浪流等信息的实时准确性；二则实现起来难度太大，仅停留在理论分析层面。目前也没有看到类似的实际应用。
从目前的情况来看，并无一种方法可以从全局上统筹兼顾船、机、桨的协同配合使用，以达到综合优化的效果。
发明内容
本发明要解决的技术问题是为了克服现有技术存在的上述缺陷，提供一种综合性智能动态船机桨联合控制方法。
本发明是通过下述技术方案来解决上述技术问题：
一种综合性智能动态船机桨联合控制方法，其中，螺旋桨为可以调节螺距的可调桨，其包括以下步骤：
步骤1、船体和螺旋桨的匹配分析程序；
在排水量DISP为特定值的前提下，预先给定一系列螺距Pitch，分析不同的船舶纵倾TR，得出螺距Pitch和船舶纵倾TR相对应的螺旋桨收到功率PD曲线；从而得到在该特定值的排水量下，不同船舶纵倾TR以及不同螺距Pitch形成的螺旋桨收到功率PD曲线矩阵；将这些螺旋桨收到功率PD曲线矩阵进行优化分析后，得到在该特定值的排水量下的最优的船舶纵倾TR、最优的船舶平均吃水T；
步骤2、螺旋桨和主机的匹配分析程序；
在船舶正常航行中，根据主机转速n、转矩Q及螺旋桨特性曲线，换算得到此时航行过程中螺旋桨推力Tp；
在保证螺旋桨推力Tp不变的前提下，通过调节转速n得到对应的螺距Pitch，根据螺旋桨特性曲线，对应不同的转矩Q，得到不同的实时主机功率PR，并且得到不同的主机裕度EM，进而根据主机特性曲线得到不同主机油耗FOC与相对应的转速n形成的FOC-n曲线；找出实时最低的主机油耗FOC值，即可得到此时最优的转速n及对应的螺距Pitch；
步骤3、综合判断并发指令控制程序；
判断船舶未来一段时间的航行状态，设定判断程序，以触发步骤1或步骤2；根据步骤1的结论，发出指令，对船舶平均吃水T及船舶纵倾TR进行调整；根据步骤2的结论，发出指令，对螺距Pitch及转速n进行调整。
较佳地，步骤1中，通过船模试验数值分析的方式，预先给定一系列螺距Pitch。
较佳地，步骤1中，螺旋桨收到功率PD曲线矩阵的精度通过选取船舶纵倾TR和螺距Pitch步长的疏密来实现。
较佳地，步骤1中，将这些螺旋桨收到功率PD曲线矩阵进行优化分析，并得到在该特定值的排水量下的最优的船舶纵倾TR和最优的船舶平均吃水T后，在船舶以压载、装货或者其他工况出港航行时，按该最优的船舶纵倾TR和最优的船舶平均吃水T调整船舶的浮态。
较佳地，步骤2中，通过实时测量得到主机转速n、转矩Q及螺旋桨特性曲线。
较佳地，步骤2中，测量的方式为通过传感器实时测量。
较佳地，步骤2中，实时主机功率PR计算公式为PR＝2πnQ/ηS，其中ηS为轴系效率；n为主机转速、Q为转矩；在船舶实际建造已完成的情况下，ηS是一个定值。
较佳地，步骤2中，主机裕度EM计算公式为EM＝PR/MCR，其中，PR为实时主机功率，MCR为主机额定功率。
较佳地，步骤2中，主机油耗FOC的计算公式为FOC＝PR×SFOC，其中，PR为实时主机功率，SFOC为主机单位油耗。
较佳地，步骤2中，主机特性曲线由船舶实际建造完成后获得。
本发明的有益效果在于：本专利立足于船、机、可调桨的统筹协调，实现综合分段、智能优化、动态实时的可调桨联合控制方法，在船舶的全寿命周期内，实现船舶实时航行的油耗最低。
附图说明
图1为本发明较佳实施例的流程图。
具体实施方式
下面举个较佳实施例，并结合附图来更清楚完整地说明本发明。
如图1所示，一种综合性智能动态船机桨联合控制方法，其中，螺旋桨为可以调节螺距的可调桨，其包括以下步骤：
步骤1、船体和螺旋桨的匹配分析程序PC1；
步骤2、螺旋桨和主机的匹配分析程序PC2；
步骤3、综合判断并发指令控制程序PC3。
步骤1、船体和螺旋桨的匹配分析程序PC1。
本步骤的目的，是在船舶特定排水量下，结合阻力变化和总推进效率变化，选择合适的浮态(纵倾值)，以较小的螺旋桨收到功率实现设定的航速目标。
本发明中，DISP为船舶排水量，T为船舶平均吃水，TR为船舶纵倾，Pitch为螺距，PD为螺旋桨收到功率，PDij为各PD曲线。
在船舶实际营运需求已确定的情况下，排水量DISP已经确定，T也由此基本确定，此时的变量即为TR。
不同的TR带来的影响有：
(1)对船舶阻力的影响
不同的TR会导致不同浮心位置，使得浸没在水下的船体形状不同，进而导致船舶在水中的阻力会有差异。
(2)对推进效率ηD的影响
不同的TR会导致伴流及推力减额的差异，使得ηH和ηR会有相应的变化。在设定螺旋桨螺距的前提下，不同的TR会对ηD带来影响。其中，ηH为船身效率；ηR为相对旋转效率。
本发明步骤1，在排水量DISP为特定值的前提下，通过船模试验数值分析的方式，预先给定一系列螺距Pitch，分析不同的船舶纵倾TR，得出螺距Pitch和船舶纵倾TR相对应的螺旋桨收到功率PD曲线；从而得到在该特定值的排水量下，不同船舶纵倾TR以及不同螺距Pitch形成的螺旋桨收到功率PD曲线矩阵。螺旋桨收到功率PD曲线矩阵的精度通过选取船舶纵倾TR和螺距Pitch步长的疏密来实现。
将这些螺旋桨收到功率PD曲线矩阵进行优化分析后，得到在该特定值的排水量下的最优的船舶纵倾TR、最优的船舶平均吃水T。
将DISP、T、TR等参数输入PC1控制系统中。
步骤2、螺旋桨和主机的匹配分析程序PC2。
船舶营运过程中，随着使用年限的增长，船体污底逐渐严重，静水阻力逐渐增加；单次航行，船舶受到风、洋流、涌等海况的动态影响，阻力也是动态变化的。本步骤的目的，是分析较短时长内，保证特定航速所需的实时推力，包容污底和海况造成的阻力增加；通过匹配螺旋桨和主机的不同参数组合，得到较低油耗下的螺旋桨设定参数。
本发明中，Tp为螺旋桨推力，n为转速，Q为转矩。
本发明步骤2，在船舶正常航行中，通过传感器实时测量得到的主机转速n、转矩Q及螺旋桨特性曲线，即可换算得到此时航行过程中螺旋桨推力Tp。
在保证螺旋桨推力Tp不变的前提下，通过调节转速n得到对应的螺距Pitch，根据螺旋桨特性曲线，对应不同的转矩Q，得到不同的实时主机功率PR，并且得到不同的主机裕度EM，进而根据主机特性曲线得到不同主机油耗FOC与相对应的转速n形成的FOC-n曲线；找出实时最低的主机油耗FOC值，即可得到此时最优的转速n及对应的螺距Pitch。
步骤2中，实时主机功率PR计算公式为PR＝2πnQ/ηS，其中ηS为轴系效率；n为主机转速、Q为转矩；在船舶实际建造已完成的情况下，ηS是一个定值。
步骤2中，主机裕度EM计算公式为EM＝PR/MCR，其中，PR为实时主机功率，MCR为主机额定功率。
步骤2中，主机油耗FOC的计算公式为FOC＝PR×SFOC，其中，PR为实时主机功率，SFOC为主机单位油耗。
步骤2中，主机特性曲线由船舶实际建造完成后获得。
步骤3、综合判断并发指令控制程序PC3。
在完成步骤1和步骤2的综合分析后，步骤3将实现从实时计算分析到实船动作的控制，这一步通过PC3来实现，具体流程如下：
(1)判断船舶未来一段时间的航行状态，设定判断程序，以触发步骤1或步骤2。比如，船舶将维持一段时间航速较为稳定的巡航(例如10分钟以上)，即触发PC3与PC1+PC2的联动。
(2)根据步骤1的结论，通过PC3发出指令，对船舶平均吃水T及船舶纵倾TR进行调整。
(3)根据步骤2的结论，通过PC3发出指令，对螺距Pitch及转速n进行调整。
本发明的原理说明：
本发明最终目的是提供一套智能化自动实时的机桨联合控制程序，以实现主机在航行过程中的实时油耗最低，原理如下：
1.1.各参数之间的关系
PE＝R×V＝ηD×PD＝ηD×ηS×PS＝η0×ηH×ηR×ηS×PS
PR＝PD×(1+SM)/ηS
EM＝PR/MCR
FOC＝PR×SFOC
其中：
PE为有效功率；
PD为螺旋桨收到功率；
PS为主机发出功率；
PR为船舶航行所需的实时主机功率；
MCR为主机额定功率，船舶设计完工后，为固定值；
R为船舶航行阻力；
V为航速；
ηD为推进效率；
ηS为轴系效率；
η0为螺旋桨敞水效率；
ηH为船身效率；
ηR为相对旋转效率；
SM为风浪裕度；
EM为主机裕度；
FOC为主机油耗；
SFOC为主机单位油耗。
1.2.实现主机油耗最低的理论路径
从主机油耗FOC＝PR×SFOC公式中可以看出，要实现FOC最低，理论上应追求PR以及SFOC的同步降低，根据实际经验，PR的降低占据主要的影响。
1.2.1 PR的降低
根据公式PR＝PD×(1+SM)/ηS
考虑到SM为船舶航行的实时风浪情况，以及ηS在船舶实际建造已完成的情况下，均可以认为是一个定值，因此要降低PR，即要降低PD。
从1.1的公式可以看出PD＝R×V/ηD。
在船舶实际营运需求已确定的情况下，排水量及航速V即已确定，因此只有通过降低阻力R以及提升推进效率ηD来实现PD的降低。
1.2.2 SFOC的降低
根据主机特性曲线，通常会随着EM的变化呈现两头高中间低的特征，因此EM须位于合理区间将从主机特性层面得到油耗的降低。
根据上述的原理分析可知，本发明的技术方案可以实现本发明的目的。
本发明的综合性智能动态船机桨联合控制方法，实现船身、可调螺旋桨、主机的综合联动，全局统筹；智能化船桨、机桨分段分析，环环相扣，统一动作；在船舶的全寿命周期，各种工况下，实时动态的生成螺距和转速的最佳匹配点；理论分析与实际操作相结合，具有实用性。
本发明充分考虑船身在机桨匹配中的作用，实现机桨为船服务的根本目的，以及船机桨一体化的优化核心优化理念，与现有技术相比，具有以下优点：
(1)相比可调桨与主机转速分别独立控制，本发明可以实现机桨智能联动，避免人工操作带来的随机不利影响。
(2)相比传统的联合控制方式，本发明可以在全航速范围内均实现油耗的实时最优，避免了航速分段控制带来的不利影响。
(3)相比预置式联合控制曲线，本发明可以在船舶的各种寿命周期内均实现油耗的实时最优，避免了船舶污底老化后，预置曲线的不匹配问题。
(4)相比于国际国内上目前提及的动态式联合控制方法，本发明可以实现船身、主机、螺旋桨的联合优化，避免了仅仅考虑机桨配合的局限性；相比于一些专利中复杂的数据收集等方法，本发明更具实用性。
本发明立足于船、机、可调桨的统筹协调，实现综合分段、智能优化、动态实时的可调桨联合控制方法，在船舶的全寿命周期内，实现船舶实时航行的油耗最低。
虽然以上描述了本发明的具体实施方式，但是本领域的技术人员应当理解，这仅是举例说明，本发明的保护范围是由所附权利要求书限定的。本领域的技术人员在不背离本发明的原理和实质的前提下，可以对这些实施方式做出多种变更或修改，但这些变更和修改均落入本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种综合性智能动态船机桨联合控制方法，其中，螺旋桨为可以调节螺距的可调桨，其特征在于，其包括以下步骤：
步骤1、船体和螺旋桨的匹配分析程序；
在排水量DISP为特定值的前提下，预先给定一系列螺距Pitch，分析不同的船舶纵倾TR，得出螺距Pitch和船舶纵倾TR相对应的螺旋桨收到功率PD曲线；从而得到在该特定值的排水量下，不同船舶纵倾TR以及不同螺距Pitch形成的螺旋桨收到功率PD曲线矩阵；将这些螺旋桨收到功率PD曲线矩阵进行优化分析后，得到在该特定值的排水量下的最优的船舶纵倾TR、最优的船舶平均吃水T；
步骤2、螺旋桨和主机的匹配分析程序；
在船舶正常航行中，根据主机转速n、转矩Q及螺旋桨特性曲线，换算得到此时航行过程中螺旋桨推力Tp；
在保证螺旋桨推力Tp不变的前提下，通过调节转速n得到对应的螺距Pitch，根据螺旋桨特性曲线，对应不同的转矩Q，得到不同的实时主机功率PR，并且得到不同的主机裕度EM，进而根据主机特性曲线得到不同主机油耗FOC与相对应的转速n形成的FOC-n曲线；找出实时最低的主机油耗FOC值，即可得到此时最优的转速n及对应的螺距Pitch；
步骤3、综合判断并发指令控制程序；
判断船舶未来一段时间的航行状态，设定判断程序，以触发步骤1或步骤2；根据步骤1的结论，发出指令，对船舶平均吃水T及船舶纵倾TR进行调整；根据步骤2的结论，发出指令，对螺距Pitch及转速n进行调整。
2.如权利要求1所述的综合性智能动态船机桨联合控制方法，其特征在于，步骤1中，通过船模试验数值分析的方式，预先给定一系列螺距Pitch。
3.如权利要求1所述的综合性智能动态船机桨联合控制方法，其特征在于，步骤1中，螺旋桨收到功率PD曲线矩阵的精度通过选取船舶纵倾TR和螺距Pitch步长的疏密来实现。
4.如权利要求1所述的综合性智能动态船机桨联合控制方法，其特征在于，步骤1中，将这些螺旋桨收到功率PD曲线矩阵进行优化分析，并得到在该特定值的排水量下的最优的船舶纵倾TR和最优的船舶平均吃水T后，在船舶以压载、装货或者其他工况出港航行时，按该最优的船舶纵倾TR和最优的船舶平均吃水T调整船舶的浮态。
5.如权利要求1所述的综合性智能动态船机桨联合控制方法，其特征在于，步骤2中，通过实时测量得到主机转速n、转矩Q。
6.如权利要求5所述的综合性智能动态船机桨联合控制方法，其特征在于，步骤2中，测量的方式为通过传感器实时测量。
7.如权利要求1所述的综合性智能动态船机桨联合控制方法，其特征在于，步骤2中，实时主机功率PR计算公式为PR＝2πnQ/ηS，其中ηS为轴系效率；n为主机转速、Q为转矩；在船舶实际建造已完成的情况下，ηS是一个定值。
8.如权利要求1所述的综合性智能动态船机桨联合控制方法，其特征在于，步骤2中，主机裕度EM计算公式为EM＝PR/MCR，其中，PR为实时主机功率，MCR为主机额定功率。
9.如权利要求1所述的综合性智能动态船机桨联合控制方法，其特征在于，步骤2中，主机油耗FOC的计算公式为FOC＝PR×SFOC，其中，PR为实时主机功率，SFOC为主机单位油耗。
10.如权利要求1所述的综合性智能动态船机桨联合控制方法，其特征在于，步骤2中，主机特性曲线由船舶实际建造完成后获得。
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