CN111907679B - 直流组网的船舶混合动力推进系统的控制方法 - Google Patents

直流组网的船舶混合动力推进系统的控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种可根据运行环境自动进行推进模式切换的直流组网的船舶混合动力推进系统的控制方法。本发明的基于直流组网的船舶混合动力推进系统在航行过程中，通过航海雷达和船用GPS实时监测船舶所处海域环境，获取其所处位置，同时结合航行路线判断船舶所需推进模式，并控制相关设备自动进行模式切换，整个监测和切换过程不需要人为干预，避免了由于操作人员的疏忽所造成的损失，提高了船舶的运行安全性和船舶的智能化程度。

Description

直流组网的船舶混合动力推进系统的控制方法
技术领域
本发明涉及一种船舶混合动力推进系统，具体来说涉及一种直流组网的船舶混合动力推进系统的控制方法。
背景技术
近年来，随着对海洋环境的重视及全球海洋战略的深入推进，排放法规日趋严格，如何推进船舶的节能减排已迫在眉睫。节约船舶航行成本、减少船舶排放和降低其对于不可再生能源的依赖一直以来是船舶发展的重要研究热点。随着混合动力技术的发展，出现了船舶混合动力推进系统，不仅可以降低船舶的总燃油消耗量和排放，还可以减少船舶造成的环境污染，从而获得经济和环保双重效益。
船舶混合动力推进系统是指配备有两种或两种以上动力源的船舶推进系统，其具有多种运行推进模式，包含主机模式、PTI模式以及PTH模式，其中主机模式是指传统的推进方式，即船舶推进功率完全靠主机(柴油机组)提供；PTH模式是指主机停止工作，船舶推进功率完全靠轴带电机提供，即POWER TAKE HOME，简称PTH；PTI模式是指主机与轴带电机同时工作，两者共同推进船舶航行，即POWER TAKE IN，简称PTI。因此，船舶混合动力推进系统可根据工况选择合适的推进模式，提升其应对多变工况的能力。同时，在主机模式下存在多种发电模式，例如轴带电机发电模式、主柴油发电机发电模式和并联发电模式(主柴油发电机发电和轴带电机发电同时存在)。
传统的混合动力推进系统存在轴系占用空间大，振动噪声强的问题，特别是当船舶负载发生较大变化时，柴油机不能迅速跟随变化，造成柴油机运行工况差，耗油量高的缺陷。近年来，随着电力电子技术和自动控制技术的发展，先后出现了基于交流组网的船舶混合动力推进系统和基于直流组网的船舶混合动力推进系统。
基于交流组网的船舶混合动力推进系统可以很好地节省轴系布置空间，提高系统的响应速度和可操作性，但是其增加了配电板、变压器等设备，使得设备的体积、重量增加，安装、布局困难。而基于直流组网的船舶混合动力推进系统省去了配电板和部分变压器，整体系统的体积和重量都会大大降低，同时基于直流组网的船舶混合动力推进系统中的柴油发电机组可以根据不同的负载条件调整转速，以保证系统工作在最优的能耗曲线上，提升整体系统的效率，降低能耗和排放，因此可以很好的解决以上问题，但是基于直流组网的船舶混合动力推进系统仍存在以下问题。
在运行过程中，船舶无法根据其所处环境及运行要求自动进行推进模式切换，需操作人员根据自身的判断手动进行推进模式切换，可能存在操作人员的误判或错判的情况。专利ZL206255177U中所述的基于船舶直流组网的混合动力推进系统解决了在不同工况下船舶最佳推进模式的选择，但是并未给出如何确定船舶所处工况以及如何判断工况变化的方法。专利ZL109367750A中所述的船舶混合动力系统解决了在不同工况下船舶推进模式的选择，描述了不同推进模式之间的切换过程，但并未给出如何确定船舶所处海域位置及海域对船舶的行驶要求。
在船舶运行过程中进行发电模式选择时，同样需要操作人员根据当时使用工况进行判断并选择合适的发电模式，存在操作人员的误判或错判的情况。专利ZL104037799B中所述的船舶轴带发电系统及其控制方法，仅描述了在不同的发电模式下电机的控制方法，并未涉及不同发电模式的使用工况。因此，现有基于直流组网的船舶混合动力推进系统无法根据船船上负载的耗电量、主柴油发电机发电量以及轴带电机发电量等情况，自行选择合适的发电模式。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是：提供一种可根据运行环境自动进行推进模式切换的直流组网的船舶混合动力推进系统的控制方法。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种直流组网的船舶混合动力推进系统的控制方法，其中，船舶混合动力推进系统包括左舷和右舷两个推进单元，推进单元包括直流母线，直流母线上连接有发电机供电机构、轴带推进机构、电池供电机构和负载机构，左舷和右舷的直流母线通过电力电子开关连接；
发电机供电机构包括主柴油发电机和辅柴油发电机，主柴油发电机通过供电线路依次与主断路器、整流模块、熔断器连接，该供电线路最后与直流母线相连接；辅柴油发电机通过供电线路依次与辅断路器、整流模块、熔断器连接，该供电线路最后与直流母线相连接；
电池供电机构包括与直流母线通过两根储电电线连接的斩波模块，斩波模块与电感滤波模块相连接，电感滤波模块与其中一根储电电线之间通过连接电线设有蓄电池，连接电线上设有蓄电池断路器，储电电线上设有熔断器；
轴带推进机构包括轴带电机，轴带电机通过用电线路与直流母线相连接，用电线路上由轴带电机开始依次设有断路器、变频模块、熔断器；轴带电机的输出轴与三端齿轮箱的第一输入端相连接；三端齿轮箱的输出端与螺旋桨相连接，三端齿轮箱的第二输入端通过离合器与柴油推进主机的输出轴相连接，变频模块设有第一温度传感器，在变频模块和断路器之间的线路上设有第一交流电压传感器，在断路器和轴带电机之间的线路上设有第一交流电流传感器，轴带电机处设有第二温度传感器、第三温度传感器、第四温度传感器和转速传感器；第一温度传感器、第一交流电压传感器、第一交流电流传感器、第二温度传感器、第三温度传感器、第四温度传感器以及转速传感器与轴带推进机构控制模块电联接；
负载机构包括与直流母线通过接入导线相连接的负载逆变模块，正负极接入导线上都设有熔断器，负载逆变模块的输出端与负载电路的负载断路器输入端相连接，负载断路器与交流母线相连接，交流母线通过分流导线与船舶电力系统中的各个用电负载模块相连接，分流导线上在用电负载模块与交流母线间设有分断路器；负载逆变模块的输出端和负载断路器的输入端之间设有第二交流电压传感器，负载断路器的输出端设有第二交流电流传感器，第二交流电压传感器和第二交流电流传感器与负载控制模块电联接；
该控制方法具体包括以下步骤：
步骤1、航行路线规划
操作人员根据船舶航行的目的地，结合航行图，规划船舶航行路线，根据航段为正常航行段、或环保要求严格航行段、或高速航行段、或低速航行段、或逆水航行段将从出发地A1航行到目的地An(n≥2)的航线分为n-1个航段，长度为S1、S2……、Sn-1；
步骤2、发电机启动与直流母线预充
辅柴油发电机启动运转，当辅柴油发电机转速达到预设值后，进入正常工作状态，经预充回路为直流母线预充电，当直流母线电压达到1050～1075V之间时，辅断路器闭合，辅柴油发电机产生的交流电经由整流模块将交流电转换为直流电，为直流母线正常供电；
步骤3、日用负载运转
直流母线预充完成后，通过逆变模块将直流母线提供的直流电转换成日用负载所需的交流电；负载断路器、分断路器及分断路器闭合为日用负载供电；
步骤4、推进系统启动
航海雷达监测船舶启动环境为正常航行海域环境并传输给主控制器后，主控制器向轴带推进机构控制模块发送主机模式启动指令；接着，轴带推进机构控制模块启动，并运行在启动档转速；然后，轴带推进机构控制模块控制柴油推进主机提速，当柴油推进主机的转速达到工作档转速时，轴带推进机构控制模块闭合离合器，螺旋桨旋转，推进系统启动，船舶开始从出发地A1点航行；
步骤5、对混合动力推进系统进行监测及调整
航海雷达监测船舶运行环境以进行推进模式切换，推进模式切换控制过程，具体如下：
步骤a、主控制器从航行路线中获取各航段的长度，构成距离矩阵s＝[s1，s2，s3，s4，...，sn-2，sn-1]；
步骤b、主控制器根据不同航段的行驶要求，生成整个航线的推进模式切换过程：将主机模式切换到主机停止工作且船舶推进功率完全靠轴带电机提供的PTH模式，代号记为OH；PTH模式切换到主机与轴带电机同时工作的PTI模式，代号记为HI；PTI模式切换到PTH模式，代号记为IH；……；PTI模式切换到主机模式，代号记为IO；主机模式单独停止，代号记为OS；并生成模式切换代号矩阵o；
步骤c、主控制器根据航线所包含的航段数量构建系数矩阵I，I＝[i1，i2，...，in-2，in-1]T，其为1行n-1列的列矩阵；并初始化系数矩阵I＝[1，0，0，0，...，0，0]T；
步骤d、主控制器根据航线构建距离系数矩阵T＝[t1，t2，...，tn-2，tn-1]T，其为1行n-1列的列矩阵；并初始化距离系数矩阵T＝[1，0，0，0，...，0，0]T；
步骤e、计数器所计数值a置1；
步骤f、获取船舶推进模式交界点(当前推进模式与下个推进模式的交界点)距离出发地A的距离w，单位为m：w＝s*T；
步骤g、获取混合动力船舶距离出发地A的距离L，单位为m；
g-1、混合动力船舶从出发地A点出发时，通过船用GPS获取其所处位置的经纬度(θ1，θ2)，并把获取的经纬度数据存放于主控制器内指定位置a1(x1，y1)；
g-2、混合动力船舶在行驶过程中，每隔△T时间通过船用GPS获取其所处位置的经纬度，并把获取的经纬度数据存放于主控制器内指定位置a2(x2，y2)、a3(x3，y3)、……、aj(xj，yj)；
g-3、通过如下转换公式，求得各经纬度坐标aj(xj，yj)对应的直角坐标Aj(Xj，Yj，Zj)；
Figure GDA0003472661000000061
r1表示地球半径；
g-4、获取两相邻经纬度坐标aj(xj，yj)和aj+1(xj+1，yj+1)之间的距离lj：
首先，主控制器通过如下公式，计算坐标Aj和坐标Aj+1之间的距离
Figure GDA0003472661000000062
然后，把坐标Aj和坐标Aj+1对应的经纬度坐标具体数值代入上式，化简可得
Figure GDA0003472661000000063
g-5、通过如下公式获取混合动力船舶距离出发地A的距离L
L＝(l1+l2+…+lj)；
步骤h、主控制器进行条件判断：|w-L|≤h是否成立，式中h为模式切换过程中所需距离：若成立，开始执行步骤i至步骤m；若不成立，回到步骤g；
步骤i、主控制器获取模式切换代号p1＝o*I；然后，主控制器根据模式切换代号，控制相关设备完成相应的模式切换过程；
步骤j、计数器所计数值a加1；
步骤k、主控制器对计数器数值a进行条件判断：a≤n-1是否成立：若成立，执行步骤m至步骤o；若不成立，表示船舶到达目的地，结束；
步骤m、主控制器把系数矩阵I中第a列的值置为1，其余列的值置为0；
步骤n、主控制器把距离系数矩阵T中第a列的值置为1，其余列的值保持不变；
步骤o、回到步骤f循环执行，直至船舶到达目的地。
本发明进一步所要解决的技术问题是：提供一种可根据运行环境自动进行发电模式切换的直流组网的船舶混合动力推进系统的控制方法。
为解决上述进一步的技术问题，本发明所采取的技术方案为：所述步骤5还包括在主机模式下进行发电模式切换的操作，发电模式切换控制过程具体如下：
步骤a、预设轴带电机发电启动时功率阈值P，为20KW；
步骤b、转速传感器采集柴油推进主机的转速Nr；
步骤c、主控制器根据柴油推进主机的转速Nr并结合柴油推进主机的出厂特性曲线，获取柴油推进主机的输出功率Pe2及螺旋桨所需功率Pe1；
步骤d、确定冗余功率：主控制器根据公式P1＝Pe2-Pe1，计算冗余功率P1；
步骤e、确定负载所需功率：第二交流电压传感器和第二交流电流传感器分别采集交流母线上的电压U和电流I，负载控制模块根据公式P＝UI，计算负载所需功率P2，并传输给主控制器；
步骤f、主控制器对当前发电模式进行判断：若P1＜P，则当前发电模式为柴油发电机发电，执行步骤g；若P2≤P1，则当前发电模式为轴带电机发电，执行步骤h；若P≤P1＜P2，则当前发电模式为并联发电，执行步骤i；
步骤g、从柴油发电机发电模式切换到并联发电模式或轴带电机发电模式
步骤g-1、转速传感器采集柴油推进主机的转速Nr；主控制器根据柴油推进主机的转速Nr并结合柴油推进主机的出厂特性曲线，获取柴油推进主机的输出功率Pe2及螺旋桨所需功率Pe1；确定冗余功率：主控制器根据公式P1＝Pe2-Pe1，计算冗余功率P1；确定负载所需功率：第二交流电压传感器和第二交流电流传感器分别采集交流母线上的电压U和电流I，负载控制模块根据公式P＝UI，计算负载所需功率P2，并传输给主控制器；
步骤g-2、主控制器进行判断：若P≤P1＜P2，则执行步骤g-3至步骤g-4；若P2≤P1，则执行步骤g-5至步骤g-7；否则，回到步骤g-1；
步骤g-3、主控制器向轴带推进机构控制模块和辅发电机控制模块发送发电模式切换指令：从柴油发电机发电模式切换到并联发电模式；
步骤g-4、轴带推进机构控制模块启动轴带电机，并控制断路器闭合，轴带电机和辅柴油发电机同时向直流母线供电；执行步骤j；
步骤g-5、主控制器向轴带推进机构控制模块和辅发电机控制模块发送发电模式切换指令：从柴油发电机发电模式切换到轴带电机发电模式；
步骤g-6、轴带推进机构控制模块启动轴带电机，并控制断路器闭合；
步骤g-7、辅发电机控制模块断开辅断路器，辅柴油发电机停止；执行步骤j；
步骤h、从轴带电机发电模式切换到柴油发电机发电模式或并联发电模式
步骤h-1、转速传感器采集柴油推进主机的转速Nr；主控制器根据柴油推进主机的转速Nr并结合柴油推进主机的出厂特性曲线，获取柴油推进主机的输出功率Pe2及螺旋桨所需功率Pe1；确定冗余功率：主控制器根据公式P1＝Pe2-Pe1，计算冗余功率P1；确定负载所需功率：第二交流电压传感器和第二交流电流传感器分别采集交流母线上的电压U和电流I，负载控制模块根据公式P＝UI，计算负载所需功率P2，并传输给主控制器；
步骤h-2、主控制器进行判断：若P1＜P，则执行步骤h-3至步骤h-5；若P≤P1＜P2，则执行步骤h-6至步骤h-7；否则，回到步骤h-1；
步骤h-3、主控制器向轴带推进机构控制模块和辅发电机控制模块发送发电模式切换指令：从轴带电机发电模式切换到柴油发电机发电模式；
步骤h-4、辅发电机控制模块启动辅柴油发电机启动，并对直流母线预充电，当直流母线电压达到1050～1075V之间时，辅断路器闭合，辅柴油发电机为直流母线供电；
步骤h-5、轴带推进机构控制模块断开断路器，轴带电机停止；执行步骤j；
步骤h-6、主控制器向轴带推进机构控制模块和辅发电机控制模块发送发电模式切换指令：轴带电机发电模式切换到并联发电模式；
步骤h-7、辅发电机控制模块启动辅柴油发电机启动，并对直流母线预充电，当直流母线电压达到1050～1075V之间时，辅断路器闭合，轴带电机和辅柴油发电机同时向直流母线供电；执行步骤j；
步骤i、从并联发电模式切换到柴油发电机发电模式或轴带电机发电模式
步骤i-1、转速传感器采集柴油推进主机的转速Nr；主控制器根据柴油推进主机的转速Nr并结合柴油推进主机的出厂特性曲线，获取柴油推进主机的输出功率Pe2及螺旋桨所需功率Pe1；确定冗余功率：主控制器根据公式P1＝Pe2-Pe1，计算冗余功率P1；确定负载所需功率：第二交流电压传感器和第二交流电流传感器分别采集交流母线上的电压U和电流I，负载控制模块根据公式P＝UI，计算负载所需功率P2，并传输给主控制器；
步骤i-2、主控制器进行判断：若P1＜P，则执行步骤i-3至步骤i-4；若P2≤P1，则执行步骤i-5至步骤i-7；否则，回到步骤i-1；
步骤i-3、主控制器向轴带推进机构控制模块发送发电模式切换指令：并联发电模式切换到柴油发电机发电模式；
步骤i-4、轴带推进机构控制模块断开辅断路器，轴带电机停止；执行步骤j；
步骤i-5、主控制器向辅发电机控制模块发送发电模式切换指令：并联发电模式切换到轴带电机发电模式；
步骤i-7、辅发电机控制模块断开辅断路器，辅柴油发电机停止；执行步骤j；
步骤j、从步骤b开始重新循环执行。
本发明进一步所要解决的技术问题是：提供一种可对轴带电机进行故障监测的直流组网的船舶混合动力推进系统的控制方法。
为解决上述进一步的技术问题，本发明所采取的技术方案为：所述步骤5还包括轴带电机的故障检测方法，具体如下：
步骤a、构建数据库
根据轴带电机在工作过程中的测量值与故障类型构建故障数据库，数据库包含已知的有可能产生的故障类型和相应故障的表现形式；
步骤b、构建卷积神经网络专家系统
步骤b.1、预设卷积神经网络专家系统卷积分量的数量N，并初始化N＝1；
步骤b.2、基于数据库内的测量值与故障类型，构建卷积神经网络专家系统的M个测量值输入矩阵X和对应的故障矩阵Y；
步骤b.3、对输入矩阵X进行卷积计算，公式如下：
Figure GDA0003472661000000101
Figure GDA0003472661000000111
……
Figure GDA0003472661000000112
式中，Xi是第i个输入映射(1≤i≤M)，
Figure GDA00034726610000001112
是第l个卷积核，Li是第i个卷积层中的总核数，
Figure GDA0003472661000000113
是偏差，
Figure GDA0003472661000000114
是第l个卷积输出映射，r2表示共享权重的局部区域；
步骤b.4、通过如下公式增加卷积输出映射
Figure GDA0003472661000000115
的非线性属性：
Figure GDA0003472661000000116
步骤b.5、通过池化层计算，增加数据的平移不变性和防止过拟合，公式如下：
Figure GDA0003472661000000117
式中，每个神经元
Figure GDA0003472661000000118
都汇集在
Figure GDA0003472661000000119
中的2×2区域上；
步骤b.6、计算卷积神经网络专家系统的输出矩阵：
Figure GDA00034726610000001110
步骤b.7、卷积神经网络专家系统对输出矩阵Φi与已知故障矩阵Y进行对比分析：
若通过卷积神经网络专家系统计算的输出矩阵Φi内的故障类型与已知故障矩阵Y内的故障类型不完全相同，则执行步骤b.8至步骤b.9；
若通过卷积神经网络专家系统计算的输出矩阵Φi内的故障类型与已知故障矩阵Y内的故障类型全部相同，则执行步骤b.10；
步骤b.8、对卷积分量进行如下计算：N＝N+1；
步骤b.9、把输出矩阵Φi转变成输入矩阵X，执行步骤b.3至步骤b.7；
步骤b.10、确定卷积分量的数量N的取值与各比例因子
Figure GDA00034726610000001111
的数值，并构建出卷积神经网络专家系统；
步骤c、数据采集
通过设置在轴带电机及变频模块处的传感器实时采集所需数据,并传输至基于卷积神经网络专家系统，包括：第一温度传感器采集变频模块的温度t1；第一交流电压传感器采集轴带电机的三相电压Uu、Uv、Uw；第一交流电流传感器采集轴带电机的三相电流Iu、Iv、Iw；第二温度传感器采集轴带电机驱动端轴承温度t2；第三温度传感器采集轴带电机三相绕组温度tu、tv、tw；第四温度传感器采集轴带电机非驱动端轴承温度t3；转速传感器采集轴带电机的输出转速n，轴带推进机构控制模块根据公式f＝np2/60计算轴带电机的频率f，式中，p2为轴带电机的极对数；
步骤d、通过卷积神经网络专家系统对步骤c所采集的数据进行分析处理：
步骤d.1、初始化卷积神经网络专家系统执行次数j＝0；
步骤d.2、构建卷积神经网络专家系统的输入矩阵X：X＝t1 Uu Uv Uw…Iw n]；
步骤d.3、采用步骤b构建的卷积神经网络专家系统对输入矩阵X进行分析；
步骤d.4、对卷积分量进行如下计算：j＝j+1；
步骤d.5、卷积神经网络专家系统判断j≤N是否成立；若成立，则把输出矩阵Φi转变成输入矩阵X，执行步骤d.3至步骤d.5；若不成立，卷积神经网络专家系统输出输出矩阵Φi；
步骤e、故障查询
轴带推进机构控制模块根据卷积神经网络专家系统的输出结果Φi，访问数据库；若在数据库内查询到相应故障，则将故障发送至故障显示模块显示，用于指导维修工人维修。
作为一种优选的方案，所述轴带电机的故障检测方法的步骤e中，若在数据库内未查询到相应故障，则由专家人员对故障和相应故障的表现形式进行判断，若故障和相应故障的表现形式相匹配，则把故障和相应故障的表现形式纳入数据库，并将故障发送至故障显示模块显示，用于指导维修工人维修，同时更新卷积神经网络专家系统；若故障和相应故障的表现形式不匹配，则根据专家人员的经验，获得相应表现形式对应的故障，并纳入数据库，同时更新卷积神经网络专家系统。
本发明的有益效果是：本发明的基于直流组网的船舶混合动力推进系统在航行过程中，通过航海雷达和船用GPS实时监测船舶所处海域环境，获取其所处位置，同时结合航行路线判断船舶所需推进模式，并控制相关设备自动进行模式切换，整个监测和切换过程不需要人为干预，避免了由于操作人员的疏忽所造成的损失，提高了船舶的运行安全性和船舶的智能化程度。
本发明的基于直流组网的船舶混合动力推进系统在主机模式运行情况下，通过设置在使用设备处的各传感设备，实时监测船船上负载的所需功率、主柴油发电机的功率和柴油推进主机的冗余功率，并获取适合当前船舶的发电模式，并控制相关设备自动进行发电模式的切换，同样整个监测和切换过程不需要人为干预，避免了由于操作人员的疏忽所造成的损失，同时始终使船舶的发电模式运行在适合当前船舶运行状态的模式，提高能源利用率、减少能源浪费和污染。
同时，在轴带电机故障检测方面，本发明的卷积神经网络专家系统对轴带电机的各项检测数据进行分析处理，并把分析结果与故障数据库进行对比分析，获取轴带电机的故障类型，以指导相关人员的维修操作。卷积神经网络专家系统具有不断自我学习和更新的功能，并对数据库进行完善，以提高其检测的精确性，同时可降低维修人员的故障排除难度，从而节约大量时间。
附图说明
图1为本发明的基于直流组网的混合动力推进系统结构示意图；
图2为本发明的船舶航行路线示意图；
图3为本发明的船舶运行模式切换控制流程图；
图4为本发明的主机模式下的发电模式切换控制流程图；
图5为本发明的柴油推进主机的出厂特性曲线；
图中：101-直流母线，102-电力电子开关；
201-主柴油发电机，202-主断路器，203-整流模块，204-熔断器，205-主发电机控制模块；
301-辅柴油发电机，302-辅断路器，303-整流模块，304-熔断器，305-辅发电机控制模块；
401-蓄电池，402-蓄电池断路器，403-电感滤波模块，404-斩波模块，405-蓄电池控制模块，406-熔断器；501-熔断器，502-变频模块，503-断路器，504-轴带电机，505-三端齿轮箱，506-螺旋桨，507-离合器，508-柴油推进主机，509-轴带推进机构控制模块，510-第一温度传感器，511-第一交流电压传感器，512-第一交流电流传感器，513-第二温度传感器，514-第三温度传感器，515-第四温度传感器，516-转速传感器；
601-熔断器，602-逆变模块，603-负载断路器，604-交流母线，605-负载控制模块，606-分断路器，607-分断路器，608-第二交流电压传感器，609-第二交流电流传感器；7-航海雷达，8-主控制器，9-船用GPS。
具体实施方式
如图1所示，基于直流组网的船舶混合动力推进系统，包括左舷和右舷两个推进单元，推进单元包括直流母线101，直流母线101上连接有发电机供电机构、轴带推进机构、电池供电机构和负载机构，左舷和右舷的直流母线101通过电力电子开关102连接；
发电机供电机构包括主柴油发电机201和辅柴油发电机301，主柴油发电机201通过供电线路依次与主断路器202、整流模块203、熔断器204连接，该供电线路最后与直流母线101相连接；辅柴油发电机301通过供电线路依次与辅断路器302、整流模块303、熔断器304连接，该供电线路最后与直流母线101相连接；
电池供电机构包括与直流母线101通过两根储电电线连接的斩波模块404，斩波模块404与电感滤波模块403相连接，电感滤波模块403与其中一根储电电线之间通过连接电线设有蓄电池401，连接电线上设有蓄电池断路器402，储电电线上设有熔断器406；
轴带推进机构包括轴带电机504，轴带电机504通过用电线路与直流母线101相连接，用电线路上由轴带电机504开始依次设有断路器503、变频模块502、熔断器501；轴带电机504的输出轴与三端齿轮箱505的第一输入端相连接；三端齿轮箱505的输出端与螺旋桨506相连接，三端齿轮箱505的第二输入端通过离合器507与柴油推进主机508的输出轴相连接，变频模块502设有第一温度传感器510，在变频模块502和断路器503之间的线路上设有第一交流电压传感器511，在断路器503和轴带电机504之间的线路上设有第一交流电流传感器512，轴带电机504处设有第二温度传感器513、第三温度传感器514、第四温度传感器515和转速传感器516；第一温度传感器510、第一交流电压传感器511、第一交流电流传感器512、第二温度传感器513、第三温度传感器514、第四温度传感器515以及转速传感器516与轴带推进机构控制模块509电联接；
负载机构包括与直流母线101通过接入导线相连接的负载逆变模块602，正负极接入导线上都设有熔断器601，负载逆变模块602的输出端与负载电路的负载断路器603输入端相连接，负载断路器603与交流母线604相连接，交流母线604通过分流导线与船舶电力系统中的各个用电负载模块相连接，分流导线上在用电负载模块与交流母线604间设有分断路器606、607；负载逆变模块602的输出端和负载断路器603的输入端之间设有第二交流电压传感器608，负载断路器603的输出端设有第二交流电流传感器609，第二交流电压传感器608和第二交流电流传感器609与负载控制模块605电联接。
直流组网的船舶混合动力推进系统的控制方法包括以下步骤：
步骤1、航行路线规划
操作人员根据船舶航行的目的地，结合航行图，规划船舶航行路线，如图2所示；根据航段为正常航行段、或环保要求严格航行段、或高速航行段、或低速航行段、或逆水航行段将从出发地A1航行到目的地An(n≥2)的航线分为n-1个航段，长度为S1、S2……、Sn-1；
步骤2、发电机启动与直流母线预充
辅柴油发电机301启动运转，当辅柴油发电机301转速达到预设值后，进入正常工作状态，经预充回路为直流母线101预充电，当直流母线101电压达到1050～1075V之间时，辅断路器302闭合，辅柴油发电机301产生的交流电经由整流模块303将交流电转换为直流电，为直流母线101正常供电；
步骤3、日用负载运转
直流母线101预充完成后，通过逆变模块602将直流母线101提供的直流电转换成日用负载所需的交流电；负载断路器603、分断路器606及分断路器607闭合为日用负载供电；
步骤4、推进系统启动
航海雷达7监测船舶启动环境为正常航行海域环境并传输给主控制器8后，主控制器8向轴带推进机构控制模块509发送主机模式启动指令；接着，轴带推进机构控制模块509启动，并运行在启动档转速(700rpm)；然后，轴带推进机构控制模块509控制柴油推进主机508提速，当柴油推进主机508的转速达到工作档转速(800rpm)时，轴带推进机构控制模块509闭合离合器507，螺旋桨506旋转，推进系统启动，船舶开始从出发地A1点航行；
步骤5、对混合动力推进系统进行监测及调整
航海雷达7监测船舶运行环境以进行推进模式切换，推进模式切换控制过程，具体如下：
步骤a、如图3所示，主控制器8从航行路线中获取各航段的长度，构成距离矩阵s＝[s1，s2，s3，s4，...，sn-2，sn-1]；
步骤b、主控制器8根据不同航段的行驶要求，生成整个航线的推进模式切换过程：将主机模式切换到主机停止工作且船舶推进功率完全靠轴带电机提供的PTH模式，代号记为OH；PTH模式切换到主机与轴带电机同时工作的PTI模式，代号记为HI；PTI模式切换到PTH模式，代号记为IH；……；PTI模式切换到主机模式，代号记为IO；主机模式单独停止，代号记为OS；并生成模式切换代号矩阵o，o＝[OH，HI，IH，...，IO，OS]；
步骤c、主控制器8根据航线所包含的航段数量构建系数矩阵I，I＝[i1，i2，...，in-2，in-1]T，其为1行n-1列的列矩阵；并初始化系数矩阵I＝[1，0，0，0，...，0，0]T；
步骤d、主控制器8根据航线构建距离系数矩阵T＝[t1，t2，...，tn-2，tn-1]T，其为1行n-1列的列矩阵；并初始化距离系数矩阵T＝[1，0，0，0，...，0，0]T；
步骤e、计数器所计数值a置1；
步骤f、获取船舶推进模式交界点(当前推进模式与下个推进模式的交界点)距离出发地A的距离w，单位为m：w＝s*T；
步骤g、获取混合动力船舶距离出发地A的距离L，单位为m；
g-1、混合动力船舶从出发地A点出发时，通过船用GPS9获取其所处位置的经纬度(θ1，θ2)，并把获取的经纬度数据存放于主控制器8内指定位置a1(x1，y1)；
g-2、混合动力船舶在行驶过程中，每隔△T时间通过船用GPS9获取其所处位置的经纬度，并把获取的经纬度数据存放于主控制器8内指定位置a2(x2，y2)、a3(x3，y3)、……、aj(xj，yj)；
g-3、通过如下转换公式，求得各经纬度坐标aj(xj，yj)对应的直角坐标Aj(Xj，Yj，Zj)；
Figure GDA0003472661000000181
r1表示地球半径；
g-4、获取两相邻经纬度坐标aj(xj，yj)和aj+1(xj+1，yj+1)之间的距离lj：
首先，主控制器8通过如下公式，计算坐标Aj和坐标Aj+1之间的距离
Figure GDA0003472661000000182
然后，把坐标Aj和坐标Aj+1对应的经纬度坐标具体数值代入上式，化简可得
Figure GDA0003472661000000183
g-5、通过如下公式获取混合动力船舶距离出发地A的距离L
L＝(l1+l2+…+lj)；
步骤h、主控制器8进行条件判断：|w-L|≤h是否成立，式中h为模式切换过程中所需距离：若成立，开始执行步骤i至步骤m；若不成立，回到步骤g；
步骤i、主控制器8获取模式切换代号p1＝o*I；然后，主控制器8根据模式切换代号，控制相关设备完成相应的模式切换过程；
步骤j、计数器所计数值a加1；
步骤k、主控制器8对计数器数值a进行条件判断：a≤n-1是否成立：若成立，执行步骤m至步骤o；若不成立，表示船舶到达目的地，结束；
步骤m、主控制器8把系数矩阵I中第a列的值置为1，其余列的值置为0；
步骤n、主控制器8把距离系数矩阵T中第a列的值置为1，其余列的值保持不变；
步骤o、回到步骤f循环执行，直至船舶到达目的地。
所述步骤5还包括在主机模式下进行发电模式切换的操作，发电模式切换控制过程如图4所示，
具体如下：
步骤a、预设轴带电机504发电启动时功率阈值P，为20KW；
步骤b、转速传感器516采集柴油推进主机508的转速Nr；
步骤c、主控制器8根据柴油推进主机508的转速Nr并结合柴油推进主机508的出厂特性曲线，如图5所示，获取柴油推进主机508的输出功率Pe2及螺旋桨506所需功率Pe1；
步骤d、确定冗余功率：主控制器8根据公式P1＝Pe2-Pe1，计算冗余功率P1；
步骤e、确定负载所需功率：第二交流电压传感器608和第二交流电流传感器609分别采集交流母线上的电压U和电流I，负载控制模块605根据公式P＝UI，计算负载所需功率P2，并传输给主控制器8；
步骤f、主控制器8对当前发电模式进行判断：若P1＜P，则当前发电模式为柴油发电机发电，执行步骤g；若P2≤P1，则当前发电模式为轴带电机发电，执行步骤h；若P≤P1＜P2，则当前发电模式为并联发电，执行步骤i；
步骤g、从柴油发电机发电模式切换到并联发电模式或轴带电机发电模式
步骤g-1、转速传感器516采集柴油推进主机508的转速Nr；主控制器8根据柴油推进主机508的转速Nr并结合柴油推进主机508的出厂特性曲线，获取柴油推进主机508的输出功率Pe2及螺旋桨506所需功率Pe1；确定冗余功率：主控制器8根据公式P1＝Pe2-Pe1，计算冗余功率P1；确定负载所需功率：第二交流电压传感器608和第二交流电流传感器609分别采集交流母线上的电压U和电流I，负载控制模块605根据公式P＝UI，计算负载所需功率P2，并传输给主控制器8；
步骤g-2、主控制器8进行判断：若P≤P1＜P2，则执行步骤g-3至步骤g-4；若P2≤P1，则执行步骤g-5至步骤g-7；否则，回到步骤g-1；
步骤g-3、主控制器8向轴带推进机构控制模块509和辅发电机控制模块305发送发电模式切换指令：从柴油发电机发电模式切换到并联发电模式；
步骤g-4、轴带推进机构控制模块509启动轴带电机504，并控制断路器503闭合，轴带电机504和辅柴油发电机301同时向直流母线101供电；执行步骤j；
步骤g-5、主控制器8向轴带推进机构控制模块509和辅发电机控制模块305发送发电模式切换指令：从柴油发电机发电模式切换到轴带电机发电模式；
步骤g-6、轴带推进机构控制模块509启动轴带电机504，并控制断路器503闭合；
步骤g-7、辅发电机控制模块305断开辅断路器302，辅柴油发电机301停止；执行步骤j；
步骤h、从轴带电机发电模式切换到柴油发电机发电模式或并联发电模式
步骤h-1、转速传感器516采集柴油推进主机508的转速Nr；主控制器8根据柴油推进主机508的转速Nr并结合柴油推进主机508的出厂特性曲线，获取柴油推进主机508的输出功率Pe2及螺旋桨506所需功率Pe1；确定冗余功率：主控制器8根据公式P1＝Pe2-Pe1，计算冗余功率P1；确定负载所需功率：第二交流电压传感器608和第二交流电流传感器609分别采集交流母线上的电压U和电流I，负载控制模块605根据公式P＝UI，计算负载所需功率P2，并传输给主控制器8；
步骤h-2、主控制器8进行判断：若P1＜P，则执行步骤h-3至步骤h-5；若P≤P1＜P2，则执行步骤h-6至步骤h-7；否则，回到步骤h-1；
步骤h-3、主控制器8向轴带推进机构控制模块509和辅发电机控制模块305发送发电模式切换指令：从轴带电机发电模式切换到柴油发电机发电模式；
步骤h-4、辅发电机控制模块305启动辅柴油发电机301启动，并对直流母线101预充电，当直流母线101电压达到1050～1075V之间时，辅断路器302闭合，辅柴油发电机301为直流母线101供电；
步骤h-5、轴带推进机构控制模块509断开断路器503，轴带电机504停止；执行步骤j；
步骤h-6、主控制器8向轴带推进机构控制模块509和辅发电机控制模块305发送发电模式切换指令：轴带电机发电模式切换到并联发电模式；
步骤h-7、辅发电机控制模块305启动辅柴油发电机301启动，并对直流母线101预充电，当直流母线101电压达到1050～1075V之间时，辅断路器302闭合，轴带电机504和辅柴油发电机301同时向直流母线101供电；执行步骤j；
步骤i、从并联发电模式切换到柴油发电机发电模式或轴带电机发电模式
步骤i-1、转速传感器516采集柴油推进主机508的转速Nr；主控制器8根据柴油推进主机508的转速Nr并结合柴油推进主机508的出厂特性曲线，获取柴油推进主机508的输出功率Pe2及螺旋桨506所需功率Pe1；确定冗余功率：主控制器8根据公式P1＝Pe2-Pe1，计算冗余功率P1；确定负载所需功率：第二交流电压传感器608和第二交流电流传感器609分别采集交流母线上的电压U和电流I，负载控制模块605根据公式P＝UI，计算负载所需功率P2，并传输给主控制器8；
步骤i-2、主控制器8进行判断：若P1＜P，则执行步骤i-3至步骤i-4；若P2≤P1，则执行步骤i-5至步骤i-7；否则，回到步骤i-1；
步骤i-3、主控制器8向轴带推进机构控制模块509发送发电模式切换指令：并联发电模式切换到柴油发电机发电模式；
步骤i-4、轴带推进机构控制模块509断开辅断路器503，轴带电机504停止；执行步骤j；
步骤i-5、主控制器8向辅发电机控制模块305发送发电模式切换指令：并联发电模式切换到轴带电机发电模式；
步骤i-7、辅发电机控制模块305断开辅断路器302，辅柴油发电机301停止；执行步骤j；
步骤j、从步骤b开始重新循环执行。
所述步骤5还包括轴带电机的故障检测方法，具体如下：
步骤a、构建数据库
根据轴带电机504在工作过程中的测量值与故障类型构建故障数据库，数据库包含已知的有可能产生的故障类型和相应故障的表现形式；例如当监测到轴带电机504的三相电流Iu、Iv、Iw过高时，其对应的故障类型为电机线圈相间短路；再如当监测到轴带电机504的三相电流Iu、Iv、Iw基本不变，但是绕组温度逐渐升高时，其对应的故障类型为风机故障。
步骤b、构建卷积神经网络专家系统
步骤b.1、预设卷积神经网络专家系统卷积分量的数量N，并初始化N＝1；
步骤b.2、基于数据库内的测量值与故障类型，构建卷积神经网络专家系统的M个测量值输入矩阵X和对应的故障矩阵Y；
步骤b.3、对输入矩阵X进行卷积计算，公式如下：
Figure GDA0003472661000000231
Figure GDA0003472661000000232
……
Figure GDA0003472661000000233
式中，Xi是第i个输入映射(1≤i≤M)，
Figure GDA0003472661000000234
是第l个卷积核，Li是第i个卷积层中的总核数，
Figure GDA0003472661000000235
是偏差，
Figure GDA0003472661000000236
是第l个卷积输出映射，r2表示共享权重的局部区域；
步骤b.4、通过如下公式增加卷积输出映射
Figure GDA0003472661000000237
的非线性属性：
Figure GDA0003472661000000238
步骤b.5、通过池化层计算，增加数据的平移不变性和防止过拟合，公式如下：
Figure GDA0003472661000000239
式中，每个神经元
Figure GDA00034726610000002310
都汇集在
Figure GDA00034726610000002311
中的2×2区域上；
步骤b.6、计算卷积神经网络专家系统的输出矩阵：
Figure GDA00034726610000002312
步骤b.7、卷积神经网络专家系统对输出矩阵Φi与已知故障矩阵Y进行对比分析：
若通过卷积神经网络专家系统计算的输出矩阵Φi内的故障类型与已知故障矩阵Y内的故障类型不完全相同，则执行步骤b.8至步骤b.9；
若通过卷积神经网络专家系统计算的输出矩阵Φi内的故障类型与已知故障矩阵Y内的故障类型全部相同，则执行步骤b.10；
步骤b.8、对卷积分量进行如下计算：N＝N+1；
步骤b.9、把输出矩阵Φi转变成输入矩阵X，执行步骤b.3至步骤b.7；
步骤b.10、确定卷积分量的数量N的取值与各比例因子
Figure GDA0003472661000000241
的数值，并构建出卷积神经网络专家系统；
步骤c、数据采集
通过设置在轴带电机504及变频模块502处的传感器实时采集所需数据,并传输至基于卷积神经网络专家系统，包括：第一温度传感器510采集变频模块502的温度t1；第一交流电压传感器511采集轴带电机504的三相电压Uu、Uv、Uw；第一交流电流传感器512采集轴带电机504的三相电流Iu、Iv、Iw；第二温度传感器513采集轴带电机504驱动端轴承温度t2；第三温度传感器514采集轴带电机504三相绕组温度tu、tv、tw；第四温度传感器515采集轴带电机504非驱动端轴承温度t3；转速传感器516采集轴带电机504的输出转速n，轴带推进机构控制模块509根据公式f＝np2/60计算轴带电机504的频率f，式中，p2为轴带电机504的极对数；
步骤d、通过卷积神经网络专家系统对步骤c所采集的数据进行分析处理：
步骤d.1、初始化卷积神经网络专家系统执行次数j＝0；
步骤d.2、构建卷积神经网络专家系统的输入矩阵X：X＝[t1 Uu Uv Uw…Iw n]；
步骤d.3、采用步骤b构建的卷积神经网络专家系统对输入矩阵X进行分析；
步骤d.4、对卷积分量进行如下计算：j＝j+1；
步骤d.5、卷积神经网络专家系统判断j≤N是否成立；若成立，则把输出矩阵Φi转变成输入矩阵X，执行步骤d.3至步骤d.5；若不成立，卷积神经网络专家系统输出输出矩阵Φi；
步骤e、故障查询
轴带推进机构控制模块509根据卷积神经网络专家系统的输出结果Φi，访问数据库；若在数据库内查询到相应故障，则将故障发送至故障显示模块显示，用于指导维修工人维修。若在数据库内未查询到相应故障，则由专家人员对故障和相应故障的表现形式进行判断，若故障和相应故障的表现形式相匹配，则把故障和相应故障的表现形式纳入数据库，并将故障发送至故障显示模块显示，用于指导维修工人维修，同时更新卷积神经网络专家系统；若故障和相应故障的表现形式不匹配，则根据专家人员的经验，获得相应表现形式对应的故障，并纳入数据库，同时更新卷积神经网络专家系统。
上述的实施例仅例示性说明本发明创造的原理及其功效，以及部分运用的实施例，而非用于限制本发明；应当指出，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明创造构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。

Claims (4)

1.一种直流组网的船舶混合动力推进系统的控制方法，其中，船舶混合动力推进系统包括左舷和右舷两个推进单元，推进单元包括直流母线，直流母线上连接有发电机供电机构、轴带推进机构、电池供电机构和负载机构，左舷和右舷的直流母线通过电力电子开关连接；
发电机供电机构包括主柴油发电机和辅柴油发电机，主柴油发电机通过供电线路依次与主断路器、整流模块、熔断器连接，该供电线路最后与直流母线相连接；辅柴油发电机通过供电线路依次与辅断路器、整流模块、熔断器连接，该供电线路最后与直流母线相连接；
电池供电机构包括与直流母线通过两根储电电线连接的斩波模块，斩波模块与电感滤波模块相连接，电感滤波模块与其中一根储电电线之间通过连接电线设有蓄电池，连接电线上设有蓄电池断路器，储电电线上设有熔断器；
轴带推进机构包括轴带电机，轴带电机通过用电线路与直流母线相连接，用电线路上由轴带电机开始依次设有断路器、变频模块、熔断器；轴带电机的输出轴与三端齿轮箱的第一输入端相连接；三端齿轮箱的输出端与螺旋桨相连接，三端齿轮箱的第二输入端通过离合器与柴油推进主机的输出轴相连接，变频模块设有第一温度传感器，在变频模块和断路器之间的线路上设有第一交流电压传感器，在断路器和轴带电机之间的线路上设有第一交流电流传感器，轴带电机处设有第二温度传感器、第三温度传感器、第四温度传感器和转速传感器；第一温度传感器、第一交流电压传感器、第一交流电流传感器、第二温度传感器、第三温度传感器、第四温度传感器以及转速传感器与轴带推进机构控制模块电联接；
负载机构包括与直流母线通过接入导线相连接的负载逆变模块，正负极接入导线上都设有熔断器，负载逆变模块的输出端与负载电路的负载断路器输入端相连接，负载断路器与交流母线相连接，交流母线通过分流导线与船舶电力系统中的各个用电负载模块相连接，分流导线上在用电负载模块与交流母线间设有分断路器；负载逆变模块的输出端和负载断路器的输入端之间设有第二交流电压传感器，负载断路器的输出端设有第二交流电流传感器，第二交流电压传感器和第二交流电流传感器与负载控制模块电联接；
该控制方法具体包括以下步骤：
步骤1、航行路线规划
操作人员根据船舶航行的目的地，结合航行图，规划船舶航行路线，根据航段为正常航行段、或环保要求严格航行段、或高速航行段、或低速航行段、或逆水航行段将从出发地A1航行到目的地An(n≥2)的航线分为n-1个航段，长度为S1、S2……Sn-1；
步骤2、发电机启动与直流母线预充
辅柴油发电机启动运转，当辅柴油发电机转速达到预设值后，进入正常工作状态，经预充回路为直流母线预充电，当直流母线电压达到1050～1075V之间时，辅断路器闭合，辅柴油发电机产生的交流电经由整流模块将交流电转换为直流电，为直流母线正常供电；
步骤3、日用负载运转
直流母线预充完成后，通过逆变模块将直流母线提供的直流电转换成日用负载所需的交流电；负载断路器、分断路器及分断路器闭合为日用负载供电；
步骤4、推进系统启动
航海雷达监测船舶启动环境为正常航行海域环境并传输给主控制器后，主控制器向轴带推进机构控制模块发送主机模式启动指令；接着，轴带推进机构控制模块启动，并运行在启动档转速；然后，轴带推进机构控制模块控制柴油推进主机提速，当柴油推进主机的转速达到工作档转速时，轴带推进机构控制模块闭合离合器，螺旋桨旋转，推进系统启动，船舶开始从出发地A1点航行；
步骤5、对混合动力推进系统进行监测及调整
航海雷达监测船舶运行环境以进行推进模式切换，推进模式切换控制过程，具体如下：
步骤a、主控制器从航行路线中获取各航段的长度，构成距离矩阵s＝[s1，s2，s3，s4，...，sn-2，sn-1]；
步骤b、主控制器根据不同航段的行驶要求，生成整个航线的推进模式切换过程：将主机模式切换到主机停止工作且船舶推进功率完全靠轴带电机提供的PTH模式，代号记为0H；PTH模式切换到主机与轴带电机同时工作的PTI模式，代号记为HI；PTI模式切换到PTH模式，代号记为IH；……；PTI模式切换到主机模式，代号记为IO；主机模式单独停止，代号记为OS；并生成模式切换代号矩阵o；
步骤c、主控制器根据航线所包含的航段数量构建系数矩阵I，I＝[i1，i2，...，in-2，in-1]T，其为1行n-1列的列矩阵；并初始化系数矩阵I＝[1，0，0，0，...，0，0]T；
步骤d、主控制器根据航线构建距离系数矩阵T＝[t1，t2，...，tn-2，tn-1]T，其为1行n-1列的列矩阵；并初始化距离系数矩阵T＝[1，0，0，0，...，0，0]T；
步骤e、计数器所计数值a置1；
步骤f、获取船舶推进模式交界点即当前推进模式与下个推进模式的交界点距离出发地A的距离w，单位为m：w＝s*T；
步骤g、获取混合动力船舶距离出发地A的距离L，单位为m；
g-1、混合动力船舶从出发地A点出发时，通过船用GPS获取其所处位置的经纬度(θ1，θ2)，并把获取的经纬度数据存放于主控制器内指定位置a1(x1，y1)；
g-2、混合动力船舶在行驶过程中，每隔ΔT时间通过船用GPS获取其所处位置的经纬度，并把获取的经纬度数据存放于主控制器内指定位置a2(x2，y2)、a3(x3，y3)、……、aj(xj，yj)；
g-3、通过如下转换公式，求得各经纬度坐标aj(xj，yj)对应的直角坐标Aj(Xj，Yj，Zj)；
Figure FDA0003472660990000041
r1表示地球半径；
g-4、获取两相邻经纬度坐标aj(xj，yj)和aj+1(xj+1，yj+1)之间的距离lj：
首先，主控制器通过如下公式，计算坐标Aj和坐标Aj+1之间的距离
Figure FDA0003472660990000042
然后，把坐标Aj和坐标Aj+1对应的经纬度坐标具体数值代入上式，化简可得
Figure FDA0003472660990000043
g-5、通过如下公式获取混合动力船舶距离出发地A的距离L
L＝(l1+l2+…+lj)；
步骤h、主控制器进行条件判断：|w-L|≤h是否成立，式中h为模式切换过程中所需距离：若成立，开始执行步骤i至步骤m；若不成立，回到步骤g；
步骤i、主控制器获取模式切换代号p1＝o*I；然后，主控制器根据模式切换代号，控制相关设备完成相应的模式切换过程；
步骤j、计数器所计数值a加1；
步骤k、主控制器对计数器数值a进行条件判断：a≤n-1是否成立：若成立，执行步骤m至步骤o；若不成立，表示船舶到达目的地，结束；
步骤m、主控制器把系数矩阵I中第a列的值置为1，其余列的值置为0；
步骤n、主控制器把距离系数矩阵T中第a列的值置为1，其余列的值保持不变；
步骤o、回到步骤f循环执行，直至船舶到达目的地。
2.如权利要求1所述的一种直流组网的船舶混合动力推进系统的控制方法，其特征在于：所述步骤5还包括在主机模式下进行发电模式切换的操作，发电模式切换控制过程具体如下：
步骤a、预设轴带电机发电启动时功率阈值P，为20KW；
步骤b、转速传感器采集柴油推进主机的转速Nr；
步骤c、主控制器根据柴油推进主机的转速Nr并结合柴油推进主机的出厂特性曲线，获取柴油推进主机的输出功率Pe2及螺旋桨所需功率Pe1；
步骤d、确定冗余功率：主控制器根据公式P1＝Pe2-Pe1，计算冗余功率P1；
步骤e、确定负载所需功率：第二交流电压传感器和第二交流电流传感器分别采集交流母线上的电压U和电流I，负载控制模块根据公式P＝UI，计算负载所需功率P2，并传输给主控制器；
步骤f、主控制器对当前发电模式进行判断：若P1＜P，则当前发电模式为柴油发电机发电，执行步骤g；若P2≤P1，则当前发电模式为轴带电机发电，执行步骤h；若P≤P1＜P2，则当前发电模式为并联发电，执行步骤i；
步骤g、从柴油发电机发电模式切换到并联发电模式或轴带电机发电模式
步骤g-1、转速传感器采集柴油推进主机的转速Nr；主控制器根据柴油推进主机的转速Nr并结合柴油推进主机的出厂特性曲线，获取柴油推进主机的输出功率Pe2及螺旋桨所需功率Pe1；确定冗余功率：主控制器根据公式P1＝Pe2-Pe1，计算冗余功率P1；确定负载所需功率：第二交流电压传感器和第二交流电流传感器分别采集交流母线上的电压U和电流I，负载控制模块根据公式P＝UI，计算负载所需功率P2，并传输给主控制器；
步骤g-2、主控制器进行判断：若P≤P1＜P2，则执行步骤g-3至步骤g-4；若P2≤P1，则执行步骤g-5至步骤g-7；否则，回到步骤g-1；
步骤g-3、主控制器向轴带推进机构控制模块和辅发电机控制模块发送发电模式切换指令：从柴油发电机发电模式切换到并联发电模式；
步骤g-4、轴带推进机构控制模块启动轴带电机，并控制断路器闭合，轴带电机和辅柴油发电机同时向直流母线供电；执行步骤j；
步骤g-5、主控制器向轴带推进机构控制模块和辅发电机控制模块发送发电模式切换指令：从柴油发电机发电模式切换到轴带电机发电模式；
步骤g-6、轴带推进机构控制模块启动轴带电机，并控制断路器闭合；
步骤g-7、辅发电机控制模块断开辅断路器，辅柴油发电机停止；执行步骤j；
步骤h、从轴带电机发电模式切换到柴油发电机发电模式或并联发电模式
步骤h-1、转速传感器采集柴油推进主机的转速Nr；主控制器根据柴油推进主机的转速Nr并结合柴油推进主机的出厂特性曲线，获取柴油推进主机的输出功率Pe2及螺旋桨所需功率Pe1；确定冗余功率：主控制器根据公式P1＝Pe2-Pe1，计算冗余功率P1；确定负载所需功率：第二交流电压传感器和第二交流电流传感器分别采集交流母线上的电压U和电流I，负载控制模块根据公式P＝UI，计算负载所需功率P2，并传输给主控制器；
步骤h-2、主控制器进行判断：若P1＜P，则执行步骤h-3至步骤h-5；若P≤P1＜P2，则执行步骤h-6至步骤h-7；否则，回到步骤h-1；
步骤h-3、主控制器向轴带推进机构控制模块和辅发电机控制模块发送发电模式切换指令：从轴带电机发电模式切换到柴油发电机发电模式；
步骤h-4、辅发电机控制模块启动辅柴油发电机启动，并对直流母线预充电，当直流母线电压达到1050～1075V之间时，辅断路器闭合，辅柴油发电机为直流母线供电；
步骤h-5、轴带推进机构控制模块断开断路器，轴带电机停止；执行步骤j；
步骤h-6、主控制器向轴带推进机构控制模块和辅发电机控制模块发送发电模式切换指令：轴带电机发电模式切换到并联发电模式；
步骤h-7、辅发电机控制模块启动辅柴油发电机启动，并对直流母线预充电，当直流母线电压达到1050～1075V之间时，辅断路器闭合，轴带电机和辅柴油发电机同时向直流母线供电；执行步骤j；
步骤i、从并联发电模式切换到柴油发电机发电模式或轴带电机发电模式
步骤i-1、转速传感器采集柴油推进主机的转速Nr；主控制器根据柴油推进主机的转速Nr并结合柴油推进主机的出厂特性曲线，获取柴油推进主机的输出功率Pe2及螺旋桨所需功率Pe1；确定冗余功率：主控制器根据公式P1＝Pe2-Pe1，计算冗余功率P1；确定负载所需功率：第二交流电压传感器和第二交流电流传感器分别采集交流母线上的电压U和电流I，负载控制模块根据公式P＝UI，计算负载所需功率P2，并传输给主控制器；
步骤i-2、主控制器进行判断：若P1＜P，则执行步骤i-3至步骤i-4；若P2≤P1，则执行步骤i-5至步骤i-7；否则，回到步骤i-1；
步骤i-3、主控制器向轴带推进机构控制模块发送发电模式切换指令：并联发电模式切换到柴油发电机发电模式；
步骤i-4、轴带推进机构控制模块断开辅断路器，轴带电机停止；执行步骤j；
步骤i-5、主控制器向辅发电机控制模块发送发电模式切换指令：并联发电模式切换到轴带电机发电模式；
步骤i-7、辅发电机控制模块断开辅断路器，辅柴油发电机停止；执行步骤j；
步骤j、从步骤b开始重新循环执行。
3.如权利要求1所述的一种直流组网的船舶混合动力推进系统的控制方法，其特征在于：所述步骤5还包括轴带电机的故障检测方法，具体如下：
步骤a、构建数据库
根据轴带电机在工作过程中的测量值与故障类型构建故障数据库，数据库包含已知的有可能产生的故障类型和相应故障的表现形式；
步骤b、构建卷积神经网络专家系统
步骤b.1、预设卷积神经网络专家系统卷积分量的数量N，并初始化N＝1；
步骤b.2、基于数据库内的测量值与故障类型，构建卷积神经网络专家系统的M个测量值输入矩阵X和对应的故障矩阵Y；
步骤b.3、对输入矩阵X进行卷积计算，公式如下：
Figure FDA0003472660990000081
Figure FDA0003472660990000091
……
Figure FDA0003472660990000092
式中，Xi是第i个输入映射(1≤i≤M)，
Figure FDA0003472660990000093
是第l个卷积核，Li是第i个卷积层中的总核数，
Figure FDA0003472660990000094
是偏差，
Figure FDA0003472660990000095
是第l个卷积输出映射，r2表示共享权重的局部区域；
步骤b.4、通过如下公式增加卷积输出映射
Figure FDA0003472660990000096
的非线性属性：
Figure FDA0003472660990000097
步骤b.5、通过池化层计算，增加数据的平移不变性和防止过拟合，公式如下：
Figure FDA0003472660990000098
式中，每个神经元
Figure FDA0003472660990000099
部汇集在
Figure FDA00034726609900000910
中的2×2区域上；
步骤b.6、计算卷积神经网络专家系统的输出矩阵：
Figure FDA00034726609900000911
步骤b.7、卷积神经网络专家系统对输出矩阵Φi与已知故障矩阵Y进行对比分析：
若通过卷积神经网络专家系统计算的输出矩阵Φi内的故障类型与已知故障矩阵Y内的故障类型不完全相同，则执行步骤b.8至步骤b.9；
若通过卷积神经网络专家系统计算的输出矩阵Φi内的故障类型与已知故障矩阵Y内的故障类型全部相同，则执行步骤b.10；
步骤b.8、对卷积分量进行如下计算：N＝N+1；
步骤b.9、把输出矩阵Φi转变成输入矩阵X，执行步骤b.3至步骤b.7；
步骤b.10、确定卷积分量的数量N的取值与各比例因子
Figure FDA00034726609900000912
的数值，并构建出卷积神经网络专家系统；
步骤c、数据采集
通过设置在轴带电机及变频模块处的传感器实时采集所需数据，并传输至基于卷积神经网络专家系统，包括：第一温度传感器采集变频模块的温度t1；第一交流电压传感器采集轴带电机的三相电压Uu、Uv、Uw；第一交流电流传感器采集轴带电机的三相电流Iu、Iv、Iw；第二温度传感器采集轴带电机驱动端轴承温度t2；第三温度传感器采集轴带电机三相绕组温度tu、tv、tw；第四温度传感器采集轴带电机非驱动端轴承温度t3；转速传感器采集轴带电机的输出转速n，轴带推进机构控制模块根据公式f＝np2/60计算轴带电机的频率f，式中，p2为轴带电机的极对数；
步骤d、通过卷积神经网络专家系统对步骤c所采集的数据进行分析处理：
步骤d.1、初始化卷积神经网络专家系统执行次数j＝0；
步骤d.2、构建卷积神经网络专家系统的输入矩阵X：X＝[t1 Uu Uv Uw … Iw n]；
步骤d.3、采用步骤b构建的卷积神经网络专家系统对输入矩阵X进行分析；
步骤d.4、对卷积分量进行如下计算：j＝j+1；
步骤d.5、卷积神经网络专家系统判断j≤N是否成立；若成立，则把输出矩阵Φi转变成输入矩阵X，执行步骤d.3至步骤d.5；若不成立，卷积神经网络专家系统输出输出矩阵Φi；
步骤e、故障查询
轴带推进机构控制模块根据卷积神经网络专家系统的输出结果Φi，访问数据库；若在数据库内查询到相应故障，则将故障发送至故障显示模块显示，用于指导维修工人维修。
4.如权利要求3所述的一种直流组网的船舶混合动力推进系统的控制方法，其特征在于：所述轴带电机的故障检测方法的步骤e中，若在数据库内未查询到相应故障，则由专家人员对故障和相应故障的表现形式进行判断，若故障和相应故障的表现形式相匹配，则把故障和相应故障的表现形式纳入数据库，并将故障发送至故障显示模块显示，用于指导维修工人维修，同时更新卷积神经网络专家系统；若故障和相应故障的表现形式不匹配，则根据专家人员的经验，获得相应表现形式对应的故障，并纳入数据库，同时更新卷积神经网络专家系统。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN112783221A (zh) * 2021-01-15 2021-05-11 上海船舶研究设计院（中国船舶工业集团公司第六0四研究院） 船体的速度控制方法、装置以及电子设备
CN113928524B (zh) * 2021-10-21 2023-06-06 无锡赛思亿电气科技有限公司 柴油机直流组网电力推进系统的航速模式切换方法
CN114285018A (zh) * 2021-12-14 2022-04-05 陕西航空电气有限责任公司 一种提高配电可靠性的高压直流智能接触器控制方法
CN114962043B (zh) * 2021-12-16 2023-08-15 中国船舶集团有限公司第七一一研究所 用于柴油机的调速控制装置和船舶
CN117895708B (zh) * 2024-03-18 2024-05-14 中船赛思亿(无锡)电气科技有限公司 船舶轴带发电系统及方法

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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN104037799B (zh) * 2014-05-06 2016-04-06 北京赛思亿电气科技有限公司 一种船舶轴带发电系统及其控制方法
JP6263088B2 (ja) * 2014-05-30 2018-01-17 川崎重工業株式会社 移動体のハイブリッド推進システムおよびその制御方法
CN105035296B (zh) * 2015-08-11 2017-08-25 上海海事大学 混合动力电力推进船舶能源系统工作模式自动切换装置及方法
KR20180017568A (ko) * 2016-08-10 2018-02-21 대우조선해양 주식회사 선박의 하이브리드 발전 및 추진 시스템 및 방법
CN206255177U (zh) * 2016-12-06 2017-06-16 山西汾西重工有限责任公司 基于船舶直流组网的混合动力推进系统
CN109367750A (zh) * 2018-12-04 2019-02-22 上海振华重工(集团)股份有限公司 轴发电机控制系统以及船舶混合动力系统
CN109927872B (zh) * 2019-04-02 2020-04-28 山西汾西重工有限责任公司 船舶直流组网电力推进设备、系统及设备设计方法
CN110233520B (zh) * 2019-08-08 2019-11-05 上海雄程海洋工程股份有限公司 船舶直流组网的预充源电路及其系统以及两者的控制方法
CN111301655B (zh) * 2020-03-18 2021-03-05 无锡赛思亿电气科技有限公司 船舶电力推进与控制系统的监控控制与安全评估方法
CN111478307B (zh) * 2020-03-18 2020-12-11 无锡赛思亿电气科技有限公司 船舶直流组网电力系统及其运行和功率优化控制方法

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