CN112373668A - 一种船舶自流冷却系统和动力系统的协同控制方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种船舶自流冷却系统和动力系统的协同控制方法及系统，方法包括：实时采集船舶的航速和动力系统中推进器的实际转速，获取自流冷却系统的当前冷却裕度；设定船舶航行加速过程中动力系统提升功率最小的安全裕度；根据等裕度控制策略，基于当前冷却裕度和安全裕度获取推进器的安全转速；判定输入的参考转速和实际转速差值的大小关系，并执行相应的安全转速控制状态、参考转速控制状态或者保持原控制状态。本发明针对采用自流冷却系统的船舶动力系统升功率过程中自流冷却系统的失效问题，定义和监测自流冷却系统的冷却裕度，采用等裕度控制策略，使得船舶船体航速、动力系统及自流冷却系统能够协同工作。

Description

一种船舶自流冷却系统和动力系统的协同控制方法及系统

技术领域

本发明涉及船舶动力系统控制的技术领域，具体涉及一种船舶自流冷却系统和动力系统的协同控制方法及系统。

背景技术

自流冷却是船舶必不可少的重要环节，自流冷却系统更是船舶动力系统重要的组成部分，支撑船舶动力系统的正常运行。冷却水系统是海水通流量大、管道口径大的船舶通海系统，运行过程中海水泵噪声较大，且具有很大的能源消耗，经济性不好。自流冷却系统是一种新型冷却水系统，利用正航时的动压，通过进水口装置让海水自行流过冷却器，从而不需要海水泵，可降低冷却水系统的噪声，提升动力系统的经济性，是船舶动力系统冷却水系统的重要发展方向。然而，自流冷却系统实际在一定船舶航速区范围内运行时，动力系统、船舶航速以及自流冷却系统是动态耦合的，升功率阶段三者工作状态将依次延迟滞后，即动力系统需先升功率才能推动船舶加速，船舶加速后自流冷却系统的冷却海水供给能力才会上升，该特征导致动力系统的冷却需求上升较快，船舶运动速度主导下自流冷却系统的冷却海水供给能力上升慢，相比之下，自流冷却系统所能提供的冷却海水流量不足，必须启动额外的水泵以增大冷却海水流量，最终导致设计航速区内自流冷却系统失效。因此，有必要研究一种船舶自流冷却系统和动力系统的协同控制方法及系统，来解决上述问题。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种船舶自流冷却系统和动力系统的协同控制方法及系统，能够在确保升功率过程中自流冷却系统持续有效，且能确保动力系统的升功率速度达到最佳。

为实现上述目的，按照本发明第一方面，提供一种一种船舶自流冷却系统和动力系统的协同控制方法，所述方法包括：

实时采集所述船舶的航速和动力系统中推进器的实际转速，获取所述自流冷却系统的当前冷却裕度；

设定所述船舶航行加速过程中所述动力系统提升功率最小的安全裕度；

根据等裕度控制策略，基于所述当前冷却裕度和安全裕度获取所述推进器的安全转速；

判定输入的参考转速和实际转速差值的大小关系，并执行相应的安全转速控制状态、参考转速控制状态或者保持原控制状态。

进一步地，所述实时采集所述船舶的航速和动力系统中推进器的实际转速，获取所述自流冷却系统的当前冷却裕度包括：

基于所述航速参数建立冷却海水的最大供给流量函数；

基于所述推进器的转速参数建立冷却海水的需求流量函数；

根据所述冷却海水的最大供给流量函数和需求流量函数建立所述自流冷却系统冷却裕度的量化函数；

实时采集所述船舶的航速和动力系统中推进器的实际转速，结合所述冷却裕度的量化函数，获取所述自流冷却系统的当前冷却裕度。

进一步地，所述自流冷却系统冷却裕度δ_real的量化函数为：

其中，所述v为航速，所述f(v)为航速v对应的冷却海水的最大供给流量函数，所述n_real为推进器的实际转速，所述g(n_real)为实际转速n_real对应的冷却海水的需求流量函数，η为安全裕度系数，所述η大于1。

进一步地，所述等裕度控制策略包括：

控制所述冷却裕度的超调量不超过预设的超调量阈值；并且，控制所述冷却裕度动态上升时间不超过预设的上升时间阈值。

进一步地，所述判定所述推进器输入的参考转速和实际转速差值的大小关系，并执行相应的安全转速控制状态、参考转速控制状态或者保持原控制状态包括：

获取所述推进器输入的参考转速n_ref和实际转速n_real差值Δn＝n_ref-n_real；

当Δn≥β时，执行安全转速控制状态；

当Δn≤α时，执行参考转速控制状态；

当α<Δn<β时，保持原控制状态；

其中，所述α为所述推进器额定转速的百分比，所述β＝2α。

进一步地，所述根据所述当前冷却裕度和安全裕度差值，获取所述推进器的安全转速；

所述执行安全转速控制状态包括：根据等裕度控制策略输出安全转速指令，所述推进器依所述安全转速指令进行工作；

所述执行参考转速控制状态包括：所述推进器直接依参考转速指令进行工作。

按照本发明第二方面，提供一种船舶自流冷却系统和动力系统的协同控制系统，所述方系统包括等裕度控制回路，所述等裕度控制回路包括依次连接的自流冷却系统、等裕度控制器、推进器转速控制器和动力系统；

所述自流冷却系统用于根据所述动力系统输出废热量在航行过程中执行自流冷却，并根据当前航速和动力系统中推进器的实际转速输出当前冷却裕度信号；

所述等裕度控制器用于根据所述当前冷却裕度和设定的安全裕度差值，输出所述推进器的安全转速信号；

所述推进器转速控制器用于根据所述安全转速信号输出燃油调节信号；

所述动力系统用于根据燃油调节信号调节燃油调节阀门，从而控制推进器的转速。

进一步地，所述系统还包括仲裁切换模块和信号切换开关；

所述仲裁切换模块用于根据参考转速信号和实际转速信号差值的大小关系，并输出第一控制指令、第二控制指令和第三控制指令；

所述信号切换开关接收第一控制指令后，开关切入等裕度控制回路，所述推进器转速控制器接收安全转速信号；所述信号切换开关接收第二控制指令后，开关切出等裕度控制回路，所述推进器转速控制器接收参考转速信号；所述信号切换开关接收第三控制指令后，开关维持原连接状态。

按照本发明第三方面，提供一种电子装置，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现如上所述的方法。

按照本发明第四方面，提供一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现如上所述的方法。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，具有以下有益效果：

本发明针对采用自流冷却系统的船舶动力系统升功率过程中自流冷却系统的失效问题，定义和监测自流冷却系统的冷却裕度，系统通过仲裁切换模块的作用，适时引入和切离自流冷却系统的等裕度控制器，使得船舶船体航速、动力系统及自流冷却系统能够协同工作，既能实现自流冷却系统在船舶动力系统升功率时能够持续有效，又能较好地保证动力系统最佳的升功率速度。

附图说明

图1为现有自流冷却系统结构示意图；

图2为按照本发明实现的一种船舶自流冷却系统和动力系统的协同控制系统结构示例图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

需要说明的是，本发明涉及的函数方程中符号“·”为运算符号表示前后两个常量或者向量的相乘，“-”为运算符号表示前后两个常量或者向量的相减，本发明中所有函数方程遵循数学的加减乘除运算法则。

需要说明的是，本发明涉及的术语“第一\第二”仅仅是区别类似的对象，不代表针对对象的特定排序，可以理解地，“第一\第二”在允许的情况下可以互换特定的顺序或先后次序。应该理解“第一\第二”区分的对象在适当情况下可以互换，以使这里描述的本发明的实施例能够以除了在这里描述或图示的那些以外的顺序实施。

众所周知，如图1所示，在船舶航行过程中，通过自流系统的冷却海水流量取决于船舶航速，随着船舶航速的增加，自流系统的冷却海水流量在增加，即冷却能力逐渐升高。动力系统运行工况直接影响冷却器的散热量，决定了冷却器所需要的冷却海水流量，即决定了动力系统的冷却需求。仅当自流系统的冷却能力不小于动力系统的冷却需求时，自流冷却系统才具有适用性。动力系统的运行工况同时也决定动力系统带动的推进器转速，推进器转速又直接影响船舶航速和自流冷却系统的冷却能力，故设计阶段通常以船舶航速作为标识参数，使得在船舶在一定航速区范围内自流冷却系统具备适用性。

然而，自流冷却系统实际在船舶对应航速区范围内运行时，动力系统、船舶航速、自流冷却系统三者是动态耦合的；在船舶动力系统提升功率阶段时，三者工作状态将依次延迟滞后，这是由于动力系统需先提升功率才能推动船舶加速，船舶加速后自流冷却系统的冷却海水供给能力由此提升，但提升功率也会导致动力系统的冷却需求上升较快；但船舶运动速度主导下自流冷却系统的冷却海水供给能力相较而言会滞后，由此自流冷却系统所能提供的冷却海水流量不足，必须启动额外的水泵以增大冷却海水流量，最终会导致在该航速区内自流冷却系统失效。而根据本发明一种具体的实施方式，提供了一种船舶自流冷却系统和动力系统的协同控制方法，使得船舶航速、动力系统及自流冷却系统三者能够协同工作，该方法包括以下步骤：

S1：实时采集船舶的航速和动力系统中推进器的实际转速，获取自流冷却系统的当前冷却裕度；

S2：设定船舶航行加速过程中动力系统提升功率最小的安全裕度；

S3：根据等裕度控制策略，基于当前冷却裕度和安全裕度获取推进器的安全转速；

S4：判定推进器输入的参考转速和实际转速差值的大小关系，并执行相应的安全转速控制状态、参考转速控制状态或者保持原控制状态。

具体地，步骤S1包括：

S101：基于航速参数建立冷却海水的最大供给流量函数f(v)；通过实验和数值模拟结合得到船舶航速v对应的自流冷却系统冷却海水供给流量的上限 f(v)；

S102：基于推进器的转速参数建立冷却海水的需求流量函数g(n_real)；通过实验和数值模拟结合得到推进器转速n_real对应的动力系统的冷却海水需求流量 g(n_real)的函数表达式；

S103：根据冷却海水的最大供给流量函数f(v)和需求流量函数建立自流冷却系统冷却裕度的量化函数g(n_real)建立所述自流冷却系统冷却裕度的量化函数δ_real。更具体地，自流冷却系统冷却裕度δ_real的量化函数为：

式(1)中，v为航速，f(v)为航速v对应的冷却海水的最大供给流量函数， n_real为推进器的实际转速，g(n_real)为实际转速n_real对应的冷却海水的需求流量函数，η为安全裕度系数，η大于1，用于增大安全裕度；更具体地，η的取值范围可为1.05～1.25，本实施例优选为1.1。

S104：实时采集船舶的航速v和动力系统中推进器的实际转速n_real，结合冷却裕度的量化函数(1)，获取自流冷却系统的当前冷却裕度，即将采集所得参数带入式(1)中计算出实时的冷却裕度δ_real。

具体地，步骤S2中，根据实际情况，预设船舶动力系统在升功率过程中允许的最小的安全裕度δ_ref；更具体地，δ_ref的取值范围可为10％～25％，本实施例优选为25％。

具体地，步骤S3中，将计算得到的冷却裕度δ_real和允许的最小的安全裕度δ_ref进行作差，将差值进行等裕度控制策略进行换算，获得安全转速n_safe；

更具体地，等裕度控制策略包括：

控制冷却裕度δ_real的超调量不超过预设的超调量阈值；且控制冷却裕度δ_real动态上升时间不超过预设的上升时间阈值。由该等裕度控制策略动态计算出相应的安全转速n_safe。

具体地，判定推进器输入的参考转速和实际转速差值的大小关系，并执行相应的安全转速控制状态、参考转速控制状态或者保持原控制状态包括：

获取推进器输入的参考转速n_ref和实际转速n_real差值Δn＝n_ref-n_real；

当Δn≥β时，执行安全转速控制状态；

当Δn≤α时，执行参考转速控制状态；

当α<Δn<β时，保持原控制状态；

其中，α为推进器额定转速的百分比，β＝2α。α的取值范围可为5％～10％，本实施例优选为6％。

具体地，执行安全转速控制状态包括：根据等裕度控制策略输出安全转速，推进器以安全转速进行工作；执行参考转速控制状态包括：推进器直接以输入的参考转速进行工作。

根据另一种具体的实施方式，如图2所示，提供一种船舶自流冷却系统和动力系统的协同控制系统，方系统包括等裕度控制回路，等裕度控制回路包括依次连接的自流冷却系统、等裕度控制器、推进器转速控制器和动力系统；

其中，自流冷却系统用于根据动力系统输出废热量在航行过程中执行自流冷却，并根据当前航速v和动力系统中推进器的实际转速n_real输出当前冷却裕度信号δ_real；具体地，如上所述建立自流冷却系统的冷却裕度δ_real量化函数(1)：

实时采集船舶的航速v和动力系统中推进器的实际转速n_real，结合冷却裕度的量化函数(1)，获取自流冷却系统的当前冷却裕度，即将采集所得参数带入式(1)中计算出实时的冷却裕度δ_real，并将冷却裕度δ_real信号进行输出；

其中，等裕度控制器C₁用于根据当前冷却裕度δ_real和设定的安全裕度δ_ref，根据等裕度控制策略输出推进器的安全转速n_safe信号；

具体地，等裕度控制器C₁执行的裕度控制策略包括：

控制冷却裕度δ_real的超调量不超过预设的超调量阈值；且控制冷却裕度δ_real动态上升时间不超过预设的上升时间阈值。

其中，推进器转速控制器C₂用于根据安全转速n_safe信号输出燃油调节k信号；

其中，动力系统用于根据燃油调节k信号调节燃油调节阀门，从而控制推进器的转速。

具体地，如图2所示，系统还包括仲裁切换模块和信号切换开关；

仲裁切换模块用于根据参考转速n_ref信号和实际转速n_real信号差值的大小关系，并输出第一控制指令、第二控制指令和第三控制指令；先获取推进器输入的参考转速n_ref和实际转速n_real差值Δn＝n_ref-n_real；

当Δn≥β时，仲裁切换模块输出第一控制指令，信号切换开关接收第一控制指令后，开关切入等裕度控制回路，推进器转速控制器C₂接收安全转速信号；

当Δn≤α时，仲裁切换模块输出第二控制指令，信号切换开关接收第二控制指令后，开关切出等裕度控制回路，推进器转速控制器C₂接收参考转速信号；

当α<Δn<β时，仲裁切换模块输出第三控制指令，信号切换开关接收第三控制指令后，开关维持原连接状态。

具体地，α为推进器额定转速的百分比，β＝2α。α的取值范围可为 5％～10％，优选为6％。

由此，动力系统的推进器根据推进器转速控制器C₂执行不同的转速，从而使船舶的船体以一定的航速v进行行驶。其中，初始升功率时，动力系统处于稳态运行状态，此时n_ref在控制回路中。这样，当推进器的参考转速和实际转速之差Δn较大时，将等裕度控制器C₁切入控制回路，否则，将等裕度控制器C₁切离，引入参考转速n_ref信号，这样就完成了采用自流冷却系统的船舶动力系统的升功率协同控制过程。

本发明基于上述实施方式还提供一种电子装置，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，处理器执行计算机程序时实现如上所述方法。

本发明基于上述实施方式还一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，计算机程序被处理器执行时实现如上所述方法。

应当理解，本发明的方法、结构图中或在此以其他方式描述的任何过程或方法描述可以被理解为，表示包括一个或更多个用于实现特定逻辑功能或过程的步骤的可执行指令的代码的模块、片段或部分，并且本发明的实施方式的范围包括另外的实现，其中可以不按所示出或讨论的顺序，包括根据所涉及的功能按基本同时的方式或按相反的顺序，来执行功能，这应被本发明的实施例所属技术领域的技术人员所理解。

应当理解，本发明的各部分可以用硬件、软件、固件或它们的组合来实现。在上述实施方式中，多个步骤或方法可以用存储在存储器中且由合适的指令执行系统执行的软件或固件来实现。例如，如果用硬件来实现，和在另一实施方式中一样，可用本领域公知的下列技术中的任一项或他们的组合来实现：具有用于对数据信号实现逻辑功能的逻辑门电路的离散逻辑电路，具有合适的组合逻辑门电路的专用集成电路，可编程门阵列(PGA)，现场可编程门阵列(FPGA) 等。

本技术领域的普通技术人员可以理解实现上述实施例方法携带的全部或部分步骤是可以通过程序来指令相关的硬件完成，所述的程序可以存储于一种计算机可读存储介质中，该程序在执行时，包括方法实施例的步骤之一或其组合。

此外，在本发明各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理模块中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个模块中。上述集成的模块既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能模块的形式实现。所述集成的模块如果以软件功能模块的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，也可以存储在一个计算机可读取存储介质中。

上述提到的存储介质可以是只读存储器，磁盘或光盘等。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。本发明的范围由所附权利要求及其等同限定。

Claims (10)

1.一种船舶自流冷却系统和动力系统的协同控制方法，其特征在于，所述方法包括：

实时采集所述船舶的航速和动力系统中推进器的实际转速，获取所述自流冷却系统的当前冷却裕度；

设定所述船舶航行加速过程中所述动力系统提升功率最小的安全裕度；

根据等裕度控制策略，基于所述当前冷却裕度和安全裕度获取所述推进器的安全转速；

判定输入的参考转速和实际转速差值的大小关系，并执行相应的安全转速控制状态、参考转速控制状态或者保持原控制状态。

2.根据权利要求1所述的船舶自流冷却系统和动力系统的协同控制方法，其特征在于，所述实时采集所述船舶的航速和动力系统中推进器的实际转速，获取所述自流冷却系统的当前冷却裕度包括：

基于所述航速参数建立冷却海水的最大供给流量函数；

基于所述推进器的转速参数建立冷却海水的需求流量函数；

根据所述冷却海水的最大供给流量函数和需求流量函数建立所述自流冷却系统冷却裕度的量化函数；

实时采集所述船舶的航速和动力系统中推进器的实际转速，结合所述冷却裕度的量化函数，获取所述自流冷却系统的当前冷却裕度。

3.根据权利要求2所述的船舶自流冷却系统和动力系统的协同控制方法，其特征在于，所述自流冷却系统冷却裕度δ_real的量化函数为：

其中，所述v为航速，所述f(v)为航速v对应的冷却海水的最大供给流量函数，所述n_real为推进器的实际转速，所述g(n_real)为实际转速n_real对应的冷却海水的需求流量函数，η为安全裕度系数，所述η大于1。

4.根据权利要求1所述的船舶自流冷却系统和动力系统的协同控制方法，其特征在于，所述等裕度控制策略包括：

控制所述冷却裕度的超调量不超过预设的超调量阈值；并且，控制所述冷却裕度动态上升时间不超过预设的上升时间阈值。

5.根据权利要求1所述的船舶自流冷却系统和动力系统的协同控制方法，其特征在于，所述判定所述推进器输入的参考转速和实际转速差值的大小关系，并执行相应的安全转速控制状态、参考转速控制状态或者保持原控制状态包括：

获取所述推进器输入的参考转速n_ref和实际转速n_real差值Δn＝n_ref-n_real；

当Δn≥β时，执行安全转速控制状态；

当Δn≤α时，执行参考转速控制状态；

当α<Δn<β时，保持原控制状态；

其中，所述α为所述推进器额定转速的百分比，所述β＝2α。

6.根据权利要求1所述的船舶自流冷却系统和动力系统的协同控制方法，其特征在于，所述根据所述当前冷却裕度和安全裕度差值，获取所述推进器的安全转速；

所述执行安全转速控制状态包括：根据等裕度控制策略输出安全转速指令，所述推进器依所述安全转速指令进行工作；

所述执行参考转速控制状态包括：所述推进器直接依参考转速指令进行工作。

7.一种船舶自流冷却系统和动力系统的协同控制系统，其特征在于，所述方系统包括等裕度控制回路，所述等裕度控制回路包括依次连接的自流冷却系统、等裕度控制器、推进器转速控制器和动力系统；

所述自流冷却系统用于根据所述动力系统输出废热量在航行过程中执行自流冷却，并根据当前航速和动力系统中推进器的实际转速输出当前冷却裕度信号；

所述等裕度控制器用于根据所述当前冷却裕度和设定的安全裕度差值，输出所述推进器的安全转速信号；

所述推进器转速控制器用于根据所述安全转速信号输出燃油调节信号；

所述动力系统用于根据燃油调节信号调节燃油调节阀门，从而控制推进器的转速。

8.根据权利要求7所述的船舶自流冷却系统和动力系统的协同控制系统，其特征在于，所述系统还包括仲裁切换模块和信号切换开关；

所述仲裁切换模块用于根据参考转速信号和实际转速信号差值的大小关系，并输出第一控制指令、第二控制指令和第三控制指令；

所述信号切换开关接收第一控制指令后，开关切入等裕度控制回路，所述推进器转速控制器接收安全转速信号；所述信号切换开关接收第二控制指令后，开关切出等裕度控制回路，所述推进器转速控制器接收参考转速信号；所述信号切换开关接收第三控制指令后，开关维持原连接状态。

9.一种电子装置，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述计算机程序时实现如权利要求1-6任一项所述的方法。

10.一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，所述计算机程序被处理器执行时实现如权利要求1-6任一项所述的方法。

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