CN114995115A - 用于气垫船机桨的匹配控制方法及装置 - Google Patents

用于气垫船机桨的匹配控制方法及装置 Download PDF

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CN114995115A CN202210570011.8A CN202210570011A CN114995115A CN 114995115 A CN114995115 A CN 114995115A CN 202210570011 A CN202210570011 A CN 202210570011A CN 114995115 A CN114995115 A CN 114995115A
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朱嵘嘉
吴晓奇
夏焱
严罡
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Abstract

本发明涉及一种用于气垫船机桨的匹配控制方法及装置，其包括如下步骤：步骤1、确定气垫船的当前运行状态与目标运行状态；步骤2、确建立在所述匹配控制限制条件下的目标控制函数，并确定最优控制目标值；步骤3、确定任一时刻的螺距角调节量与动力涡轮转速调节量；其中，在初始tk时刻，采用猜值增量法确定在所述tk时刻的螺距角调节量
Figure DDA0003659889730000012
与动力涡轮转速调节量Δnp(tk)；确定tk时刻的螺距角调节量
Figure DDA0003659889730000011
与动力涡轮转速调节量Δnp(tk)后，基于目标控制函数以及最优控制目标值下的迭代运算确定变距过程中任一时刻的螺距角调节量与动力涡轮转速调节量。本发明在保证气垫船的燃气轮机和空气变距桨正常工作情况下，达到最优机动性控制效果。

Description

用于气垫船机桨的匹配控制方法及装置
技术领域
本发明涉及一种匹配控制方法及装置，尤其是一种用于气垫船机桨的匹配控制方法及装置，具体为用于气垫船的燃气轮机与空气变距桨的匹配控制方法。
背景技术
气垫船通过空气垫将船体托离水面或地面而高速航行，具有阻力小、航速快、越障能力强、有效载大等多方面优点。气垫船以燃气轮机带动空气变距桨为主要推进形式，而加/减速性则是气垫船机动性的重要指标。
气垫船的加/减速性能，一方面取决于气垫船的燃气轮机、减速器、空气变距桨等系统部件自身的性能，另一方面合理选择各部件的运行参数，使其符合机桨匹配特性密切相关。
当气垫船按设定快速改变螺距角时，由于燃气轮机和空气变距桨的性能参数调节存在限制性，通常部件参数只在某一范围内才是适合、稳定的，如果离开此范围，控制质量和性能均会下降。如果机桨匹配不当，就可能出现轻桨或重桨现象，导致主机不能达到额定扭矩或额定转速，甚至可能出现超扭或超速情况，影响气垫船正常行驶。
发明内容
本发明的目的是克服现有技术中存在的不足，提供一种用于气垫船机桨的匹配控制方法及装置，其根据燃气轮机的输出功率、动力涡轮转速和空气变距桨螺距角确定螺距角控制量，在保证气垫船的燃气轮机和空气变距桨正常工作情况下，达到最优机动性控制效果。
按照本发明提供的技术方案，一种用于气垫船机桨的匹配控制方法，所述匹配控制方法包括如下步骤：
步骤1、确定气垫船的当前运行状态与目标运行状态，其中，根据当前运行状态，确定气垫船在当前运行状态下的螺距角实际值
Figure BDA0003659889710000011
以及动力涡轮转速实际值np；根据目标运行状态，确定与目标运行状态适配的螺距角目标值以及动力涡轮转速目标值；
步骤2、确定与气垫船工作特性相适配的匹配控制限制条件，根据上述确定的当前运行状态与目标运行状态，建立在所述匹配控制限制条件下的目标控制函数，并确定所述目标控制函数的最优控制目标值，其中，
控制气垫船由当前运行状态向目标运行状态切换时，对空气变距桨的螺距角以及燃气轮机的动力涡轮转速进行所需的调节，与所建立的目标控制函数适配；对空气变距桨的螺距角以及燃气轮机的动力涡轮转速进行所需的调节处于最优控制目标值时，燃气轮机的输出扭矩与空气变距桨的空气阻力匹配；
步骤3、根据上述建立的目标控制函数以及确定的最优控制目标值，确定任一时刻的螺距角调节量与动力涡轮转速调节量，以利用当前运行状态的螺距角实际值
Figure BDA0003659889710000021
动力涡轮转速实际值np以及所确定时刻的螺距角调节量与动力涡轮转速调节量生成相应的螺距角控制量u，利用生成的螺距角控制量u调节空气变距桨的螺距角，直至使得空气变距桨的螺距角与目标运行状态的螺距角目标值适配；
其中，在初始tk时刻，采用猜值增量法确定在所述tk时刻的螺距角调节量
Figure BDA0003659889710000022
与动力涡轮转速调节量Δnp(tk)；
确定tk时刻的螺距角调节量
Figure BDA0003659889710000023
与动力涡轮转速调节量Δnp(tk)后，基于目标控制函数以及最优控制目标值下的迭代运算确定变距过程中任一时刻的螺距角调节量与动力涡轮转速调节量。
步骤2中，所确定的匹配控制限制条件包括匹配控制第一限制条件、匹配控制第二限制条件以及匹配控制第三限制条件，其中，
匹配控制第一限制条件包括变距时间限制条件以及燃气轮机的燃机扭矩限制条件，其中，变距时间限制条件为气垫船由当前运行状态切换至目标运行状态过程中与螺距角目标值适配的最小变距时间
Figure BDA0003659889710000024
燃机扭矩限制条件为在最小变距时间
Figure BDA0003659889710000025
内，ωt<ωmax，ωt为燃气轮机的燃机扭矩，ωmax为燃气轮机的最大允许扭矩；
匹配控制第二限制条件包括涡轮转速超调量限制条件，其中，所述涡轮转速超调量限制条件为：在最小变距时间
Figure BDA0003659889710000026
内，
Figure BDA0003659889710000027
Figure BDA0003659889710000028
为燃气轮机的动力涡轮转速超调量，
Figure BDA0003659889710000029
为燃气轮机的动力涡轮转速最大允许超调量；
匹配控制第三限制条件包括燃气轮机功率变化限制条件，其中，所述燃气轮机功率变化限制条件为：在最小变距时间
Figure BDA00036598897100000210
内，ΔPt<ΔPt_max，ΔPt为燃气轮机的功率变化值，ΔPt_max为燃气轮机所允许的功率变化最大值。
步骤2中，建立的目标控制函数Q以及最优控制目标值Qmax分别为：
Figure BDA00036598897100000211
其中，G为调节曲线拟合函数，
Figure BDA00036598897100000212
为螺距角最优控制量，
Figure BDA00036598897100000213
为燃气轮机的最优燃机扭矩，
Figure BDA00036598897100000214
β1为最大允许超扭系数，β2为转速最大允许超调系数，β3为转速最大允许增速率系数。
步骤3中，采用猜值增量法确定在tk时刻的螺距角调节量
Figure BDA00036598897100000215
与动力涡轮转速调节量Δnp(tk)时，建立猜值增量法方程组，则有：
Figure BDA0003659889710000031
其中，ε1、ε2为猜值增量法的精度阈值，g为表征螺距角实际值
Figure BDA0003659889710000032
动力涡轮转速实际值np与燃气轮机的最优燃机扭矩
Figure BDA0003659889710000033
关系的非线性函数；
配置螺距角给定值
Figure BDA0003659889710000034
以及动力涡轮转速给定值n′p，当猜值增量法方程组的稳态解满足精度阈值ε1以及精度阈值ε1后，则有
Figure BDA0003659889710000035
Δnp(tk)＝n′p-np。
利用迭代运算确定变距过程中任一时刻的螺距角调节量与动力涡轮转速调节量时，对tk时刻的下一时刻的迭代运算，包括如下步骤：
步骤100、构建迭代运算关系式，则有：
Figure BDA0003659889710000036
步骤110、对tk时刻，则有：
Figure BDA0003659889710000037
z2＝Δnp(tk)；
步骤120、对tk+1时刻，则有
Figure BDA0003659889710000038
其中，
Figure BDA0003659889710000039
即得到tk+1时刻的螺距角调节量
Figure BDA00036598897100000310
与动力涡轮转速调节量Δnp(tk+1)。
猜值增量法的精度阈值ε1与猜值增量法的精度阈值ε2均为趋于0的值。
一种用于气垫船机桨的匹配控制装置，用于执行上的匹配控制方法。
用于气垫船机桨的匹配控制装置，包括
燃机转速传感器，用于获取燃气轮机的动力涡轮转速实际值np；
螺距角传感器，用于获取空气变距桨的螺距角实际值
Figure BDA00036598897100000311
匹配控制器，确定与气垫船工作特性相适配的匹配控制限制条件，建立在所述匹配控制限制条件下的目标控制函数，并确定所述目标控制函数的最优控制目标值，根据上述建立的目标控制函数以及确定的最优控制目标值，确定任一时刻的螺距角调节量与动力涡轮转速调节量；
螺距控制模块，利用当前运行状态的螺距角实际值
Figure BDA00036598897100000312
动力涡轮转速实际值np以及所确定时刻的螺距角调节量与动力涡轮转速调节量生成相应的螺距角控制量u。
还包括执行机构，所述执行机构接收螺距控制模块生成的螺距角控制量u，根据所接收的螺距角控制量u对空气变距桨进行相应的调节与控制，以调节空气变距桨的螺距角。
本发明的优点：建立在所述匹配控制限制条件下的目标控制函数，并确定所述目标控制函数的最优控制目标值；根据上述建立的目标控制函数以及确定的最优控制目标值，确定任一时刻的螺距角调节量与动力涡轮转速调节量，以利用当前运行状态的螺距角实际值、动力涡轮转速实际值以及所确定时刻的螺距角调节量与动力涡轮转速调节量生成相应的螺距角控制量，利用生成的螺距角控制量调节空气变距桨的螺距角，直至使得空气变距桨的螺距角与目标运行状态的螺距角目标值适配；即根据燃气轮机的输出功率、动力涡轮转速和空气变距桨螺距角确定螺距角控制量，在保证气垫船的燃气轮机和空气变距桨正常工作情况下，达到最优机动性控制效果
附图说明
图1为本发明匹配控制的系统框图。
具体实施方式
下面结合具体附图和实施例对本发明作进一步说明。
如图1所示：在保证气垫船的燃气轮机和空气变距桨正常工作情况下，为了达到最优机动性控制效果，本发明用于气垫船机桨的匹配控制方法，具体地，所述匹配控制方法包括如下步骤：
步骤1、确定气垫船的当前运行状态与目标运行状态，其中，根据当前运行状态，确定气垫船在当前运行状态下的螺距角实际值
Figure BDA0003659889710000043
以及动力涡轮转速实际值np；根据目标运行状态，确定与目标运行状态适配的螺距角目标值以及动力涡轮转速目标值；
具体地，气垫船的当前运行状态即气垫船当前所处的工作状态；气垫船的目标运行状态，具体是指气垫船期望运行的工作状态，如工作时加速/减速后相对应的运行状态，气垫船的目标运行状态可以根据实际工作场景确定，目标运行状态的具体情况以能满足实际的工作场景为准。
对气垫船的当前运行状态，可以采用本技术领域常用的技术手段确定在当前运行状态下的螺距角实际值
Figure BDA0003659889710000041
以及动力涡轮转速实际值np；如可以通过螺距角传感器获取确定螺距角实际值
Figure BDA0003659889710000042
通过燃机转速传感器获取动力涡轮转速实际值np。
对于气垫船的目标运行状态，可以采用本技术领域常用的技术手段确定与目标运行状态适配的螺距角目标值以及动力涡轮转速目标值，即在目标运行状态确定后，即可得到气垫船在目标运行状态下的螺距角目标值在以及动力涡轮转速目标值，具体确定螺距角目标值以及动力涡轮转速目标值的方式以及过程均为本技术领域人员所熟知，此处不再赘述。
步骤2、确定与气垫船工作特性相适配的匹配控制限制条件，根据上述确定的当前运行状态与目标运行状态，建立在所述匹配控制限制条件下的目标控制函数，并确定所述目标控制函数的最优控制目标值，其中，
控制气垫船由当前运行状态向目标运行状态切换时，对空气变距桨的螺距角以及燃气轮机的动力涡轮转速进行所需的调节，与所建立的目标控制函数适配；对空气变距桨的螺距角以及燃气轮机的动力涡轮转速进行所需的调节处于最优控制目标值时，燃气轮机的输出扭矩与空气变距桨的空气阻力匹配；
具体地，由上述说明可知，当确定气垫船的目标运行状态后，需要使得气垫船切换并进入所述目标运行状态。本技术领域人员可知，气垫船是通过改变空气变距桨的桨叶角度和桨叶转速来改变推力的大小和方向，这种改变使得空气阻力发生变化，并通过传动轴传递到燃气轮机，使得燃气轮机的负载发生变化。
本技术领域人员可知，对于任一气垫船，均存在一条燃气轮机的动力涡轮转速和空气变距桨的螺距角之间的最优调节曲线，在所述最优调节曲线，对应燃气轮机的最大输出扭矩与空气变距桨产生的空气阻力基本相等。因此，在气垫船确定后，所述气垫船对应的最优调节曲线随之确定，具体为本技术领域人员所熟知，此处不再赘述。
气垫船的工作特性，具体是指气垫船工作时的工作特性参数，如对于燃气轮机工作时的特性参数等，具体与气垫船的工作性能等相关。具体地，所确定的匹配控制限制条件包括匹配控制第一限制条件、匹配控制第二限制条件以及匹配控制第三限制条件，其中，
匹配控制第一限制条件包括变距时间限制条件以及燃气轮机的燃机扭矩限制条件，其中，变距时间限制条件为气垫船由当前运行状态切换至目标运行状态过程中与螺距角目标值适配的最小变距时间
Figure BDA0003659889710000051
燃机扭矩限制条件为在最小变距时间
Figure BDA0003659889710000052
内，ωt<ωmax，ωt为燃气轮机的燃机扭矩，ωmax为燃气轮机的最大允许扭矩；
匹配控制第二限制条件包括涡轮转速超调量限制条件，其中，所述涡轮转速超调量限制条件为：在最小变距时间
Figure BDA0003659889710000053
内，
Figure BDA0003659889710000054
Figure BDA0003659889710000055
为燃气轮机的动力涡轮转速超调量，
Figure BDA0003659889710000056
为燃气轮机的动力涡轮转速最大允许超调量；
匹配控制第三限制条件包括燃气轮机功率变化限制条件，其中，所述燃气轮机功率变化限制条件为：在最小变距时间
Figure BDA0003659889710000057
内，ΔPt<ΔPt_max，ΔPt为燃气轮机的功率变化值，ΔPt_max为燃气轮机所允许的功率变化最大值。
本发明实施例中，气垫船由当前运行状态切换至目标运行状态过程中与螺距角目标值适配的最小变距时间
Figure BDA0003659889710000058
即需要在最小变距时间
Figure BDA0003659889710000059
内，需要使得气垫船由当前运行状态完全进入目标运行状态，所述最小变距时间
Figure BDA0003659889710000061
与气垫船的当前运行状态的螺距角实际值
Figure BDA0003659889710000062
与目标运行状态螺距角目标值的具体情况相关，一般地，最小变距时间
Figure BDA0003659889710000063
可以为根据当前运行状态的螺距角实际值
Figure BDA0003659889710000064
与目标运行状态螺距角目标值选择的一经验值，所述选择的经验值需要大于气垫船设计的最低允许变距时间，具体以能满足运行状态切换的需求为准，为本技术领域人员所熟知，此处不再赘述。
由上述说明可知，对确定的气垫船，所述气垫船的燃气轮机工作特性随之确定，因此，可以得到燃气轮机的最大允许扭矩ωmax、燃气轮机的动力涡轮转速最大允许超调量
Figure BDA0003659889710000065
以及燃气轮机所允许的功率变化最大值ΔPt_max，从而可确定得到所需的匹配控制第二限制条件以及匹配控制第三限制条件。
由上述说明可知，满足匹配控制第一限制条件、匹配控制第二限制条件以及匹配控制第三限制条件下，切换控制气垫船的工作运行状态时，不会影响气垫船的正常行驶，确保整个运行状态切换控制过程平稳。
进一步地，建立的目标控制函数Q以及最优控制目标值Qmax分别为：
Figure BDA0003659889710000066
其中，G为调节曲线拟合函数，
Figure BDA0003659889710000067
为螺距角最优控制量，
Figure BDA0003659889710000068
为燃气轮机的最优燃机扭矩，
Figure BDA0003659889710000069
β1为最大允许超扭系数，β2为转速最大允许超调系数，β3为转速最大允许增速率系数。
本发明实施例中，调节曲线拟合函数G即为拟合气垫船的最优调节曲线的函数。由上述说明可知，对于一确定的气垫船，所述气垫船的最优调节曲线可明确得到，从而，可以采用本技术领域常用的技术手段得到所需的调节曲线拟合函数G，具体确定调节曲线拟合函数G的具体方式可以根据实际需要选择，以能有效实现对最优调节曲线的拟合为准。一般地，调节曲线拟合函数G为非线性函数。
对目标控制函数Q，即
Figure BDA00036598897100000610
具体是指在最小变距时间
Figure BDA00036598897100000611
燃气轮机的动力涡轮转速超调量
Figure BDA00036598897100000612
以及燃气轮机的功率变化值ΔPt相应的限制条件下，确定螺距角控制量u以及燃气轮机的燃机扭矩ωt的目标控制状态，此时，使得目标控制函数Q能接近最优调节曲线上的调节状态，所述接近即为相同或者差值位于一个允许的区间范围内，所述允许的区间范围可以根据实际需要选择，以能满足实际的应用需求为准。
最优控制目标值Qmax，由上述说明可知，即燃气轮机的输出扭矩与空气变距桨的空气阻力匹配的状态，燃气轮机的输出扭矩与空气变距桨的空气阻力匹配，具体是指所述输出扭矩与空气阻力相一致，或者两者的差值位于一个允许的范围内，所述允许的范围可以根据实际需要选择，以能满足实际的应用需求为准。同理，对于最优控制目标值Qmax，即在最小变距时间
Figure BDA0003659889710000071
Figure BDA0003659889710000072
以及
Figure BDA0003659889710000073
限制条件下，确定螺距角最优控制量
Figure BDA0003659889710000074
以及燃气轮机的最优燃机扭矩
Figure BDA0003659889710000075
具体实施时，最大允许超扭系数β1可取0.95；转速最大允许超调系数β2、转速最大允许增速率系数β3可按燃气轮机的相关工作额定参数设置，此处不再赘述。
步骤3、根据上述建立的目标控制函数以及确定的最优控制目标值，确定任一时刻的螺距角调节量与动力涡轮转速调节量，以利用当前运行状态的螺距角实际值
Figure BDA0003659889710000076
动力涡轮转速实际值np以及所确定时刻的螺距角调节量与动力涡轮转速调节量生成相应的螺距角控制量u，利用生成的螺距角控制量u调节空气变距桨的螺距角，直至使得空气变距桨的螺距角与目标运行状态的螺距角目标值适配；
其中，在初始tk时刻，采用猜值增量法确定在所述tk时刻的螺距角调节量
Figure BDA0003659889710000077
与动力涡轮转速调节量Δnp(tk)；
确定tk时刻的螺距角调节量
Figure BDA0003659889710000078
与动力涡轮转速调节量Δnp(tk)后，基于目标控制函数以及最优控制目标值下的迭代运算确定变距过程中任一时刻的螺距角调节量与动力涡轮转速调节量。
具体地，采用猜值增量法确定在tk时刻的螺距角调节量
Figure BDA0003659889710000079
与动力涡轮转速调节量Δnp(tk)时，建立猜值增量法方程组，则有：
Figure BDA00036598897100000710
其中，ε1、ε2为猜值增量法的精度阈值，g为表征螺距角实际值
Figure BDA00036598897100000711
动力涡轮转速实际值np与燃气轮机的最优燃机扭矩
Figure BDA00036598897100000712
关系的非线性函数；
配置螺距角给定值
Figure BDA00036598897100000717
以及动力涡轮转速给定值n′p，当猜值增量法方程组的稳态解满足精度阈值ε1以及精度阈值ε1后，则有
Figure BDA00036598897100000713
Δnp(tk)＝n′p-np。
本发明实施例中，tk时刻即为进行猜值增量法的时刻，一般即为控制气垫船由当前运行状态切换至目标运行状态的时刻。
本技术领域人员可知，对螺距角控制量u，具体有：
Figure BDA00036598897100000714
其中，f为非线性函数，
Figure BDA00036598897100000715
为螺距角实际值，
Figure BDA00036598897100000716
为螺距角给定值，np为动力涡轮转速实际值，n′p为动力涡轮转速给定值，Pt为燃气轮机的输出功率。
燃气轮机的输出功率Pt和空气变距桨的螺距角之间的拟合关系为：
Figure BDA0003659889710000081
其中，η为减速器效率，Sp为空气变距桨的转速，a0、a1、a2、a3、a4分别为相应的常系数。输出功率Pt和空气变距桨的螺距角之间的拟合关系，具体与现有相一致，为本技术领域人员所熟知，此处不再赘述。
空气变距桨的转速Sp和燃气轮机的动力涡轮转速关系为：
Sp＝λnp
其中，λ为减速器减速比。
燃气轮机的燃机扭矩的拟合公式为：
Figure BDA0003659889710000082
其中，γ1、γ2、γ3、γ4为已知拟合参数。
由上述拟合关系可知：在拟合区间内，燃气轮机的输出功率Pt和空气变距桨的螺距角、燃气轮机的动力涡轮转速均呈近似的三次方关系。由上述关系式，可得：
Figure BDA0003659889710000083
其中，非线性函数g可以根据上述拟合关系具体确定得到，具体为本技术领域人员所熟知。
根据上述说明可知，具体实施时，匹配控制的目标控制点定义燃气轮机的动力涡轮转速和螺距角控制的最优解。而动力涡轮转速、螺距角与目标控制点的关系为非线性的隐式关系，存在多个耦合变参量，无法直接获取方程的解析解，因此，采用猜值增量法(Newton-Raphsion法)来求出在一定精度意义下的局部最优解，
本发明实施例中，采用猜值增量法时，需要构建猜值增量法方程组，其中，求解猜值增量法方程组，可归结为求使猜值增量法方程组中满足ε1、ε2时最小值解。具体实施时，猜值增量法的精度阈值ε1与猜值增量法的精度阈值ε2均为趋于0的值，其中，猜值增量法的精度阈值ε1与猜值增量法的精度阈值ε2可为小于10-6数量级的数值即可。
具体实施时，Newton-Raphsion法是本领域比较常规的解非线性隐式方程的方法，即在限制条件约束范围内，不断修正2个猜值：螺距角和动力涡轮转速，使得上述猜值增量法方程组满ε1、ε2。修正后的猜值，即为配置的螺距角给定值
Figure BDA0003659889710000084
以及动力涡轮转速给定值n′p。具体利用猜值增量法配置得到螺距角给定值
Figure BDA0003659889710000085
以及动力涡轮转速给定值n′p的方式以及过程与现有相一致，具体为本技术领域人员所熟知，此处不再赘述。
在得到螺距角给定值
Figure BDA0003659889710000086
以及动力涡轮转速给定值n′p后，即可确定螺距角调节量
Figure BDA0003659889710000087
与动力涡轮转速调节量Δnp(tk)，具体为：有
Figure BDA0003659889710000088
Δnp(tk)＝n′p-np。
本发明实施例中，在通过猜值增量法确定tk时刻的螺距角调节量
Figure BDA0003659889710000091
与动力涡轮转速调节量Δnp(tk)，即确定匹配控制的初始值，因此，后续可以采用迭代运算方式确定变距过程中任一时刻的螺距角调节量与动力涡轮转速调节量。下面对采用迭代运算确定变距过程中下一时刻的螺距角调节量与动力涡轮转速调节量的过程进行具体说明。
进一步地，利用迭代运算确定变距过程中任一时刻的螺距角调节量与动力涡轮转速调节量时，对tk时刻的下一时刻的迭代运算，包括如下步骤：
步骤100、构建迭代运算关系式，则有：
Figure BDA0003659889710000092
步骤110、对tk时刻，则有：
Figure BDA0003659889710000093
z2＝Δnp(tk)；
步骤120、对tk+1时刻，则有
Figure BDA0003659889710000094
其中，
Figure BDA0003659889710000095
即得到tk+1时刻的螺距角调节量
Figure BDA0003659889710000096
与动力涡轮转速调节量Δnp(tk+1)。
Δzj为控制步长，如可设置为10ms，一般可根据实际需要选择，以能满足实际的调节控制为准。具体实施时，由燃气轮机的特性可知，Hi应在全局范围内连续的，如存在不可求导的点，可用前一时刻的偏导数替代，即步骤120始终是可运算的，最终能得到tk+1时刻的螺距角调节量
Figure BDA0003659889710000097
与动力涡轮转速调节量Δnp(tk+1)，具体计算过程此处不再赘述。
对于tk+2时刻，具体可以参考tk时刻与tk+1时刻的关系，采用相同的迭代计算即可得到tk+2时刻的螺距角调节量
Figure BDA0003659889710000098
与动力涡轮转速调节量Δnp(tk+2)。其余情况依次类推，此处不再一一列举说明。
具体实施时，由上述螺距角控制量u的关系式可知，根据当前运行状态的螺距角实际值
Figure BDA0003659889710000099
动力涡轮转速实际值np以及所确定时刻的螺距角调节量与动力涡轮转速调节量生成相应的螺距角控制量u，具体可以参考上述说明，此处不再赘述。
本发明实施例中，空气变距桨的螺距角与目标运行状态的螺距角目标值适配，具体是指空气变距桨的螺距角实际值
Figure BDA0003659889710000101
与螺距角目标值相相同，或者，螺距角实际值
Figure BDA0003659889710000102
与螺距角目标值之间的差值位于一个允许的范围内，所述允许的范围，具体可以根据实际选择，以能满足对空气变距桨的螺距角控制为准，此处不再赘述。
综上，为了实现上述匹配控制方法，本发明还包括用于气垫船机桨的匹配控制装置，其中，利用所述用于气垫船机桨的匹配控制装置，可用于执行上述的匹配控制方法。
具体实施时，用于气垫船机桨的匹配控制装置，包括
燃机转速传感器，用于获取燃气轮机的动力涡轮转速实际值np；
螺距角传感器，用于获取空气变距桨的螺距角实际值
Figure BDA0003659889710000103
匹配控制器，确定与气垫船工作特性相适配的匹配控制限制条件，建立在所述匹配控制限制条件下的目标控制函数，并确定所述目标控制函数的最优控制目标值，根据上述建立的目标控制函数以及确定的最优控制目标值，确定任一时刻的螺距角调节量与动力涡轮转速调节量；
螺距控制模块，利用当前运行状态的螺距角实际值
Figure BDA0003659889710000104
动力涡轮转速实际值np以及所确定时刻的螺距角调节量与动力涡轮转速调节量生成相应的螺距角控制量u。
本发明实施例中，通过燃机转速传感器，可以获取燃气轮机的动力涡轮转速实际值np；通过螺距角传感器，可以获取空气变距桨的螺距角实际值
Figure BDA0003659889710000105
燃机转速传感器以及螺距角传感器，具体可以采用现有常用的形式，以能满足对的动力涡轮转速实际值np、螺距角实际值
Figure BDA0003659889710000106
的获取为准，此处不再赘述。匹配控制器、螺距控制模块具体可以采用现有常用的形式，具体以能实现上述工作为准，此处不再赘述。图1中，燃机转速传感器、螺距角传感器以及匹配控制器未具体示出。
如图1所示，还包括执行机构，所述执行机构接收螺距控制模块生成的螺距角控制量u，根据所接收的螺距角控制量u对空气变距桨进行相应的调节与控制，以调节空气变距桨的螺距角。
本发明实施例中，执行机构可为现有用于调节空气变距桨螺距角的执行驱动形式，具体可以根据实际需要选择，其中，执行机构接收螺距角控制量u，并根据接收的螺距角控制量u对空气变距桨进行相应的调节与控制，以调节空气变距桨的螺距角。执行机构具体驱动调节空气变距桨螺距角的形式，可与现有相一致，以能满足调节空气变距桨螺距角的目的为准。

Claims (9)

1.一种用于气垫船机桨的匹配控制方法，其特征是，所述匹配控制方法包括如下步骤：
步骤1、确定气垫船的当前运行状态与目标运行状态，其中，根据当前运行状态，确定气垫船在当前运行状态下的螺距角实际值
Figure FDA0003659889700000011
以及动力涡轮转速实际值np；根据目标运行状态，确定与目标运行状态适配的螺距角目标值以及动力涡轮转速目标值；
步骤2、确定与气垫船工作特性相适配的匹配控制限制条件，根据上述确定的当前运行状态与目标运行状态，建立在所述匹配控制限制条件下的目标控制函数，并确定所述目标控制函数的最优控制目标值，其中，
控制气垫船由当前运行状态向目标运行状态切换时，对空气变距桨的螺距角以及燃气轮机的动力涡轮转速进行所需的调节，与所建立的目标控制函数适配；对空气变距桨的螺距角以及燃气轮机的动力涡轮转速进行所需的调节处于最优控制目标值时，燃气轮机的输出扭矩与空气变距桨的空气阻力匹配；
步骤3、根据上述建立的目标控制函数以及确定的最优控制目标值，确定任一时刻的螺距角调节量与动力涡轮转速调节量，以利用当前运行状态的螺距角实际值
Figure FDA0003659889700000012
动力涡轮转速实际值np以及所确定时刻的螺距角调节量与动力涡轮转速调节量生成相应的螺距角控制量u，利用生成的螺距角控制量u调节空气变距桨的螺距角，直至使得空气变距桨的螺距角与目标运行状态的螺距角目标值适配；
其中，在初始tk时刻，采用猜值增量法确定在所述tk时刻的螺距角调节量
Figure FDA0003659889700000013
与动力涡轮转速调节量Δnp(tk)；
确定tk时刻的螺距角调节量
Figure FDA0003659889700000014
与动力涡轮转速调节量Δnp(tk)后，基于目标控制函数以及最优控制目标值下的迭代运算确定变距过程中任一时刻的螺距角调节量与动力涡轮转速调节量。
2.根据权利要求1所述的用于气垫船机桨的匹配控制方法，其特征是，步骤2中，所确定的匹配控制限制条件包括匹配控制第一限制条件、匹配控制第二限制条件以及匹配控制第三限制条件，其中，
匹配控制第一限制条件包括变距时间限制条件以及燃气轮机的燃机扭矩限制条件，其中，变距时间限制条件为气垫船由当前运行状态切换至目标运行状态过程中与螺距角目标值适配的最小变距时间
Figure FDA0003659889700000015
燃机扭矩限制条件为在最小变距时间
Figure FDA0003659889700000016
内，ωt<ωmax，ωt为燃气轮机的燃机扭矩，ωmax为燃气轮机的最大允许扭矩；
匹配控制第二限制条件包括涡轮转速超调量限制条件，其中，所述涡轮转速超调量限制条件为：在最小变距时间
Figure FDA0003659889700000017
内，
Figure FDA0003659889700000018
Figure FDA0003659889700000019
为燃气轮机的动力涡轮转速超调量，
Figure FDA0003659889700000021
为燃气轮机的动力涡轮转速最大允许超调量；
匹配控制第三限制条件包括燃气轮机功率变化限制条件，其中，所述燃气轮机功率变化限制条件为：在最小变距时间
Figure FDA0003659889700000022
内，ΔPt<ΔPt_max，ΔPt为燃气轮机的功率变化值，ΔPt_max为燃气轮机所允许的功率变化最大值。
3.根据权利要求2所述的用于气垫船机桨的匹配控制方法，其特征是，步骤2中，建立的目标控制函数Q以及最优控制目标值Qmax分别为：
Figure FDA0003659889700000023
其中，G为调节曲线拟合函数，
Figure FDA0003659889700000024
为螺距角最优控制量，
Figure FDA0003659889700000025
为燃气轮机的最优燃机扭矩，
Figure FDA0003659889700000026
β1为最大允许超扭系数，β2为转速最大允许超调系数，β3为转速最大允许增速率系数。
4.根据权利要求3所述的用于气垫船机桨的匹配控制方法，其特征是，步骤3中，采用猜值增量法确定在tk时刻的螺距角调节量
Figure FDA0003659889700000027
与动力涡轮转速调节量Δnp(tk)时，建立猜值增量法方程组，则有：
Figure FDA0003659889700000028
其中，ε1、ε2为猜值增量法的精度阈值，g为表征螺距角实际值
Figure FDA0003659889700000029
动力涡轮转速实际值np与燃气轮机的最优燃机扭矩
Figure FDA00036598897000000210
关系的非线性函数；
配置螺距角给定值
Figure FDA00036598897000000211
以及动力涡轮转速给定值n′p，当猜值增量法方程组的稳态解满足精度阈值ε1以及精度阈值ε1后，则有
Figure FDA00036598897000000212
Δnp(tk)＝n′p-np。
5.根据权利要求4所述的用于气垫船机桨的匹配控制方法，其特征是，利用迭代运算确定变距过程中任一时刻的螺距角调节量与动力涡轮转速调节量时，对tk时刻的下一时刻的迭代运算，包括如下步骤：
步骤100、构建迭代运算关系式，则有：
Figure FDA00036598897000000213
步骤110、对tk时刻，则有：
Figure FDA00036598897000000214
z2＝Δnp(tk)；
步骤120、对tk+1时刻，则有
Figure FDA0003659889700000031
其中，
Figure FDA0003659889700000032
即得到tk+1时刻的螺距角调节量
Figure FDA0003659889700000033
与动力涡轮转速调节量Δnp(tk+1)。
6.根据权利要求4或5所述的用于气垫船机桨的匹配控制方法，其特征是，猜值增量法的精度阈值ε1与猜值增量法的精度阈值ε2均为趋于0的值。
7.一种用于气垫船机桨的匹配控制装置，特征是：用于执行上述权利要求1～权利要求6任一项的匹配控制方法。
8.根据权利要求7所述的用于气垫船机桨的匹配控制装置，特征是，包括
燃机转速传感器，用于获取燃气轮机的动力涡轮转速实际值np；
螺距角传感器，用于获取空气变距桨的螺距角实际值
Figure FDA0003659889700000034
匹配控制器，确定与气垫船工作特性相适配的匹配控制限制条件，建立在所述匹配控制限制条件下的目标控制函数，并确定所述目标控制函数的最优控制目标值，根据上述建立的目标控制函数以及确定的最优控制目标值，确定任一时刻的螺距角调节量与动力涡轮转速调节量；
螺距控制模块，利用当前运行状态的螺距角实际值
Figure FDA0003659889700000035
动力涡轮转速实际值np以及所确定时刻的螺距角调节量与动力涡轮转速调节量生成相应的螺距角控制量u。
9.根据权利要求8所述的用于气垫船机桨的匹配控制装置，特征是，还包括执行机构，所述执行机构接收螺距控制模块生成的螺距角控制量u，根据所接收的螺距角控制量u对空气变距桨进行相应的调节与控制，以调节空气变距桨的螺距角。
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