JP4898935B2 - エンジン制御装置および方法 - Google Patents

Description

本発明は、制御量を一定の目標値に維持するためＰＩＤ制御を行うエンジン制御装置に関し、特に負荷が変動する環境で使用されるエンジンのガバナ装置に関する。

例えば船舶では、プロペラ回転数（主機回転数）を一定に維持する回転数一定制御が広く採用される。すなわち船舶主機のガバナ制御では、ＰＩＤ制御により実回転数が目標回転数に維持される。またガバナ制御では、主機の過回転を防止し、過大な負荷が掛かることを防止するため、フューエルインデックス（燃料供給量）を制限し、燃料供給量の上限を規制するリミッタが設けられる（特許文献１）。

特開２００９−１９１７７４号公報

しかし、回転数などの制御量を一定にする制御では、負荷変動に対して実回転数（制御量）が目標値を中心に変動する。したがって、操作量であるフューエルインデックス（燃料供給量）やエンジン出力がこれを打ち消すために大きく変動し、負荷変動が繰り返される環境の下では燃費が悪化する。

本発明は、負荷変動に操作量を追従させながらも操作量の変動を抑制し、エンジン出力の変動を抑えて燃費の向上を図ることを目的としている。

本発明のエンジン制御装置は、制御量を一定の目標値に維持する制御を行うＰＩＤ演算部を備えるエンジン制御装置であって、ＰＩＤ演算部において、Ｉ演算部からの出力のみに対して第１上限リミッタが設けられたことを特徴としている。

目標値の変更に合わせた適正な制御を実現するには、例えば目標値に基づいて第１上限リミッタの上限値を算出する上限値算出手段を備える。このとき第１上限リミッタの上限値は、例えば制御量と制御における操作量とに基づいて算出される。

エンジンは例えば船舶の主機であって、制御量はエンジンの回転速度であり、操作量はフューエルインデックスである。また、海象の変化に合わせて適正な制御を実現するには、回転速度およびフューエルインデックスの値から船舶の現在の負荷抵抗係数が求められ、この負荷抵抗係数の変動幅に基づいて第１上限リミッタの上限値が求められてもよい。

更に、エンジン制御装置は、例えばＰＩＤ演算部から出力される操作量の上限を規制する第２上限リミッタを備え、第２上限リミッタの上限値は、例えば平水状態における船舶の負荷抵抗係数と目標回転速度とから算出される。第１上限リミッタの上限値は、例えば第２上限リミッタの上限値から負荷抵抗係数の変動幅に基づく値を差し引いた値として求められる。

本発明の船舶は、上記エンジン制御装置を主機のガバナとして用いたことを特徴としている。

また本発明のエンジン制御方法は、制御量を一定の目標値に維持する制御を行うためのＰＩＤ演算を行い、ＰＩＤ演算におけるＩ演算からの出力を、上限リミッタを通してＰＩＤ演算のＰ演算の出力およびＤ演算の出力と足し合わせて制御の操作量としたことを特徴としている。

また、エンジン制御方法は、制御量を一定の目標値に維持する制御を行うためのＰＩＤ演算部と、ＰＩＤ演算部から出力される操作量の上限値を規制する上限リミッタとを備え、上限リミッタの上限値が、制御における出力に負荷変動が与えられないときに目標値が維持される操作量の値に設定されたことを特徴としている。

本発明によれば、負荷変動に操作量を追従させながらも操作量の変動を抑制し、エンジン出力の変動を抑えて燃費の向上を図ることができる。

本実施形態のエンジン制御装置の構成を示すブロック図である。 負荷抵抗係数の変動に対する回転速度制御方式、フューエルインデックス制限方式、積分成分制限方式における各物理量の変動を示すグラフである。

以下、本発明の実施形態について添付図面を参照して説明する。
図１は、本発明の一実施形態であるエンジン制御装置の構成を示す制御ブロック図である。

本実施形態において、エンジン１０は船舶の主機であり、そのシャフト（図示せず）は例えば推進用のプロペラ（図示せず）に直接または減速機を介して連結される。本制御システムでは、目標回転数（目標値）Ｎｏが制御指令として与えられ、計測されたエンジン１０の実回転数（制御量）Ｎｅがフィードバックされる。すなわち目標回転数と実回転数の偏差（Ｎｏ−Ｎｅ）がＰＩＤ演算部１１に入力される。なお、実回転数Ｎｅは、例えば図示しないセンサによりエンジンシャフトの回転数を計測することにより得られる。

ＰＩＤ演算部１１に入力された、回転数偏差（Ｎｏ−Ｎｅ）はＰ演算部１２、Ｉ演算部１３、Ｄ演算部１４に入力され、それぞれ比例、積分、微分演算が施される。Ｐ演算部１２、Ｉ演算部１３、Ｄ演算部１４からの出力Ｐｏ、Ｉｏ、Ｄｏは、全て加算されてＰＩＤ演算部１１からフューエルインデックスＦＩとして出力されるが、本実施形態では、Ｉ演算部１３の出力Ｉｏのみ第１上限リミッタ１５を介した後、Ｐ演算部１２、Ｄ演算部１４の出力Ｐｏ、Ｄｏと加算される。その後、フューエルインデックスＦＩは、第２上限リミッタ１６を介してフューエルインデックス（操作量）ＦＩｅとしてエンジン１０に出力される。

本実施形態において、リミッタ（第１上限リミッタ）１５における上限値Ｉｍ、リミッタ（第２上限リミッタ）１６における上限値ＦＩｍは、上限値演算部１７において算出され、上限値演算部１７からの出力により上限リミッタ１５、１６における上限値Ｉｍ、ＦＩｍがそれぞれ設定される。ここで、フューエルインデックスＦＩの第２上限値ＦＩｍは、目標回転数Ｎｏと後述する負荷抵抗係数Ｒの代表値Ｒｒから算出され、Ｉ演算部１３からの出力Ｉｏの上限値Ｉｍは、目標回転数Ｎｏ、代表負荷抵抗係数Ｒｒの他、負荷抵抗係数Ｒの変動成分の実効値（ＲＭＳ）Ｒσから算出される（後述）。

ここで、負荷抵抗係数Ｒの変動成分の実効値Ｒσは、後述するようにＲ演算部１８において実回転数Ｎｅと実フューエルインデックスＦＩｅから算出される。一方、代表負荷抵抗係数Ｒｒは、マニュアルで設定される値であり、後述するように変更が行われるまでメモリ（不図示）等に保持されている。

次に、負荷抵抗係数Ｒの意味および本実施形態における負荷抵抗係数Ｒに基づく上限値Ｉｍ、ＦＩｍの設定方法について説明する。なお以下の説明では、回転速度（回転数）Ｎ、出力Ｐｗ、トルクＱ、フューエルインデックスＦＩの値をエンジンの連続最大定格（ＭＣＲ）のときに１００％となる百分率［％］で示す。

プロペラ法則によれば、出力Ｐｗ［％］は、回転速度（回転数）Ｎ［％］の３乗に比例し、
Ｐｗ＝Ｒ・（Ｎ／１００）^３ （１）
と表される。ここでＲは、海象に依存する係数［％］であり、本明細書ではこの係数Ｒを負荷抵抗係数と呼ぶ。なお、Ｒ［％］は、平水状態（波風がない穏やかな状態）を航行中のときの平均値が１００％となる。

一方、トルクＱ［％］、出力Ｐｗ［％］、回転速度Ｎ［％］の間には、
Ｑ＝Ｐｗ／（Ｎ／１００） （２）
の関係があるので、トルクＱは、負荷抵抗係数Ｒを用いると
Ｑ＝Ｒ・（Ｎ／１００）^２ （３）
と表される。

更に、ガバナ制御においてフューエルインデックスＦＩ［％］は、トルクＱ［％］に等しい（ＦＩ＝Ｑ）と見なせるので（３）式から、
ＦＩ＝Ｒ・（Ｎ／１００）^２ （４）
が得られる。

したがって、実フューエルインデックスＦＩｅ［％］、実回転速度Ｎｅ[％]を（４）式に代入することにより現在の負荷抵抗係数Ｒｅの値が、
Ｒｅ＝ＦＩｅ／（Ｎｅ／１００）^２ （５）
として求められる。

本実施形態において、フューエルインデックスＦＩの上限値ＦＩｍは、平水状態（波風がない穏やかな状態）での負荷抵抗係数Ｒの値（１００％）を代表負荷抵抗係数Ｒｒとして、目標回転数Ｎｏと（４）式から、
ＦＩｍ＝Ｒｒ・（Ｎｏ／１００）^２ （６）
として与えられる。なお、平水状態における負荷抵抗係数Ｒの値は経時的に変化（増大）するためメンテナンス時など、定期的にその設定値が変更される。

また、本実施形態において、積分演算部１３の出力Ｉｏの上限値Ｉｍは、
Ｉｍ＝ＦＩｍ−Ｋ・Ｒσ （７）
として求められる。ここでＫは、シミュレーションや実験で決定される定数である。また、負荷抵抗係数Ｒｅの変動成分の実効値であるＲσ（負荷抵抗係数の標準偏差）は、
Ｒσ＝（Ｒ_ｒｍｓ ^２−Ｒ_ａｖ ^２）^１／２ （８）
Ｒ_ｒｍｓ＝［（∫（Ｒｅ（ｔ））^２ｄｔ）／Ｔ］^１／２
として求められる。ここで、Ｒ_ｒｍｓはＲｅの実効値であり、積分は例えば過去の期間Ｔ（ｔ１〜ｔ２）に亘るものである（ｔ２は例えば現時点に対応）。また、Ｒ_ａｖは、負荷抵抗係数Ｒｅ（ｔ）の期間Ｔ（ｔ１〜ｔ２）に亘る平均値であり、期間Ｔとしては、例えば変動（波浪）の周期よりも長い時間が選択される。また期間Ｔは、現在の海象を代表するＲ_ａｖが得られる時間であればよいので、例えば数十秒から１時間程度の時間が選択される。しかし、期間Ｔはこれよりも長くともよく、波浪の周期が短い場合には、これよりも短い周期を選択することも可能である。

なお、本実施形態では、上限リミッタ１５、１６の上限値ＦＩｍ、Ｉｍを（６）式、（７）式を用いて求めたが、上限値ＦＩｍ、Ｉｍの値は、別の方法で設定されてもよい。また（７）式において上限値Ｉｍは、負荷抵抗係数Ｒｅの値に応じて変更されるが、目標回転数Ｎｏのみから決定される構成であってもよい。例えば、Ｉｍに（６）式を用い、ＦＩｍにこれよりも大きな値を設定することも可能である。例えばＦＩｍとして過回転、過負荷等に対応した値を設定することも可能である。また、上限値Ｉｍは、エンジンが許容される最大トルクに相当する値よりも小さく、例えば通常の負荷変動に対する出力Ｉｏの変動の最大値よりも小さい値に設定される。

次に図２を参照して、Ｉ演算部の出力Ｉｏにのみ上限リミッタを用いた場合の作用・効果について説明する。

図２には、異なる３つの制御方式（Ａ）〜（Ｃ）において、負荷抵抗係数Ｒｅが図２（ｄ）のように変動したときの各制御方式（Ａ）〜（Ｃ）における（ａ）回転数変動、（ｂ）フューエルインデックスの変動、（ｃ）出力変動をシミュレートしたときの結果が示される。ここで３つの制御方式は、それぞれ（Ａ）回転速度（回転数）を一定とする従来の回転速度制御方式、（Ｂ）上限リミッタ１５を設けず、上限リミッタ１６によりフューエルインデックスＦＩのみを上限値８１［％］（後述）に制限するフューエルインデックス制限方式、（Ｃ）上限リミッタ１６を設けず、上限リミッタ１５によってＩ演算部の出力Ｉｏのみを上限値８１［％］（後述）に制限する積分成分制限方式である。

各制御方式（Ａ）〜（Ｃ）に対して与えられた負荷抵抗係数Ｒｅの変動は図２（ｄ）に示されるように同一である（符号Ａ４、Ｂ４、Ｃ４）。また、図２のグラフにおいて、横軸（時間軸）０〜１００秒の範囲に回転速度制御方式（Ａ）における各変動［％］が示され、１００〜２００秒の範囲にフューエルインデックス制限方式（Ｂ）、２００〜３００秒の範囲に積分成分制限方式（Ｃ）における各物理量の変動［％］が示される。

図２（ｄ）に示されるように、想定される負荷抵抗係数Ｒｅは、平水状態における値(Ｒｅ＝１００［％］)よりも全体として高い値であり、例えば船体が向かい風の中、波浪による影響を受けて航行する状態に対応する。負荷抵抗係数Ｒｅには、約１０秒周期の短い周期の変動と、約１００秒を周期とする長い周期の変動が含まれる。また、図２の例では、何れの制御方式（Ａ）〜（Ｃ）においても、目標回転速度（回転数）Ｎｏは９０［％］に設定される。すなわち、上述された制御方式（Ｂ）、（Ｃ）における上限値ＦＩｍ、Ｉｍの８１［％］の値は、平水状態においてＮｏ＝９０［％］としたときのフューエルインデックスの値であり、（６）式から得られる。

回転速度制御方式（Ａ）では、負荷抵抗係数Ｒｅの短周期および長周期の変動に応じてフューエルインデックスＦＩｅが大きく変動し（符号Ａ２）、回転速度からは長周期の変動が略相殺される（符号Ａ１）。しかし、回転速度において短周期の変動の影響は残り、目標値である９０［％］を中心に短周期の変動に対応して変動する（符号Ａ１）。したがって、出力Ｐｗ（＝ＦＩｅ・（Ｎｅ／１００））は、負荷抵抗係数の長周期および短周期の変動に合わせて変動し（符号Ａ３）、その値は全体的に、平水状態を目標値Ｎｏ＝９０［％］で航行する場合の出力（Ｐｗｏ）７２．９（＝ＦＩｍ・（Ｎｏ／１００））［％］よりも高い。

一方、フューエルインデックス制限方式（Ｂ）では、フューエルインデックスは上限値がＦＩｍ＝８１［％］に制限される（符合Ｂ２）。したがって、負荷抵抗係数が増大し、回転速度を９０［％］に維持するにはフューエルインデックスを８１［％］よりも高くする必要がある領域では、図２（ｂ）に示されるように、フューエルインデックスが８１［％］に抑えられる（符合Ｂ２）。これにより、負荷抵抗係数が１００［％］を超えて変動する領域では、回転速度は負荷抵抗係数の変動に略逆相関する形で変動し、その全体は目標回転速度Ｎｏ（９０［％］）よりも低くなり、短周期の変動の振幅も拡大される（符号Ｂ１）。しかし、回転速度の上側ピーク値は、回転速度制御方式（Ａ）のときより低い値（約９１［％］）に抑えられる（符合Ｂ１）。また、出力Ｐｗは、Ｐｗｏ（７２．９［％］）よりも僅かに低い値を中心に変動する（符号Ｂ３）。すなわち、フューエルインデックス制限方式（Ｂ）での出力Ｐｗは、回転速度制御方式（Ａ）に比べ低減される。

次に積分成分制限方式（Ｃ）では、ＰＩＤ演算における比例成分出力Ｐｏ、積分成分出力Ｉｏ、微分成分出力Ｄｏの内の積分成分（Ｉ）の上限のみが上限値Ｉｍ（８１［％］）に制限される。したがって、長周期の変動に追従するフューエルインデックスの上昇が上限値Ｉｍによって規制される。しかし、比例成分出力Ｐｏおよび微分成分出力Ｄｏについては回転速度制御方式（Ａ）と同様なので、フューエルインデックスは短周期の変動には追従する（符号Ｃ２）。このとき、回転速度の長周期および短周期の変動はともに、フューエルインデックス制限方式（Ｂ）のときに比べ小さくなり、目標値Ｎｏからの全体的な回転速度の低下も小さくなる。更に、回転速度の上側ピーク値は、フューエルインデックス制限方式（Ｂ）と略同じ値（約９１［％］）にまで低減される（符号Ｃ１）。また、出力Ｐｗは、Ｐｗｏ（７２．９［％］）よりも僅かに高い値を中心に殆ど変動しない（符号Ｃ３）。すなわち、積分成分制限方式（Ｃ）での出力Ｐｗの変動は、回転速度制御方式（Ａ）やフューエルインデックス制限方式（Ｂ）に比べ大幅に低減される（符号Ｃ３）。

以上の３つの制御方式（Ａ）〜（Ｃ）を比べると、回転速度制御方式（Ａ）では、回転速度の上側ピーク値が中、回転速度の変動幅が中、フューエルインデックスの変動幅が大、出力の変動幅が大である。

次にフューエルインデックス制限方式（Ｂ）では、回転速度の上側ピーク値が小、回転速度の変動幅が大、フューエルインデックスの変動幅が小、出力の変動幅が大である。

更に、積分成分制限方式（Ｃ）では、回転速度の上側ピーク値が小、回転速度の変動幅が中、フューエルインデックスの変動幅が中、出力の変動幅が小である。

以上のように、積分成分制限方式を採用した本実施形態では、短周期の波浪による負荷抵抗係数の変動（負荷変動）にフューエルインデックス（操作量）を追従させながらも長周期の波浪に対しては操作量の変動を抑制してエンジン出力の変動を抑えられる。これにより、燃焼効率が向上され、燃費が改善される。また、負荷変動にともなう回転速度変動の上側ピーク値を抑えることで回転速度の上昇を抑え、エンジンに掛かる負荷を低減することができる。

更に本実施形態では、各リミッタにおける上限値が、目標回転速度の値に応じて自動的に変更されるので、設定された目標回転速度に適したガバナ制御を常に行うことができる。また、本実施形態では、ＰＩＤ演算のＩ演算部の出力にのみ設けられたリミッタの上限値が負荷抵抗係数の値に応じて自動的に変更されるので、より海象の変化に適応したガバナ制御を行うことができる。すなわち、負荷変動の変動幅が大きい海象では、Ｉ演算部の出力の上限値がより低く抑えられる。

また、本実施形態では実回転数、実フューエルインデックスから負荷抵抗係数を求めているため新たな構成を設けることなく、海象の状態を計量化して積分成分の上限リミッタを適正に設定・変更することが可能になる。

なお、回転速度の上側ピークを下げるとともにフューエルインデックスの変動幅を抑えることで出力の平均を下げ、燃費の改善を図ると言う点では、上限リミッタ１６の上限値ＦＩｍを（６）式で設定するフューエルインデックス制限方式（Ｂ）のみでも一定の効果がある。すなわち操作量の上限リミッタの上限値を、制御系に負荷変動が与えられないときに出力が目標値に維持される操作量の値に設定する場合にも一定の効果がある。また、本実施形態では負荷抵抗係数の変動成分の実効値を、負荷抵抗係数の変動幅を評価する指標としたが、実効値以外の指標を用いることも可能である。

また、本実施形態では船舶の主機を例に説明を行ったが、自動車や航空機など他の乗り物における速度一定制御（オートクルーズ機能など）や回転数一定制御においても本発明を利用することができる。

例えば自動車において速度一定制御を行う場合、無風状態における水平走行で目標速度（目標値）Ｖｏを得るのに必要なフューエルインデックス（操作量）ＦＩを上限値ＦＩｍ（あるいはＩｍ）とする。また、実速度Ｖｅと実フューエルインデックスＦＩｅから車両の負荷抵抗を算出し、その変動幅に基づいて上限値Ｉｍの値を変更することができる。

１０ エンジン
１１ ＰＩＤ演算部
１２ Ｐ演算部
１３ Ｉ演算部
１４ Ｄ演算部
１５ 上限リミッタ
１６ 上限リミッタ
１７ 上限値演算部
１８ Ｒ演算部

Claims (7)

1. 主機の回転速度を一定の目標値に維持する制御を行うＰＩＤ演算部を備える船舶のエンジン制御装置であって、前記ＰＩＤ演算部において、Ｉ演算部からの出力に対してのみ第１上限リミッタが設けられ、制御量である前記回転速度および操作量であるフューエルインデックスの値から前記船舶の現在の負荷抵抗係数を求め、前記負荷抵抗係数の変動幅と前記目標値から前記第１上限リミッタの上限値を算出する上限値算出手段を備えることを特徴とするエンジン制御装置。
2. 主機の回転速度を一定の目標値に維持する制御を行うＰＩＤ演算部を備える船舶のエンジン制御装置であって、前記ＰＩＤ演算部において、Ｉ演算部からの出力に対してのみ第１上限リミッタが設けられ、制御量である前記回転速度および操作量であるフューエルインデックスの値に基づき平水状態における前記船舶の代表負荷抵抗係数を求め、前記代表負荷抵抗係数および前記目標値から前記第１上限リミッタの上限値を算出する上限値算出手段を備えることを特徴とするエンジン制御装置。
3. 前記エンジン制御装置が、前記ＰＩＤ演算部から出力される操作量の上限を規制する第２上限リミッタを備え、前記第２上限リミッタの上限値が平水状態における前記船舶の負荷抵抗係数と目標回転速度とから算出されることを特徴とする請求項１に記載のエンジン制御装置。
4. 前記第１上限リミッタの上限値が、前記第２上限リミッタの上限値から前記変動幅に基づく値を差し引いた値であることを特徴とする請求項３に記載のエンジン制御装置。
5. 前記エンジン制御装置が、前記ＰＩＤ演算部から出力される操作量の上限を規制する第２上限リミッタを備えることを特徴とする請求項１に記載のエンジン制御装置。
6. 請求項１〜５の何れか一項に記載のエンジン制御装置を備えることを特徴とする船舶。
7. 主機の回転速度を一定の目標値に維持する制御を行うためＰＩＤ演算を行う船舶のエンジン制御方法であって、前記ＰＩＤ演算において、Ｉ演算部からの出力に対してのみ第１上限リミッタを設け、前記回転速度およびフューエルインデックスの値から前記船舶の現在の負荷抵抗係数を求め、前記負荷抵抗係数の変動幅と前記目標値から前記第１上限リミッタの上限値を算出することを特徴とするエンジン制御方法。

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