JP5296753B2 - 舶用エンジン制御システム及び方法 - Google Patents

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Description

本発明は、舶用エンジンの制御システムに関し、特に舶用エンジンの回転数制御に関する。
舶用エンジン（主機）の制御では、設定された目標回転数と実回転数の差がなくなるようにＰＩＤ制御が行われる。しかし、荒天時には、プロペラが海面上に露出するプロペラレーシングが発生し、プロペラによる負荷トルクが急激に変化するため通常の天候の下での航行を想定したゲインによるＰＩＤ制御では、十分な応答性能が得られずオーバースピードによる機関の故障を招く恐れがある。このような問題に対しては、外乱によるプロペラ回転数の変動を予測してＰＩＤ制御のゲインを変更する構成が提案されている（特許文献１）。
特開平８−２００１３１号公報
しかし、燃費の改善と言う観点からは、特許文献１の構成においても、波浪などの外乱による回転数変化に対して依然応答遅れが存在し、無駄な燃料投入を行っている。
本発明は、上記問題に鑑みてなされたものであり、外乱に応じて回転数指令の補正を行い燃費の向上を図ることを課題としている。
本発明の舶用エンジン制御システムは、回転数指令および実回転数から主機の回転数を一定にするガバナ指令を演算する制御演算部と、ガバナ指令と実回転数から外乱による所定の物理量の変動を推定するオブザーバと、所定の物理量の変動に応じて回転数指令を補正する回転数指令補正手段とを備たことを特徴としている。
回転数指令補正手段は、例えば所定の物理量の変動に所定のゲインを掛けた値を補正値として回転数指令に加算する。また、このとき補正値の位相を主機および制御演算部の遅れに応じて遅らせて回転数指令に加算することでより適切な回転数指令の補正を行うことができる。
所定の物理量の振幅の大きさに応じて上記補正値を修正することで、荒天時における回転数指令を下方修正し、荒天時のプロペラレーシングの発生を防止できる。このとき例えば振幅にゲインを掛けた値を上記補正値から差し引いたものを回転数指令に加算する。上記物理量には、例えばプロペラ流入速度や負荷トルクが含まれる。
本発明の船舶は、上記舶用エンジン制御システムを備えたことを特徴としている。
本発明の舶用エンジン制御方法は、回転数指令および実回転数から主機の回転数を一定にするガバナ指令を演算し、オブザーバを用いてガバナ指令と実回転数から外乱による所定の物理量の変動を推定し、所定の物理量の変動に応じて回転数指令を補正することを特徴としている。
本発明によれば、外乱に応じて回転数指令の補正を行い燃費の向上を図ることができる。
本発明の実施形態である舶用エンジン制御システムの構成を示すブロック図である。 本実施形態の演算部の詳細な構成を示す制御ブロック図である。
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舶用エンジン制御システムの全体の構成を示すブロック図である。
本実施形態の舶用エンジン制御システム１０は、船体１１に設けられた主機１２の回転数を制御するもので、主機１２へ供給される燃料量はガバナ１３によって制御される。ガバナ１３は、回転数指令ＮＯと主軸１４の実回転数ＮＥに基づき算出されるガバナ制御装置１５からのガバナ指令によって制御される。なお、実回転数ＮＥは、主軸１４の回転数（角速度）を従来周知の方法で検出することにより求められる。
ガバナ制御装置１５は、補正演算部１６と制御演算部１７からなり、補正演算部１６は、ガバナ指令と実回転数ＮＥに基づき回転数指令ＮＯに対する補正値（回転数指令補正値）ｎを演算し、制御演算部１７は、回転数指令補正値ｎにより補正された回転数指令ＮＯ’と実回転数ＮＥに基づき制御演算を行う。そして制御演算部１７からの出力はガバナ指令としてガバナ１３へと出力される。なお、回転数指令ＮＯの補正は、回転数指令補正値ｎを回転数指令ＮＯに加算することで行われ、制御演算部１７では、補正回転数指令ＮＯ’（＝ＮＯ＋ｎ）と実回転数ＮＥの偏差ｅ（＝ＮＯ−ＮＥ＋ｎ）に対してＰＩＤ演算が行われる。
補正演算部１６は、オブザーバ１８と演算部１９を備える。オブザーバ１８は、船体１１、主機１２、ガバナ１３等を含む制御対象Ｓの状態観測器であり、ガバナ指令と実回転数ＮＥに基づいて波浪等の外乱に起因する所定の物理量（プロペラ流入速度や負荷トルクなど）の変動を推定する。演算部１９は、オブザーバ１８によって推定された物理量の変動に基づいて回転数指令補正値ｎを算出する。
次に図２の制御ブロック図を参照して本実施形態における演算部１９のより具体的な構成について説明する。
回転数指令補正値ｎは、基本的には推定された物理量（図２の例ではプロペラ流入速度）の変動にゲインＫを掛けることで得られる。しかし、実際の主機１２や制御演算部（ＰＩＤ）１７には応答遅れが存在するので、本実施形態ではこの応答遅れに合わせて補正値の位相を遅延する。すなわち、推定物理量（プロペラ流入速度ｍ／ｓ）の変動に対してブロック２０においてゲインＫを掛け、回転数（ｒｐｍ）に対応する補正値を算出し、その後算出された補正値の位相をブロック２１において主機１２および制御演算部（ＰＩＤ）１７の遅れに対応して遅らせる。
なお、応答遅れは、主機１２や制御演算部（ＰＩＤ）１７の特性により決定されるもので、予め実験や計算により求められる。また、例えばプロペラ流入速度の変動は、（プロペラ流入速度）−（船速）で求められる。なお船速Ｖは、オブザーバ１８で算出することも可能であるが、実測値が得られる場合には、実測された船速Ｖをオブザーバ１８に入力し、実回転数ＮＥ、船速Ｖ、ガバナ指令を用いてプロペラ流入速度や、その他の各物理量を算出してもよい。
また更に、本実施形態では、荒天時におけるプロペラレーシングによる過回転を防止するとともに燃費を改善するため、波浪状況に応じて回転数指令を自動で抑える構成が採用される。すなわち、本実施形態では、推定物理量（プロペラ流入速度ｍ／ｓ）の変動の振幅が抽出され、この振幅に基づいて、位相が遅延された補正値が更に修正され、回転数指令補正値ｎとされる。例えば、プロペラ流入速度（ｍ／ｓ）の振幅がブロック２２において抽出され、ブロック２３では抽出された振幅に所定のゲインＬが掛けられる。その後ブロック２３からの出力がブロック２１からの補正値から引かれて回転数指令補正値ｎとされる。すなわち、振幅が増大するに従って目標回転数は下げられる。
以上のように、本実施形態によれば、オブザーバにより外乱による物理量変動を推定し、これに基づき回転数指令を補正することで、ガバナ指令の変動が抑えられ、応答遅れに起因する燃費の悪化が防止される。特に本実施形態では、外乱に基づく物理量変動を実回転数、ガバナ指令に基づきオブザーバで推定し、これに基づき回転数指令を補正しているので、既存のガバナ制御システムに大幅な変更を加えることなく適用することができる。
また、本実施形態では、物理量変動に制御演算部および主機の応答遅れに応じた位相遅れを与えることでより効果的なタイミングでガバナ指令の変動を抑えることができる。
また本実施形態では、変動の振幅から海象の状態に合わせて回転数指令を自動的に変更でき（荒天時に回転数を下方修正）、プロペラレーシングによる過回転の発生を防止し燃費の悪化を抑えることができる。なお、振幅の変動に対応するために、振幅抽出ブロックの後にローパスフィルタを設けてもよい。これにより、例えば急にうねりの多い海域に入ったときなどに、数十分オーダーの変動に対して回転数指令を自動修正でき、手動での対応を行うことなく燃費の向上を図ることができる。
１０ 舶用エンジン制御システム
１１ 船体
１２ 主機
１３ ガバナ
１４ 主軸
１５ ガバナ制御装置
１６ 補正演算部
１７ 制御演算部（ＰＩＤ演算部）
１８ オブザーバ
１９ 演算部
２０ ゲインＫ演算ブロック
２１ 位相遅れ演算ブロック
２２ 振幅抽出ブロック
２３ ゲインＬ演算ブロック
Ｓ 制御対象

Claims (6)

  1. 回転数指令および実回転数から主機の回転数を一定にするガバナ指令を演算する制御演算部と、
    前記ガバナ指令と前記実回転数から、外乱によるプロペラ流入速度の変動量を推定するオブザーバと、
    前記変動量に所定のゲインを掛けた値を補正値として前記回転数指令に加算する回転数指令補正手段と
    を備えることを特徴とする舶用エンジン制御システム。
  2. 前記補正値の位相を前記主機および前記制御演算部の遅れに応じて遅らせて前記回転数指令に加算することを特徴とする請求項１に記載の舶用エンジン制御システム。
  3. 前記補正値は、前記変動の振幅が大きいほど前記回転数指令を下方修正することを特徴とする請求項１に記載の舶用エンジン制御システム。
  4. 前記振幅にゲインを掛けた値を前記補正値から差し引いて前記回転数指令に加算することを特徴とする請求項３に記載の舶用エンジン制御システム。
  5. 請求項１〜４の何れか一項に記載の舶用エンジン制御システムを備えることを特徴とする船舶。
  6. 回転数指令および実回転数から主機の回転数を一定にするガバナ指令を演算し、
    オブザーバを用いて前記ガバナ指令と前記実回転数から外乱によるプロペラ流入速度の変動量を推定し、
    前記変動量に所定のゲインを掛けた値を補正値として前記回転数指令に加算する
    ことを特徴とする舶用エンジン制御方法。
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