JP7296438B2 - 船舶推進システム、船舶の推進制御方法、及び船舶の推進制御プログラム - Google Patents

Description

ここに開示された技術は、船舶推進システム、船舶の推進制御方法、及び、船舶の推進制御プログラムに関する。

特許文献１には、可変ピッチプロペラを備えた船舶が開示されている。

特表２００５－５２６６６５

ところで、可変ピッチプロペラを備えた船舶は、燃費若しくは加速性能改善など様々な用途に応じて、適切な運行を行うために、翼角を適宜変更している。

しかしながら、船舶の運航時に翼角が変更された場合、その変更の際の過渡期間において船速が不安定になる虞がある。

ここに開示された技術は、かかる点に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、翼角が変更される過渡期間において船速を安定化させることにある。

ここに開示された船舶推進システムは、駆動力を発生する主機と、前記主機の駆動力によって回転する可変ピッチプロペラと、前記主機の回転速度及び前記可変ピッチプロペラの翼角を制御する制御装置とを備え、前記制御装置は、前記回転速度及び前記翼角に基づいて前記可変ピッチプロペラの推進出力の推定値を推定する推定部と、前記翼角を変更する際に、前記翼角の変更中の前記推定値が一定になるように前記回転速度及び前記翼角を制御する運転制御部とを有する。

ここに開示された船舶の推進制御方法は、駆動力を発生する主機と前記主機からの駆動力によって回転する可変ピッチプロペラとを備えた船舶の推進制御方法であって、前記主機の回転速度及び前記可変ピッチプロペラの翼角に基づいて前記可変ピッチプロペラの推進出力の推定値を推定することと、前記翼角を変更する際に、前記翼角の変更中の前記推定値が一定になるように前記回転速度及び前記翼角を制御することとを含む。

ここに開示された船舶の推進制御プログラムは、駆動力を発生する主機と前記主機からの駆動力によって回転する可変ピッチプロペラとを備えた船舶の推進制御プログラムであって、コンピュータに、前記主機の回転速度及び前記可変ピッチプロペラの翼角に基づいて前記可変ピッチプロペラの推進出力の推定値を推定することと、前記翼角を変更する際に、前記翼角の変更中の前記推定値が一定になるように前記回転速度及び前記翼角を制御することとを実行させる。

前記船舶推進システムによれば、可変ピッチプロペラの翼角を変更する際の過渡期間において、船速を安定化させることができる。

前記推進制御方法によれば、可変ピッチプロペラの翼角を変更する際の過渡期間において、船速を安定化させることができる。

前記推進制御プログラムによれば、可変ピッチプロペラの翼角を変更する際の過渡期間において、船速を安定化させることができる。

図１は、船舶推進システムの概略構成を示す模式図である。 図２は、制御装置のハードウェア構成を示す概略的なブロック図である。 図３は、制御装置の機能ブロック図である。 図４は、プロペラの回転速度と推進出力によって規定される運転領域を示すグラフである。 図５は、運転モードが第１運転モードから第２運転モードに切り換えられる場合の推進制御のフローチャートである。 図６は、船舶推進システムの制御系を示すブロック線図である。 図７は、運転モードが第１運転モードから第２運転モードに切り換えられる場合の主機の回転速度、可変ピッチプロペラの推進出力、可変ピッチプロペラの翼角、及び船速を示したタイムチャートである。 図８は、運転モードが第２運転モードから第１運転モードに切り換えられる場合の推進制御のフローチャートである。

以下、例示的な実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。図１は、船舶推進システム１００の概略構成を示す図である。

船舶推進システム１００は、船舶を推進するためのシステムである。船舶推進システム１００は、駆動力を発生する主機３と、主機３の駆動力によって回転する可変ピッチプロペラ４と、主機３の回転速度及び可変ピッチプロペラ４の翼角とを制御する制御装置６とを備えている。船舶推進システム１００は、主機３の駆動力によって発電を行う電動発電機５をさらに備えていてもよい。

主機３は、例えば、ディーゼルエンジンである。主機３には、燃料供給器３１が設けられている。燃料供給器３１は、主機３に供給する燃料の単位時間当たりの供給量を変更することで、主機３の回転速度（詳しくは、主機３の出力軸３０の回転速度）を変更する。

主機３の出力軸３０は、減速装置２０を介して可変ピッチプロペラ４に接続されている。減速装置２０は、主機３の駆動力を減速して可変ピッチプロペラ４に伝達する。

可変ピッチプロペラ４は、船舶に推進出力を与える推進器である。可変ピッチプロペラ４は、主機３から減速装置２０を介して伝えられた駆動力によって回転し、推進出力を発生させる。可変ピッチプロペラ４の回転速度は、主機３の回転速度に応じて変化する。

可変ピッチプロペラ４は、可変ピッチプロペラ４の翼角（即ち、ピッチ角）を変更する翼角変更装置４１を有している。翼角変更装置４１は、例えば、可変ピッチプロペラ４の翼角を変更するための駆動力を発生させる油圧式又は電動式のアクチュエータを含んでいる。

電動発電機５は、電動動作及び発電動作を択一的に行う。電動発電機５は、減速装置２０を介して主機３に接続されている。さらに、電動発電機５は、減速装置２０を介して可変ピッチプロペラ４に接続されている。電動発電機５は、発電機の一例である。

電動発電機５は、いわゆる軸発電機である。即ち、電動発電機５は、発電動作をする場合には、主機３によって駆動され発電を行い得る。電動発電機５は、発電した電力を電力変換装置１３へ供給する。電動発電機５は、電力変換装置１３を介して船内母線１１に電気的に接続されている。尚、電動発電機５の発電量は、電力変換装置１３により制御される。

さらに、電動発電機５は、回生ブレーキとしても機能して発電を行う。詳しくは、可変ピッチプロペラ４の回転力は、減速装置２０を介して電動発電機５に伝達し得る。可変ピッチプロペラ４の回転力が減速装置２０を介して電動発電機５に伝わることによって、電動発電機５は駆動されて発電する。

一方、電動発電機５は、電動動作をする場合には、可変ピッチプロペラ４を回転させる駆動力を発生させる。電動発電機５の駆動力は、減速装置２０を介して可変ピッチプロペラ４に伝わる。船舶推進システム１００は、電動発電機５とは別の発電機である主発電機１０をさらに備えてもよい。電動発電機５は、主発電機１０からの電力によって電動機として動作する。例えば、主発電機１０は船内母線１１を介して電動発電機５に電気的に接続される。

つまり、可変ピッチプロペラ４は、主機３及び電動発電機５の一方又は双方からの駆動力によって回転し、推進出力を発生させる。可変ピッチプロペラ４の回転速度は、駆動源となる主機３及び電動発電機５の一方又は双方の出力に応じて変化する。

船舶推進システム１００は、操船装置１２をさらに備えてもよい。操船装置１２は、例えば、船体に設置される。操船装置１２は、ユーザからの操船の指令を受け付ける。操船装置１２が受け付ける指令は、例えば、運転モードに基づく運転の実行と停止、運転モードの切り換え、及び船速の変更等である。

船舶推進システム１００は、主機３の回転速度を検出する回転速度センサ３２をさらに備えている。

回転速度センサ３２は、例えば、主機３に設置され、主機３の出力軸３０の回転速度を検出する。尚、本開示において、「主機３の回転速度を検出する」ことには、主機３の回転速度を直接検出することは勿論、主機３の回転速度と相関性を有する、可変ピッチプロペラ４の回転速度を検出することを含む。

図２は、制御装置６のハードウェア構成を示す概略的なブロック図である。制御装置６は、船舶推進システム１００の全体を制御する。制御装置６は、制御部６０、メモリ６１及び記憶部６２を有している。

制御部６０は、記憶部６２からプログラムをメモリ６１に読み出して展開することによって、制御装置６の各種機能を実現する。制御部６０は、例えば、ＣＰＵ（Central Processing Unit）等のプロセッサから形成される。制御部６０は、ＭＣＵ（Micro Controller Unit）、ＭＰＵ（Micro Processor Unit）、ＦＰＧＡ（Field Programmable Gate Array）、ＰＬＣ（Programmable Logic Controller）、システムＬＳＩ（large scale integrated circuit）等から形成されてもよい。

記憶部６２は、制御部６０で実行されるプログラム及び各種データを記憶する。記憶部６２は、不揮発性メモリ、ＨＤＤ（Hard Disc Drive）又はＳＳＤ（Solid State Drive）等で形成される。例えば、記憶部６２は、推進制御プログラムを記憶している。メモリ６１は、データ等を一時的に記憶する。メモリ６１は、例えば、揮発性メモリで形成される。

制御装置６は、操船装置１２、燃料供給器３１、回転速度センサ３２、翼角変更装置４１、電動発電機５及び電力変換装置１３の各々と通信可能である。制御装置６には、操船装置１２で受け付けられた操船の指令が入力される。制御装置６には、回転速度センサ３２の検出結果が入力される。制御装置６は、燃料供給器３１、翼角変更装置４１、電動発電機５及び電力変換装置１３のそれぞれに指令を出力する。

具体的には、制御装置６は、船速が目標船速になるように、主機３及び可変ピッチプロペラ４を制御する。このとき、制御装置６は、複数の運転モードの中から選択された運転モードで、主機３及び可変ピッチプロペラ４を制御する。制御装置６は、運転モードの実行及び停止、運転モードの切り換え、並びに各運転モードにおける船速の変更を、例えば、操船装置１２から入力された指令に基づいて行う。

図３は、制御装置６の機能ブロック図である。制御装置６は、主機３の回転速度及び可変ピッチプロペラ４の翼角に基づいて可変ピッチプロペラ４の推進出力の推定値を推定する推定部６３と、主機３の回転速度及び可変ピッチプロペラ４の翼角を制御する運転制御部６４とを含んでいる。以下、特に断りが無い限り、「回転速度」は、主機３の回転速度を意味する。尚、主機３の回転速度と可変ピッチプロペラ４の回転速度とは相関があるので、「回転速度」を可変ピッチプロペラ４の回転速度として読み替えることもできる。

推定部６３は、可変ピッチプロペラ４の推進出力の推定を一定の周期で繰り返し行う。推定部６３は、推定値を記憶部６２に記憶させる。

例えば、推定部６３は、船舶の動的応答を表した動的モデル６５を含んでいる。動的モデル６５は、回転速度及び翼角を入力として、推進出力の推定値を出力する。すなわち、動的モデル６５は、プロペラを含む船舶の状態における時間依存変化を表している。動的モデル６５は、例えば、数学的モデリングによりモデル化された可変ピッチプロペラ４のモデルを含む。可変ピッチプロペラ４の推進出力に影響を与える要素として、時間に応じて変化する動的要素が含まれる。例えば、動的モデル６５は、微分方程式で表される。

運転制御部６４は、回転速度及び翼角を制御する。詳しくは、運転制御部６４は、燃料供給器３１に指令値を出力し、回転速度を制御する。このとき、運転制御部６４は、回転速度センサ３２によって回転速度を検出し、検出された回転速度が目標の回転速度となるように燃料供給器３１への指令値を調整する。また、運転制御部６４は、翼角変更装置４１に指令値を出力することによって翼角を制御する。例えば、運転制御部６４は、船速が目標船速になるように、回転速度及び翼角を制御する。尚、この例では、燃料供給器３１が制御されることによって主機３の回転速度が制御されるが、運転制御部６４が主機３の回転速度を変更する際の制御対象は、燃料供給器３１に限定されない。例えば、主機３が出力、回転速度又は燃料供給量を制御する制御装置（例えば、ＥＣＵ（Electronic Control Unit））を含む場合、制御対象は主機３（詳しくは、制御装置）であってもよい。

運転制御部６４は、翼角を変更する際に、翼角の変更中の可変ピッチプロペラ４の推進出力の推定値が一定になるように回転速度及び翼角を制御する（以下、この制御を「定速制御」という）。仮に、回転速度及び翼角が所望の目標値へ変更される際に、回転速度及び翼角が目標値まで瞬時に変更されると、可変ピッチプロペラ４の推進出力が大きく変動する虞がある。運転制御部６４は、回転速度及び翼角を目標値へ変更する際に、回転速度及び翼角の変更態様を管理することによって可変ピッチプロペラ４の推進出力の変動を低減する。つまり、定速制御では、翼角の変更中、即ち、回転速度及び翼角が目標値に変更されるまでの過渡期間の可変ピッチプロペラ４の推進出力の変動が低減される。

詳しくは、運転制御部６４は、翼角を変更する際に、回転速度及び翼角のうちの一方を定められた態様で変更しつつ、回転速度及び翼角のうちの他方を可変ピッチプロペラ４の推進出力の推定値が一定になるように調整する。この例では、運転制御部６４は、翼角を変更する際に、回転速度を定められた態様で変更しつつ、翼角を可変ピッチプロペラ４の推進出力の推定値が一定になるように調整する。つまり、可変ピッチプロペラ４の推進出力の推定値を一定に維持するためには、翼角だけでなく回転速度も変更する必要がある。このとき、回転速度は一定の態様で変更されるので、回転速度を他の物理量に応じて調整等することは不要である。一方、翼角は、可変ピッチプロペラ４の推進出力の推定値が一定になるように調整される。つまり、回転速度を変更したことによる可変ピッチプロペラ４の推進出力の推定値の変動を打ち消すように、翼角が調整される。こうして、回転速度は定められた態様で変更され且つ、翼角は微調整されながら、回転速度及び翼角がそれぞれの目標値まで変更される。

運転制御部６４は、複数の運転モードを切り換えて回転速度及び翼角を制御し、運転モードの切り換えに伴って翼角を変更する際に定速制御を行う。具体的には、運転制御部６４は、第１運転モードと第２運転モードとを切り換えるように構成されている。

運転制御部６４は、第１運転モード及び第２運転モードのいずれにおいても、主機３の回転速度及び可変ピッチプロペラ４の翼角を制御して、船舶を目標速度で運航させる。具体的には、第１運転モードでは、可変ピッチプロペラ４の翼角が所定の範囲内に設定されるように回転速度及び翼角が制御される。例えば、第１運転モードでは、翼角が所定の第１翼角に維持される。第１運転モードでは、翼角が第１翼角に維持された状態で回転速度が変更されることによって主機３の出力、即ち、可変ピッチプロペラ４の推進出力が調整される。一方、第２運転モードでは、可変ピッチプロペラ４の翼角が第１運転モードとは異なる範囲内で設定されるように回転速度及び翼角が制御される。例えば、第２運転モードでは、翼角が第１翼角とは異なる第２翼角に維持される。第２運転モードでは、翼角が第２翼角に維持された状態で回転速度が変更されることによって主機３の出力、即ち、可変ピッチプロペラ４の推進出力が調整される。

この例の運転制御部６４は、第１運転モード及び第２運転モードの各々における主機３の回転速度を、操船装置１２から入力された目標船速と、運転モード毎に設定されたプロペラ特性とに基づいて決定する。

具体的には、第1運転モードは、可変ピッチプロペラ４及び主機３の特性から設定されるプロペラカーブ（すなわち、舶用特性カーブ）に基づいて回転速度及び翼角を制御する運転モードである。例えば、第１運転モードは、第２運転モードよりも推進効率に優れた運転モードである。

一方、第２運転モードは、第１運転モードのプロペラカーブとは異なるプロペラカーブに基づいて回転速度及び翼角を制御する運転モードである。具体的には、第２運転モードは、同じ推進出力を出す場合の回転速度が、第1運転モードよりも高い運転モードである。言い換えれば、第２運転モードは、第１運転モードと比べて翼角が小さい運転モードである。第２運転モードは、回転速度を高めに設定できるため、第１運転モードと比較して主機３の発揮可能出力を大きくできるという利点がある。よって、第２運転モードは、例えば、荒天時等における推進負荷の増加に備えた運航に適している。また、第２運転モードは、主機３によって電動発電機５を駆動させて発電を行いながら運航する場合に適している。後者の場合、運転制御部６４は、例えば、第1運転モードでは、可変ピッチプロペラ４及び電動発電機５のうちの可変ピッチプロペラ４のみを主機３の駆動力で運転し、第２運転モードでは、翼角を第１運転モードよりも小さく設定すると共に可変ピッチプロペラ４及び電動発電機５の両者を主機３の駆動力で運転する。

図４は、可変ピッチプロペラ４の回転速度と推進出力によって規定される運転領域を示すグラフである。図４は、主機３及び可変ピッチプロペラ４の動作点を示す、いわゆる運転マップの一例である。尚、可変ピッチプロペラ４の回転速度と主機３の回転速度は相関があり、可変ピッチプロペラ４の推進出力と主機３の推進出力（主機３の出力のうち船舶の推進力にのみ用いられる出力）とは相関がある。このため、図４に示すグラフは、主機３の回転速度と主機３の推進出力との関係を示しているグラフとも言える。

記憶部６２は、翼角が一定に維持された場合の回転速度と出力との関係を示すプロペラ特性であるプロペラカーブを複数の翼角ごとに記憶している。例えば、記憶部６２は、翼角が第１翼角α１に維持された場合の回転速度と出力との関係を示す第１プロペラカーブｃ１と、翼角が第２翼角α２に維持された場合の回転速度と出力との関係を示す第２プロペラカーブｃ２とを記憶している。第１プロペラカーブｃ１は、運転マップ上で第１翼角α１に対応する動作点を連続的に繋いだ曲線である。第２プロペラカーブｃ２は、運転マップ上で第２翼角α２に対応する動作点を連続的に繋いだ曲線である。各プロペラカーブｃ１、ｃ２には、目標船速に応じた動作点が設定されている。尚、記憶部６２は、第１翼角α１及び第２翼角α２以外の翼角に対応するプロペラカーブ、即ち、プロペラ特性を記憶していてもよい。

運転制御部６４は、第１運転モードでは、可変ピッチプロペラ４の翼角を第１翼角α１に設定し、主機３の回転速度を第１プロペラカーブｃ１に基づいて制御する。具体的には、運転制御部６４は、第１運転モードにおいて、主機３の回転速度を、第１プロペラカーブｃ１上における目標船速に対応する動作点の回転速度になるように制御する。

運転制御部６４は、第２運転モードでは、可変ピッチプロペラ４の翼角を第２翼角α２に設定し、主機３の回転速度を第２プロペラカーブｃ２に基づいて制御する。具体的には、運転制御部６４は、第２運転モードにおいて、主機３の回転速度を、第２プロペラカーブｃ２上における目標船速に対応する動作点の回転速度になるように制御する。第２プロペラカーブｃ２は、第１プロペラカーブｃ１に比べて全体的に回転速度が高い方に位置している。つまり、同じ出力に対して、第１プロペラカーブｃ１で決定される回転速度に比べて、第２プロペラカーブｃ２で決定される回転速度の方が高い。第２運転モードにおいて、第１運転モードと同じ船速を実現するためには、第１翼角α１から第２翼角α２への翼角の減少を補うべく、主機３の回転速度が高く変更される。つまり、主機３及び可変ピッチプロペラ４の動作点が回転速度の高くなる方へ移動する。

運転制御部６４は、第１運転モードと第２運転モードとの間で運転モードを切り換える際に定速制御を実行する。第１運転モードと第２運転モードとでは、可変ピッチプロペラ４の翼角が異なる。主機３の回転速度及び出力も第１運転モードと第２運転モードとで変わり得る。以下、第１運転モードのときの主機３の回転速度を第１回転速度と称し、第２運転モードのときの主機３の回転速度を第２回転速度と称する。例えば、第１回転速度は、第１プロペラカーブｃ１に基づいて第１翼角α１で目標船速を実現するように設定される。第２回転速度は、第２プロペラカーブｃ２に基づいて第２翼角α２で目標船速を実現するように設定される。第１運転モードと第２運転モードとで目標船速が同じであれば、第１運転モードと第２運転モードとの間で運転モードが切り換えられて定常状態になったときには、運転モードの切り換え前後で船速が略同じになる。しかしながら、運転モードが完全に切り換わるまでの過渡期間、即ち、切り換わって定常状態になるまでの間の船速が変動する虞がある。

そこで、運転制御部６４は、運転モードを切り換える際に定速制御を実行する。具体的には、運転制御部６４は、推定部６３によって推定された可変ピッチプロペラ４の推進出力が一定に維持されるように回転速度及び翼角を調整しながら、回転速度及び翼角を第１回転速度Ｎ１及び第１翼角α１から第２回転速度Ｎ２及び第２翼角α２へ、又は、第２回転速度Ｎ２及び第２翼角α２から第１回転速度Ｎ１及び第１翼角α１へ変更する。このとき、運転制御部６４は、回転速度及び翼角のうちの一方を定められた態様で変更しつつ、回転速度及び翼角のうちの他方を可変ピッチプロペラ４の推進出力の推定値が一定になるように調整する。例えば、運転制御部６４は、回転速度を第１回転速度Ｎ１から第２回転速度Ｎ２へ、又は第２回転速度Ｎ２から第１回転速度Ｎ１へ定められた態様で変更しつつ、翼角を第１翼角α１から第２翼角α２へ、又は第２翼角α２から第１翼角α１へ可変ピッチプロペラ４の推進出力の推定値が一定になるように調整する。尚、運転制御部６４は、過渡期間において、翼角を定められた態様で変更しつつ、回転速度を可変ピッチプロペラ４の推進出力の推定値が一定になるように調整してもよい。

続いて、制御装置６による推進制御について詳細に説明する。まず、運転モードが第１運転モードから第２運転モードに切り換えられる場合について説明する。図５は、運転モードが第１運転モードから第２運転モードに切り換えられる場合の推進制御のフローチャートである。図６は、船舶推進システム１００の制御系の一部の構成を示すブロック図である。図７は、運転モードが第１運転モードから第２運転モードに切り換えられる場合の主機３の回転速度、可変ピッチプロペラ４の推進出力、可変ピッチプロペラ４の翼角、及び船速を示したタイムチャートである。

まず、ステップＳａ1において、運転制御部６４は、第１運転モードから第２運転モードへの運転モードの切り換えの指令を受け付ける。ユーザは、第１運転モードの運転時において操船装置１２を操作することで、第１運転モードから第２運転モードへの運転モードの切り換え実行の入力を行う。運転制御部６４は、操船装置１２から切り換え指令を受け取ると、運転モードの切り換えを開始する。

次に、推定部６３は、ステップＳａ２において、主機３の現在の回転速度を回転速度センサ３２により検出する。検出された回転速度が第１回転速度Ｎ１である。推定部６３は、第１回転速度Ｎ１と第１翼角α１とを動的モデル６５に入力し、動的モデル６５を用いて可変ピッチプロペラ４の推進出力の推定値を求める。推定部６３は、求められた推定値を目標推進出力として記憶部６２に記憶させる。

続いて、運転制御部６４は、ステップＳａ３において、主機３の回転速度を変更する。運転制御部６４は、例えば、回転速度を現在の回転速度から所定量だけ変更して更新する。この例では、第１回転速度Ｎ１をより高い第２回転速度Ｎ２に変更するケースなので、運転制御部６４は、現在の回転速度を所定量だけ高く変更する。例えば、運転制御部６４は、回転速度センサ３２で検出される回転速度が所定量だけ変更した回転速度になるように燃料供給器３１からの燃料供給量を調整する。

その後、運転制御部６４は、ステップＳａ４において、推定部６３によって推定される推定値が記憶部６２に記憶された目標推進出力に近づくように、可変ピッチプロペラ４の翼角を調整する。運転制御部６４は、図６に示す制御系によって翼角の指令値を求め、翼角を調整する。まず、推定部６３は、現在の回転速度及び現在の翼角を動的モデル６５に入力して可変ピッチプロペラ４の推進出力の推定値を求める。運転制御部６４は、目標推進出力と推定値との偏差を求め、偏差を制御器に入力することによって翼角の指令値を求める。運転制御部６４は、目標推進出力と推定値との偏差が小さくなるように翼角の指令値を調整する。運転制御部６４は、調整後の翼角を現在の翼角として更新する。制御器は、例えば、ＰＩＤ（Proportional-Integral-Differential）制御、ＰＩ（Proportional-Integral）制御又はＰ（Proportional）制御を行うフィードバック制御器である。

運転制御部６４は、ステップＳａ５において、現在の回転速度が第２回転速度Ｎ２になったか否かを判定する。尚、第２回転速度Ｎ２は、第２プロペラカーブｃ２に基づいて目標船速及び第２翼角α２から求められる。ステップＳａ５において、現在の回転速度が第２回転速度Ｎ２になっていなければ、運転制御部６４は、ステップＳａ３の処理に戻る。その後、運転制御部６４は、ステップＳａ４，Ｓａ５の処理を実行する。回転速度が第２回転速度Ｎ２になるまで、運転制御部６４は、ステップＳａ３，Ｓａ４及びＳａ５の処理を繰り返す。

このような処理を繰り返すと、図７に示すように、回転速度は、第１回転速度Ｎ１から第２回転速度Ｎ２へ、所定量ずつステップ状に変更されていく。回転速度は、規則的に変更される。回転速度の変更に応じて、翼角が調整される。翼角は、可変ピッチプロペラ４の推進出力の推定値が一定に維持されるように微調整される。そのため、翼角は、第１翼角α１から第２翼角α２へ減少傾向で変更されるが、回転速度の変更ほど規則的ではない。回転速度が第２回転速度Ｎ２になったときには、翼角は第２翼角α２になっている。このような翼角の調整によって、可変ピッチプロペラ４の推進出力の推定値は、翼角が第１翼角α１から第２翼角α２に変更されるまでの間、略一定に維持される。その結果、翼角が第１翼角α１から第２翼角α２に変更されるまでの間の船速も、略一定に維持される。

このように、可変ピッチプロペラ４の推進出力の推定値が運転モードの切り換え開始時から変動しないように、回転速度が第１回転速度Ｎ１から第２回転速度Ｎ２へ且つ翼角が第１翼角α１から第２翼角α２へ徐々に変更されていく。

ステップＳａ５において、運転制御部６４により、回転速度が第２回転速度Ｎ２になったことが判定されると、第１運転モードから第２運転モードへの切り換えが完了する。尚、第1運転モードが可変ピッチプロペラ４及び電動発電機５のうちの可変ピッチプロペラ４のみを主機３の駆動力で運転する運転モードであり、かつ、第２運転モードが可変ピッチプロペラ４及び電動発電機５の両者を主機３の駆動力で運転する運転モードである場合、運転制御部６４は、例えば、第１運転モードから第２運転モードへの切り換えの完了時又はこの完了時よりも後に、電力変換装置１３を制御して電動発電機５による発電を開始する。

次に、運転モードが第２運転モードから第１運転モードに切り換えられる場合について説明する。図８は、運転モードが第２運転モードから第１運転モードに切り換えられる場合の推進制御のフローチャートである。

まず、ステップＳｂ1において、運転制御部６４は、第２運転モードから第１運転モードへの運転モードの切り換えの指令を受け付ける。この処理は、ステップＳａ１の処理と同様である。運転制御部６４は、操船装置１２から切り換え指令を受け取ると、運転モードの切り換えを開始する。

それ以降のステップＳｂ２からステップＳｂ５は、第１運転モードから第２運転モードへの切り換わり時のステップＳａ２からステップＳａ５の処理と基本的には同様である。ステップＳａ２からステップＳａ５では、第１翼角α１から第２翼角α２へ且つ第１回転速度Ｎ１から第２回転速度Ｎ２へ変更されたのに対し、ステップＳｂ２からステップＳｂ５では、第２翼角α２から第１翼角α１へ且つ第２回転速度Ｎ２から第１回転速度Ｎ１へ変更される点が異なる。翼角及び回転速度の変化の方向が異なるのに応じて、処理の内容が変更されている。

具体的には、推定部６３は、ステップＳｂ２において、主機３の現在の回転速度を回転速度センサ３２により検出する。検出された回転速度が第２回転速度Ｎ２である。推定部６３は、第２回転速度Ｎ２と第２翼角α２とを動的モデル６５に入力し、動的モデル６５を用いて可変ピッチプロペラ４の推進出力の推定値を求める。推定部６３は、求められた推定値を目標推進出力として記憶部６２に記憶させる。

続いて、運転制御部６４は、ステップＳｂ３において、主機３の回転速度を変更する。運転制御部６４は、例えば、回転速度を現在の回転速度から所定量だけ変更して更新する。この例では、第２回転速度Ｎ２をより低い第１回転速度Ｎ１に変更するケースなので、運転制御部６４は、現在の回転速度を所定量だけ低く変更する。例えば、運転制御部６４は、回転速度センサ３２で検出される回転速度が所定量だけ変更した回転速度になるように燃料供給器３１からの燃料供給量を調整する。

その後、運転制御部６４は、ステップＳｂ４において、推定部６３によって推定される推定値が記憶部６２に記憶された目標推進出力に近づくように、可変ピッチプロペラ４の翼角を調整する。このとき、推定部６３は、現在の回転速度及び現在の翼角を動的モデル６５に入力して可変ピッチプロペラ４の推進出力の推定値を求める。運転制御部６４は、目標推進出力と推定値との偏差を求め、偏差を制御器に入力することによって翼角の指令値を求める。運転制御部６４は、目標推進出力と推定値との偏差が小さくなるように翼角の指令値を調整する。運転制御部６４は、調整後の翼角を現在の翼角として更新する。

運転制御部６４は、ステップＳｂ５において、現在の回転速度が第１回転速度Ｎ１になったか否かを判定する。尚、第１回転速度Ｎ１は、第１プロペラカーブｃ１に基づいて目標船速及び第１翼角α１から求められる。ステップＳｂ５において、現在の回転速度が第１回転速度Ｎ１になっていなければ、運転制御部６４は、ステップＳｂ３の処理に戻る。その後、運転制御部６４は、ステップＳｂ４，Ｓｂ５の処理を実行する。回転速度が第１回転速度Ｎ１になるまで、運転制御部６４は、ステップＳｂ３，Ｓｂ４及びＳｂ５の処理を繰り返す。これにより、可変ピッチプロペラ４の推進出力の推定値が運転モードの切り換え開始時から変動しないように、回転速度が第２回転速度Ｎ２から第１回転速度Ｎ１へ且つ翼角が第２翼角α２から第１翼角α１へ徐々に変更されていく。

こうして、第２翼角α２から第１翼角α１への翼角の変更、及び、第２回転速度Ｎ２から第１回転速度Ｎ１への回転速度の変更が完了する。これにより、第２運転モードから第１運転モードへの運転モードの切り換えが完了する。尚、第1運転モードが可変ピッチプロペラ４及び電動発電機５のうちの可変ピッチプロペラ４のみを主機３の駆動力で運転する運転モードであり、かつ、第２運転モードが可変ピッチプロペラ４及び電動発電機５の両者を主機３の駆動力で運転する運転モードである場合、運転制御部６４は、例えば、第２運転モードから第１運転モードへの切り換えの開始時又はこの開始時よりも前に、電力変換装置１３を制御して電動発電機５による発電を開始する。

このように制御装置６は、翼角を変更する際に定速制御を実行する。つまり、制御装置６は、翼角を変更する際に、翼角の変更中の可変ピッチプロペラ４の推進出力の推定値が一定になるように回転速度及び翼角を制御する。翼角を変更する際には、翼角の変更前後で船速が一定になるように変更前後の動作点（即ち、回転速度及び翼角）を決定したとしても、動作点、即ち、翼角を変更する間の過渡期間においては船速が変動する虞がある。制御装置６は、翼角の変更中の可変ピッチプロペラ４の推進出力の推定値を監視して、推定値が一定になるように回転速度及び翼角を調整しながら翼角を変更する。その結果、翼角の変更中、即ち、翼角が変更される過渡期間における可変ピッチプロペラ４の推進出力の変動を低減することができる。したがって、過渡期間においては、船速の変動を低減できて船速が安定化する。

このとき、可変ピッチプロペラ４の推進出力を一定に維持するために、推定部６３は、主機３の回転速度及び可変ピッチプロペラ４の翼角に基づいて可変ピッチプロペラ４の推進出力の推定値を推定する。このため、主機３の種類等によって主機３の出力を直接検出できない場合でも、可変ピッチプロペラ４の推進出力を一定に維持するような回転速度及び翼角の制御を実現できる。

具体的には、推定部６３は、船舶の動的応答を表し、回転速度及び翼角を入力として可変ピッチプロペラ４の推進出力の推定値を出力する動的モデル６５を用いて、可変ピッチプロペラ４の推進出力の推定値を求める。このため、船舶の動的な運転状況に応じた可変ピッチプロペラ４の推進出力の推定値を適切に推定できる。

このような定速制御は、翼角の設定条件が異なる複数の運転モードの間で運転モードを切り換える際に特に有効である。

また、運転制御部６４は、翼角を変更する際に、回転速度及び翼角のうちの一方を、定められた態様で変更しつつ、回転速度及び翼角のうちの他方を可変ピッチプロペラ４の推進出力の推定値が一定になるように調整する。この場合、回転速度及び翼角の両者を他の物理量に応じて自由に調整する場合と比較して、回転速度及び翼角の制御を簡単にすることができる。

特に、運転制御部６４は、回転速度を定められた態様で変更しつつ、可変ピッチプロペラ４の推進出力の推定値が一定になるように翼角を調整する。可変ピッチプロペラ４の翼角は、主機３の回転速度と比較して、応答性良く制御できる。このため、翼角を定められた態様で変更しつつ、可変ピッチプロペラ４の推進出力の推定値が一定になるように回転速度を調整する場合と比較して、翼角を変更する際の過渡期間における船速の変動を一層低減できる。

以上のように、船舶推進システム１００は、駆動力を発生する主機３と、主機３の駆動力によって回転する可変ピッチプロペラ４と、主機３の回転速度及び可変ピッチプロペラ４の翼角を制御する制御装置６とを備え、制御装置６は、回転速度及び翼角に基づいて可変ピッチプロペラ４の推進出力の推定値を推定する推定部６３と、翼角を変更する際に、翼角の変更中の推定値が一定になるように回転速度及び翼角を制御する運転制御部６４とを有する。

換言すると、船舶の推進制御方法は、主機３の回転速度及び可変ピッチプロペラ４の翼角に基づいて可変ピッチプロペラ４の推進出力の推定値を推定することと、翼角を変更する際に、翼角の変更中の推定値が一定になるように回転速度及び翼角を制御することとを含む。

さらに換言すると、船舶の推進制御プログラムは、コンピュータに、主機３の回転速度及び可変ピッチプロペラ４の翼角に基づいて可変ピッチプロペラ４の推進出力の推定値を推定することと、翼角を変更する際に、翼角の変更中の推定値が一定になるように回転速度及び翼角を制御することとを実行させる。

これらの構成によれば、翼角を変更する際の変更中の可変ピッチプロペラ４の推進出力を一定に維持することができる。したがって、翼角を変更する際の過渡期間において、船速の変動を低減でき、船速を安定化させることができる。また、可変ピッチプロペラ４の推進出力の推定値を求めることによって、主機３の出力を直接検出できない場合でも、翼角の変更中の可変ピッチプロペラ４の推進出力を一定にして、船速を安定化させることができる。

また、運転制御部６４は、翼角を変更する際に、回転速度及び翼角のうちの一方を定められた態様で変更しつつ、回転速度及び翼角のうちの他方を推定値が一定になるように調整する。

この構成によれば、回転速度及び翼角の一方は変更の態様が決まっており、自由には変更されない。そして、回転速度及び翼角の他方は比較的自由に調整でき、推定値が一定になるように調整される。その結果、回転速度及びと翼角の両者を自由に調整する場合と比較して、回転速度及び翼角の制御を簡単にすることができる。

さらに、運転制御部６４は、翼角を変更する際に、回転速度を定められた態様で変更しつつ、翼角を推定値が一定になるように調整する。

この構成によれば、可変ピッチプロペラ４の翼角は、主機３の回転速度と比較して、応答性良く制御できるため、翼角を変更する際の過渡期間における船速の変動を一層低減できる。

また、推定部６３は、船舶の動的応答を表し、回転速度及び翼角を入力として推定値を出力する動的モデル６５を含む。

この構成によれば、動的モデル６５を用いることで、運転状況に応じた船舶の動的な挙動を推定でき、ひいては翼角の変更中の船速を適切に安定化させることができる。

また、運転制御部６４は、翼角が所定の範囲内に設定されるように回転速度及び翼角が制御される第１運転モードと、翼角が第１運転モードとは異なる範囲内で設定されるように回転速度及び翼角が制御される第２運転モードとを切り換えるように構成され、第１運転モードと第２運転モードとの間で運転モードを切り換える際に、翼角の変更中の推定値が一定になるように回転速度及び翼角を制御する。

この構成によれば、翼角が異なる範囲に設定される第１運転モードと第２運転モードとの間の運転モードの切り換えの際に、船速を安定化させることができる。

具体的には、運転制御部６４は、第１運転モードでは翼角を所定の第１翼角α１に維持する一方、第２運転モードでは翼角を第１翼角α１と異なる第２翼角α２に維持する。

この構成によれば、第１運転モードでは、翼角が第１翼角α１で一定になり、第２運転モードでは、翼角が第２翼角α２で一定になる。そして、このような第１運転モードと第２運転モードとの間の運転モードの切り換えに応じて、翼角が第１翼角と第２翼角とで変更される。このときの船速が安定化する。

また、船舶推進システム１００は、主機３によって駆動される電動発電機５（発電機）をさらに備え、運転制御部６４は、第１運転モードでは、可変ピッチプロペラ４及び電動発電機５のうちの可変ピッチプロペラ４のみを主機３の駆動力で運転し、第２運転モードでは、翼角を第１運転モードよりも小さく設定すると共に可変ピッチプロペラ４及び電動発電機５の両者を主機３の駆動力で運転する。

この構成によれば、第２運転モードでは翼角が第１運転モードよりも小さく設定されるため、船速を第１運転モードのときと同程度にする場合には主機３の回転速度が第１運転モードに比べて高くなる。このため、第２運転モードでは、第１運転モードと比べて、主機３の発揮可能出力を大きくすることができる。

《その他の実施形態》
以上のように、本出願において開示する技術の例示として、前記実施形態を説明した。しかしながら、本開示における技術は、これに限定されず、適宜、変更、置き換え、付加、省略などを行った実施の形態にも適用可能である。また、前記実施形態で説明した各構成要素を組み合わせて、新たな実施の形態とすることも可能である。また、添付図面および詳細な説明に記載された構成要素の中には、課題解決のために必須な構成要素だけでなく、前記技術を例示するために、課題解決のためには必須でない構成要素も含まれ得る。そのため、それらの必須ではない構成要素が添付図面や詳細な説明に記載されていることをもって、直ちに、それらの必須ではない構成要素が必須であるとの認定をするべきではない。

例えば、主機３は、ディーゼルセンジンに限定されず、ガスタービンエンジン、蒸気タービン、ガソリンエンジン、ガスエンジン等であってもよい。例えば、船舶推進システム１００は、主機３、可変ピッチプロペラ４及び電動発電機５を含む推進機構を２つ以上備えてもよい。

電動発電機５は、電動機としての機能を有さない発電機であってもよい。船舶推進システム１００は、電動発電機５を備えなくてもよい。主発電機１０で発生した電力は、例えば、電動発電機５に加えて、船内母線１１を介して電動発電機５以外の他の船内機器に供給されてもよい。

船舶推進システム１００が備える、主機３、減速装置２０、可変ピッチプロペラ４、電動発電機５、回転速度センサ３２等の個数は、限定されない。

運転制御部６４は、第１運転モード及び第２運転モードの各々において、翼角を所定の範囲内で変動するように制御してもよい。つまり、第１運転モードでは翼角が第１翼角に維持され、第２運転モードでは翼角が第２翼角に維持されているが、これに限定されない。第１運転モードにおいて、翼角が所定の範囲で変更されてもよい。第２運転モードにおいても、翼角が所定の範囲で変更されてもよい。ただし、第２運転モードにおける翼角の設定範囲は、第１運転モードにおける翼角の最小値よりも低い範囲に設定されていることが好ましい。運転制御部６４は、第２運転モードにおいて、主機３によって電動発電機５を駆動しなくてもよい。

運転制御部６４は、翼角を変更する際に、翼角を定められた態様に変更しつつ、推定値が一定になるように回転速度を調整してもよい。運転制御部６４は、翼角を変更する際に、回転速度及び翼角の両方を推定値が一定になるように調整してもよい。運転制御部６４は、運転モードの切換時以外において翼角を変更する際に、翼角の変更中の推定値が一定になるように回転速度及び翼角を制御してもよい。

推定部６３による可変ピッチプロペラ４の推進出力の推定は、動的モデル６５を用いるものに限定されない。推定部６３は、動的モデル６５を含まなくてもよい。推定部６３は、回転速度及び翼角に対応する可変ピッチプロペラ４の推進出力の推定値を規定したテーブル等を有していてもよい。その場合、推定部６３は、回転速度及び翼角をテーブルに照らし合わせることによって可変ピッチプロペラ４の推進出力の推定値を求めることができる。

本明細書で開示する要素の機能は、開示された機能を実行するよう構成またはプログラムされた汎用プロセッサ、専用プロセッサ、集積回路、ＡＳＩＣ（Application Specific Integrated Circuits）、従来の回路、および/または、それらの組み合わせ、を含む回路または処理回路を使用して実行できる。プロセッサは、トランジスタやその他の回路を含むため、処理回路または回路と見なされる。本開示において、回路、ユニット、または手段は、列挙された機能を実行するハードウェアであるか、または、列挙された機能を実行するようにプログラムされたハードウェアである。ハードウェアは、本明細書に開示されているハードウェアであってもよいし、あるいは、列挙された機能を実行するようにプログラムまたは構成されているその他の既知のハードウェアであってもよい。ハードウェアが回路の一種と考えられるプロセッサである場合、回路、手段、またはユニットはハードウェアとソフトウェアの組み合わせであり、ソフトウェアはハードウェアおよび/またはプロセッサの構成に使用される。

１００ 船舶推進システム
３ 主機
４ 可変ピッチプロペラ
５ 電動発電機（発電機）
６ 制御装置
６３ 推定部
６４ 運転制御部
６５ 動的モデル

Claims (9)

1. 駆動力を発生する主機と、
   前記主機の駆動力によって回転する可変ピッチプロペラと、
   前記主機の回転速度及び前記可変ピッチプロペラの翼角を制御する制御装置とを備え、
   前記制御装置は、
   前記回転速度及び前記翼角に基づいて前記可変ピッチプロペラの推進出力の推定値を推定する推定部と、
   前記翼角を変更する際に、前記翼角の変更中の前記推定値が一定になるように前記回転速度及び前記翼角を制御する運転制御部とを有する船舶推進システム。
2. 請求項１に記載の船舶推進システムであって、
   前記運転制御部は、前記翼角を変更する際に、前記回転速度及び前記翼角のうちの一方を定められた態様で変更しつつ、前記回転速度及び前記翼角のうちの他方を前記推定値が一定になるように調整する船舶推進システム。
3. 請求項２に記載の船舶推進システムにおいて、
   前記運転制御部は、前記翼角を変更する際に、前記回転速度を定められた態様で変更しつつ、前記翼角を前記推定値が一定になるように調整する船舶推進システム。
4. 請求項１乃至３のいずれか１つに記載の船舶推進システムにおいて、
   前記推定部は、船舶の動的応答を表し、前記回転速度及び前記翼角を入力として前記推定値を出力する動的モデルを含む船舶推進システム。
5. 請求項１乃至４のいずれか１つに記載の船舶推進システムにおいて、
   前記運転制御部は、
   前記翼角が所定の範囲内に設定されるように前記回転速度及び前記翼角が制御される第１運転モードと、前記翼角が前記第１運転モードとは異なる範囲内で設定されるように前記回転速度及び前記翼角が制御される第２運転モードとを切り換えるように構成され、
   前記第1運転モードと前記第２運転モードとの間で運転モードを切り換える際に、前記翼角の変更中の前記推定値が一定になるように前記回転速度及び前記翼角を制御する船舶推進システム。
6. 請求項５に記載の船舶推進システムにおいて、
   前記運転制御部は、前記第１運転モードでは前記翼角を所定の第１翼角に維持する一方、前記第２運転モードでは前記翼角を前記第１翼角と異なる第２翼角に維持する船舶推進システム。
7. 請求項５又は６に記載の船舶推進システムにおいて、
   前記主機によって駆動される発電機をさらに備え、
   前記運転制御部は、
   前記第1運転モードでは、前記可変ピッチプロペラ及び前記発電機のうちの前記可変ピッチプロペラのみを前記主機の駆動力で運転し、
   前記第２運転モードでは、前記翼角を前記第１運転モードよりも小さく設定すると共に前記可変ピッチプロペラ及び前記発電機の両者を前記主機の駆動力で運転する船舶推進システム。
8. 駆動力を発生する主機と前記主機からの駆動力によって回転する可変ピッチプロペラとを備えた船舶の推進制御方法において、
   前記主機の回転速度及び前記可変ピッチプロペラの翼角に基づいて前記可変ピッチプロペラの推進出力の推定値を推定することと、
   前記翼角を変更する際に、前記翼角の変更中の前記推定値が一定になるように前記回転速度及び前記翼角を制御することとを含む船舶の推進制御方法。
9. 駆動力を発生する主機と前記主機からの駆動力によって回転する可変ピッチプロペラとを備えた船舶の推進制御プログラムにおいて、
   コンピュータに、
   前記主機の回転速度及び前記可変ピッチプロペラの翼角に基づいて前記可変ピッチプロペラの推進出力の推定値を推定することと、
   前記翼角を変更する際に、前記翼角の変更中の前記推定値が一定になるように前記回転速度及び前記翼角を制御することとを実行させる船舶の推進制御プログラム。
   
   

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