KR101331042B1

KR101331042B1 - 선박용 엔진 제어 시스템 및 방법

Info

Publication number: KR101331042B1
Application number: KR1020137004785A
Authority: KR
Inventors: 준야 미야타; 슈이치 이나미; 야슈유키 츠지
Original assignee: 미쯔이 죠센 가부시키가이샤
Priority date: 2010-09-08
Filing date: 2011-07-29
Publication date: 2013-11-20
Also published as: JP5296753B2; JP2012057523A; KR20130086037A; WO2012032878A1; CN103069135A; TW201211380A

Abstract

주기(12)에 연결된 주축(14)의 실회전수(N_E)를 검출한다. 회전수 지령(N_O) 및 실회전수(N_E)의 편차에 대해 제어 연산부(17)에 있어서 PID 연산을 가한다. PID 연산에 의해 얻어진 거버너 지령을 거버너(13)에 출력하고, 주기(12)로 공급되는 연료량을 제어한다. 또한, 거버너 지령 및 실회전수(N_E)를 제어 대상(S)의 옵저버(18)에 입력하고 프로펠러 유입 속도 변동을 추정한다. 연산부(19)에 있어서 프로펠러 유입 속도 변동에 소정 게인을 곱하고 회전수 지령(N_O)에 가산하여 회전수 지령(N_O)을 보정한다.

Description

선박용 엔진 제어 시스템 및 방법{MARINE ENGINE CONTROL SYSTEM AND METHOD}

본 발명은 선박용 엔진의 제어 시스템에 관한 것이며, 특히 선박용 엔진의 회전수 제어에 관한 것이다.

선박용 엔진(주기)의 제어에서는 설정된 목표 회전수와 실회전수의 차이가 없어지도록 PID 제어가 행해진다. 그러나, 거친 날씨일 때는, 프로펠러가 해면위로 노출되는 프로펠러 레이싱이 발생하고, 프로펠러에 의한 부하 토크가 급격하게 변화되기 때문에 통상의 날씨하에서의 항행을 상정한 게인에 의한 PID 제어에서는 충분한 응답 성능이 얻어지지 않아 오버스피드에 의한 기관의 고장을 초래할 우려가 있다. 이러한 문제에 대해서는, 외란에 의한 프로펠러 회전수의 변동을 예측하여 PID 제어의 게인을 변경하는 구성이 제안되어 있다(특허문헌 1).

일본 공개특허공보 제(평)8-200131호

그러나, 연비의 개선이라는 관점에서는, 특허문헌 1의 구성에 있어서도 파랑 등의 외란에 의한 회전수 변화에 대해 여전히 응답 지연이 존재하고, 쓸데 없는 연료 투입을 행하고 있다.

본 발명은 상기 문제를 감안하여 이루어진 것이며, 외란에 따라 회전수 지령을 보정하여 연비의 향상을 도모하는 것을 과제로 하고 있다.

본 발명의 선박용 엔진 제어 시스템은 회전수 지령 및 실회전수로부터 주기(主機)의 회전수를 일정하게 하는 거버너 지령을 연산하는 제어 연산부와, 거버너 지령과 실회전수로부터 외란에 의한 소정의 물리량의 변동을 추정하는 옵저버와, 소정의 물리량의 변동에 따라 회전수 지령을 보정하는 회전수 지령 보정 수단을 구비한 것을 특징으로 하고 있다.

회전수 지령 보정 수단은 예를 들면 소정의 물리량의 변동에 소정의 게인을 곱한 값을 보정값으로서 회전수 지령에 가산한다. 또한, 이 때 보정값의 위상을 주기 및 제어 연산부의 지연에 따라 지연시켜 회전수 지령에 가산함으로써 보다 적절히 회전수 지령을 보정할 수 있다.

소정의 물리량의 진폭의 크기에 따라 상기 보정값을 수정함으로써, 거친 날씨일 때의 회전수 지령을 하방(下方) 수정하여, 거친 날씨일 때의 프로펠러 레이싱의 발생을 방지할 수 있다. 이 때 예를 들면 진폭에 게인을 곱한 값을 상기 보정값에서 뺀 것을 회전수 지령에 가산한다. 상기 물리량에는 예를 들면 프로펠러 유입 속도나 부하 토크가 포함된다.

본 발명의 선박은 상기 선박용 엔진 제어 시스템을 구비한 것을 특징으로 하고 있다.

본 발명의 선박용 엔진 제어 방법은 회전수 지령 및 실회전수로부터 주기의 회전수를 일정하게 하는 거버너 지령을 연산하고, 옵저버를 사용하여 거버너 지령과 실회전수로부터 외란에 의한 소정의 물리량의 변동을 추정하고, 소정의 물리량의 변동에 따라 회전수 지령을 보정하는 것을 특징으로 하고 있다.

본 발명에 의하면, 외란에 따라 회전수 지령을 보정하여 연비의 향상을 도모할 수 있다.

도 1은 본 발명의 실시형태인 선박용 엔진 제어 시스템의 구성을 도시하는 블록도이다.
도 2는 본 실시형태의 연산부의 상세한 구성을 도시하는 제어 블록도이다.

이하, 본 발명의 실시형태에 관해서 첨부 도면을 참조하여 설명한다.

도 1은 본 발명의 일 실시형태인 선박용 엔진 제어 시스템의 전체 구성을 도시하는 블록도이다.

본 실시형태의 선박용 엔진 제어 시스템(10)은 선체(11)에 형성된 주기(12)의 회전수를 제어하는 것으로, 주기(12)에 공급되는 연료량은 거버너(13)에 의해 제어된다. 거버너(13)는 회전수 지령(N_O)과 주축(14)의 실회전수(N_E)에 기초하여 산출되는 거버너 제어 장치(15)로부터의 거버너 지령에 의해 제어된다. 또한, 실회전수(N_E)는 주축(14)의 회전수(각 속도)를 종래 주지의 방법으로 검출하는 것에 의해 구해진다.

거버너 제어 장치(15)는 보정 연산부(16)와 제어 연산부(17)로 이루어지고, 보정 연산부(16)는 거버너 지령과 실회전수(N_E)에 기초하여 회전수 지령(N_O)에 대한 보정값(회전수 지령 보정값)(n)을 연산하고, 제어 연산부(17)는 회전수 지령 보정값(n)에 의해 보정된 회전수 지령(N_O')과 실회전수(N_E)에 기초하여 제어 연산을 행한다. 그리고 제어 연산부(17)로부터의 출력은 거버너 지령으로서 거버너(13)로 출력된다. 또한, 회전수 지령(N_O)의 보정은 회전수 지령 보정값(n)을 회전수 지령(N_O)에 가산함으로써 행해지고, 제어 연산부(17)에서는 보정 회전수 지령(N_O')(=N_O+n)과 실회전수(N_E)의 편차(e)(=N_O-N_E+n)에 대해 PID 연산이 행해진다.

보정 연산부(16)는 옵저버(18)와 연산부(19)를 구비한다. 옵저버(18)는 선체(11), 주기(12), 거버너(13) 등을 포함하는 제어 대상(S)의 상태 관측기이며, 거버너 지령과 실회전수(N_E)에 기초하여 파랑 등의 외란에 기인하는 소정의 물리량(프로펠러 유입 속도나 부하 토크 등)의 변동을 추정한다. 연산부(19)는 옵저버(18)에 의해 추정된 물리량의 변동에 기초하여 회전수 지령 보정값(n)을 산출한다.

다음에 도 2의 제어 블록도를 참조하여 본 실시형태에 있어서의 연산부(19)의 보다 구체적인 구성에 관해서 설명한다.

회전수 지령 보정값(n)은 기본적으로는 추정된 물리량(도 2의 예에서는 프로펠러 유입 속도)의 변동에 게인(K)을 곱함으로써 얻어진다. 그러나, 실제 주기(12)나 제어 연산부(PID)(17)에는 응답 지연이 존재하기 때문에, 본 실시형태에서는 이 응답 지연에 맞춰서 보정값의 위상을 지연시킨다. 즉, 추정 물리량(프로펠러 유입 속도(m/s))의 변동에 대해 블록(20)에 있어서 게인(K)을 곱하여, 회전수(rpm)에 대응하는 보정값을 산출하고, 그 후 산출된 보정값의 위상을 블록(21)에 있어서 주기(12) 및 제어 연산부(PID)(17)의 지연에 대응하여 지연시킨다.

또한, 응답 지연은 주기(12)나 제어 연산부(PID)(17)의 특성에 의해 결정되는 것으로, 미리 실험이나 계산에 의해 구해진다. 또한, 예를 들면 프로펠러 유입 속도의 변동은 (프로펠러 유입 속도)-(선속)으로 구해진다. 또한, 선속(V)은 옵저버(18)로 산출하는 것도 가능하지만, 실측값이 얻어지는 경우에는, 실측된 선속(V)을 옵저버(18)에 입력하고, 실회전수(N_E), 선속(V), 거버너 지령을 사용하여 프로펠러 유입 속도나, 그 밖의 각 물리량을 산출해도 좋다.

또한, 본 실시형태에서는 거친 날씨일 때의 프로펠러 레이싱에 의한 과회전을 방지하는 동시에 연비를 개선하기 위해서, 파랑 상황에 따라 회전수 지령을 자동으로 제어하는 구성이 채용된다. 즉, 본 실시형태에서는 추정 물리량(프로펠러 유입 속도(m/s))의 변동의 진폭이 추출되고, 이 진폭에 기초하여 위상이 지연된 보정값이 다시 수정되어, 회전수 지령 보정값(n)으로 된다. 예를 들면, 프로펠러 유입 속도(m/s)의 진폭이 블록(22)에 있어서 추출되고, 블록(23)에서는 추출된 진폭에 소정의 게인(L)이 곱해진다. 그 후 블록(23)으로부터의 출력이 블록(21)으로부터의 보정값에서 감산되어 회전수 지령 보정값(n)이 된다. 즉, 진폭이 증대됨에 따라 목표 회전수는 저하된다.

이상과 같이, 본 실시형태에 의하면, 옵저버에 의해 외란에 의한 물리량 변동을 추정하고, 이것에 기초하여 회전수 지령을 보정함으로써, 거버너 지령의 변동이 억제되어, 응답 지연에 기인하는 연비의 악화가 방지된다. 특히 본 실시형태에서는 외란에 기초하는 물리량 변동을 실회전수, 거버너 지령에 기초하여 옵저버에서 추정하고, 이것에 기초하여 회전수 지령을 보정하고 있기 때문에, 기존의 거버너 제어 시스템에 대폭적인 변경을 가하지 않고 적용할 수 있다.

또한, 본 실시형태에서는 물리량 변동에 제어 연산부 및 주기의 응답 지연에 따른 위상 지연을 부여함으로써 보다 효과적인 타이밍으로 거버너 지령의 변동을 억제할 수 있다.

또한, 본 실시형태에서는 변동의 진폭으로부터 해상의 상태에 맞춰서 회전수 지령을 자동적으로 변경할 수 있어(거친 날씨일 때에 회전수를 하방 수정), 프로펠러 레이싱에 의한 과회전의 발생을 방지하여 연비의 악화를 억제할 수 있다. 또한, 진폭의 변동에 대응하기 위해서, 진폭 추출 블록 뒤에 로우 패스 필터를 형성해도 좋다. 이것에 의해, 예를 들면 갑자기 너울이 많은 해역에 들어갔을 때 등에 몇십분 동안 오더의 변동에 대해 회전수 지령을 자동 수정할 수 있어, 수동으로 대응하지 않고 연비의 향상을 도모할 수 있다.

10 선박용 엔진 제어 시스템
11 선체
12 주기
13 거버너
14 주축
15 거버너 제어 장치
16 보정 연산부
17 제어 연산부(PID 연산부)
18 옵저버
19 연산부
20 게인 K 연산 블록
21 위상 지연 연산 블록
22 진폭 추출 블록
23 게인 L 연산 블록
S 제어 대상

Claims

회전수 지령 및 실회전수로부터 주기(主機)의 회전수를 일정하게 하는 거버너 지령(governor command)을 연산하는 제어 연산부와,
상기 거버너 지령과 상기 실회전수로부터, 외란에 의한 프로펠러 유입 속도의 변동량을 추정하는 옵저버와,
상기 변동량에 소정의 게인을 곱한 값을 보정값으로 하여 상기 회전수 지령에 가산하는 회전수 지령 보정 수단을 구비하는 것을 특징으로 하는 선박용 엔진 제어 시스템.
제1항에 있어서, 상기 보정값의 위상을 상기 주기 및 상기 제어 연산부의 지연에 따라 지연시켜 상기 회전수 지령에 가산하는 것을 특징으로 하는 선박용 엔진 제어 시스템.
제1항에 있어서, 상기 보정값은 상기 변동의 진폭이 클수록 상기 회전수 지령을 하방 수정하는 것을 특징으로 하는 선박용 엔진 제어 시스템.
제3항에 있어서, 상기 진폭에 게인을 곱한 값을 상기 보정값에서 빼고 상기 회전수 지령에 가산하는 것을 특징으로 하는 선박용 엔진 제어 시스템.
제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 기재된 선박용 엔진 제어 시스템을 구비하는 것을 특징으로 하는 선박.
회전수 지령 및 실회전수로부터 주기의 회전수를 일정하게 하는 거버너 지령을 연산하고,
옵저버를 사용하여 상기 거버너 지령과 상기 실회전수로부터 외란에 의한 프로펠러 유입 속도의 변동량을 추정하고,
상기 변동량에 소정의 게인을 곱한 값을 보정값으로 하여 상기 회전수 지령에 가산하는 것을 특징으로 하는 선박용 엔진 제어 방법.
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