TW201144582A - Engine control device and method - Google Patents

Description

201144582 六、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 本發明是關於一種引擎控制裝置，為了維持控制量 於一定的目標值而進行PID控制，特別是關於一種在負 載變動的環境下使用的引擎調速器（governor)裝置。 【先前技術】 例如在船舶廣泛採用旋轉數一定控制將螺槳 (propeller)旋轉數（主機旋轉數）維持於一定。也就 是說，在船舶主機的調速器控制，以PID控制維持實際 旋轉數於目標旋轉數。又，在調速器控制，為了防止主 機過度旋轉、防止施加過大負載，設有限制器來限制燃 料指標（fuel index，燃料供給量），控制燃料供給量的 上限（專利文獻1)。 專利文獻1 :特開2009-191774號公報 但是，在旋轉數等控制量為一定的控制，對於負載 變動實際旋轉數（控制量）將目標值為中心變動。因此， 做為操作量的燃料指標（燃料供應量）或引擎輸出，為 了將此消除而大幅變動，在反覆負載變動的環境下，燃 料消費會增加。 【發明内容】 本發明之目的在於使操作量追隨於負載變動並抑 制操作量的變動，抑制引擎輸出的變動，將燃料消費降 201144582 低。 本發明的引擎控制裝置，具備：PID演算部，進行 將控制量維持在—定目標值的控制’其特徵為：在PID 演算部’僅對於來自I演算部的輸出’設有第一上限限 制器。 為了要實現配合目標值變更的適當控制，例如具 備：上限值算出手段，根據目標值算出第一上限限制器 的上限值。此時第一上限限制器的上限值是例如根據控 制量與在控制的操作量來算出。 引擎是例如船舶主機，控制量是引擎的旋轉速度， 操作量是燃料指標。又，為了要配合海象變化實現適當 的控制’也可以從旋轉速度以及燃料指標的值求得船舶 的現在的負載抵抗係數，根據該負載抵抗係數的變動幅 度，求得第一上限限制器的上限值。 再者’引擎控制裝置是具備例如第二上限限制器， 規定從PID演算部輸出的操作量的上限，第二上限限制 器的上限值是例如從在平靜無波狀態的船舶的負载抵 抗係數與目標旋轉速度來算出。第一上限限制器的上限 值是例如從第二上限限制器的上限值扣除根^ < 抗係數的變動幅度的值。 、_ 本發明的船舶是將上述引擎控制裝置 調速器來使用。 ^土微的 又’本發日㈣引擎控财法，其魏在 演算以進行將控制量維持在一定的目丁 PID演算中1演算的輸出經過上限限^器，、並 201144582 算的P演算的輸出以及D演算的輸出相加做為控制的 操作量。 又，引擎控制方法’其特徵為：具備：PID演算部， 進行將控制量維持在一定的目標值的控制；以及上限限 制器’規定從PID演算部輸出的操作量的上限值，其中 ^，限制器的上限值，設定於在負载變動不被施加於在 控制的輪出時目標值被維持的操作量的值。 ^ 根據本發明，使操作量追隨於 里的變動’抑制引擎輸出的變動， 負載變動並抑制操作 將燃料消費降低。 【實施方式】 以下’參照附帶圖式說明關於本發明的實施形熊 第一圖是表示本發明的一實施形態 置的結構的方塊®。 在本實施形態’引擎10是船舶主機，其轴 顯示）為例如直接或經由減速機連接推進用: (pr〇pelle小在本控制系統，目標旋轉數（目標值: No做為控制指令被給予，計測到的引擎1〇 ^ 數⑼制量）&被回饋。也就是說，目標旋轉 際方疋轉數的偏差（Νο-Ne)被輸入至PID演算 、j 實際旋轉數Ne是以例如圖未顯示的感測器 二 軸的旋轉數來獲得。

被輸入PID演算部u的旋轉數偏 輪入至P演算部12、1演算部！3、D演算部14，i; 被施以比例、積分、微分演算。從p演算部i2、] W 201144582 部13、D演算部14輸出的P〇、Io、D〇被全部加總， 從FID演算部11做為燃料指標FI而被輸出，但在本實 施形態，只有I演算部13的輸出1〇經過第一上限限制 器15 ’然後，該輸出ι〇與p演算部12、〇演算部 的輸出Po、Do被加總。其後，燃料指標FI經由第二上 限限制器16，做為燃料指標（操作量）Fie而被輸出至 引擎10。 在本實施形態’限制器（第一上限限制器）15的 上限值Im、限制器（第二上限限制器）16的上限值FIm， 在上限值演算部17被算出，以來自上限值演算部17的 輸出’分別設定上限限制器15、16的上限值Im、FIm。 在此’燃料指標Π的第二上限值Fim是從目標旋轉數 No後述的負載抵抗係數R的代表值Rr來算出，來自I 演算部13的輸出1〇的上限值im，是從目標旋轉數No、 代表負載抵抗係數Rr以及負載抵抗係數R的變動成分 的實效值（RMS) Ra來算出（後述）。 在此’負載抵抗係數R的變動成分的實效值R(j， 如後述’在R演算部18從實際旋轉數Ne與實際燃料 指標Fie來算出。另一方面，代表負載抵抗係數Rr是 以手動（manual)來設定的值，到如後述進行變更為止 被保存在記憶體（圖未顯示）等。 接下來’說明關於負載抵抗係數r的意義以及根據 本實施形態中的負載抵抗係數R的上限值Im、Flm的 設定方法。又’在以下說明中，旋轉速度（旋轉數）N、 輸出Pw、力矩Q、燃料指標FI的值，以引擎的額定最 201144582 大連續出力（maximum continuous rating;MCR)時變成 100%的百分率[%]來表示。 根據螺槳定律（Propeller Law)，輸出Pw[%]與旋 轉速度（旋轉數）N[%]的三次方成比例，表示為式（1)。 Pw = R · (N/100)3 ⑴ 其中，R是依存海象的係數[%]，本說明書中將係 數R稱為負載抵抗係數。又，R[%]在平靜水面狀態（沒 有波浪與風的平穩狀態）航行時的平均值變成100%。 另一方面，由於力矩Q[%]、輸出Pw[%]、旋轉速 度N[% ]之間為式（2 )的關係， Q = Pw/(N/100) (2) 所以力矩Q採用負載抵抗係數R，以式（3 )表示。 Q = R · (N/100)2 (3) 再者，由於調速器（governor )控制中燃料指標FI[% ] 被視為等於力矩Q[%] (FI=Q) ’所以從式（3)得到式 (4)。 FI = R · (N/100)2 (4) 因此，以代入實際燃料指標FIe[%]、實際旋轉速 度Ne[%]至式（4)，做為式（5)求出現在的負載抵抗 係數Re的值。

Re = FIe/(Ne/100)2 (5) 在本實施形態’燃料指標FI的上限值FIm ’將在 平靜水面狀態（沒有波浪與風的平穩狀態）的負載抵抗 係數R的值（100% )做為代表負載抵抗係數Rr，從目 標旋轉數No與式（4)做為式（6)而被給予。 201144582 FIm = Rr · (No/100)2 (6) 又，在平靜水面狀態的負載抵抗係數R的值是隨著 時間變化（增加），所以在維修保養等時候，其設定值 會定期地被變更。 又，在本實施形態，積分演算部13的輸出1〇的上 限值Im是做為式（7)被求得。

Im = FIm-K · Κσ (7) 在此，Κ是以模擬或實驗來決定的定數。又，負載 抵抗係數Re的變動成分的實效值ΙΙσ (負載抵抗係數 的標準差），是做為式（8)而被求得。

RcJ =(Rrms2-Rav2)1/2 (8)

Rrms=[(S (Re(t))2dt)/T],/2 其中1^^是Re的實效值，積分是例如經過過去期 間T (tl〜t2)者（t2為例如對應現在時間）。又，Rav 是經過負載抵抗係數Re⑴的期間T(tl〜t2)的平均值， 期間T選擇例如較變動（波浪）的週期長的時間。又， 做為期間T，只要為代表現在海象的Rav被獲得的時間 即可，選擇例如數十秒到一小時程度的時間。但是，期 間T也可以比前述時間長，在波浪的週期短的狀況，也 可以選擇比前述時間短的週期。 又，在本實施形態，用式（6)、式（7)求上限限 制器15、16的上限值FIm、Im，但也可以用別的方法 設定上限值FIm、Im的值。又，在式（7)的上限值Im 是對應負載抵抗係數Re的值來變更，但也可以是僅從 目標旋轉數No來決定的結構。例如，將式（6)用於 201144582

Im，也可以設定比這個更大的值於nm。例如可以設定 對應過旋轉、過貞鮮的值做為FIm。又 =的最大力矩的值，例如= ΐ 的輸出lG的變動的最大值還小的值。 接下來>照第二圖，說明關於僅在 I。使用上限限制ϋ的狀況的作用、效^財拍輸出 載抵=?苐相二異二控：動\⑷〜⑹，負 方十⑴ 弟⑷圖的變動時，模擬在各控制 變i )的（a)旋轉數變動、(b)燃料指標 變動、⑴輸出變動時的結果。在此，三個 ；; =幻以=轉速度控制方式，旋“度⑽； J為-疋’⑻燃料指標限制方式，不 ^ 8V二上限限制器16僅將燃料指標打限制於上限： 限制2 :麦述)，(C)積分成分限制方式，不設有上限 制^卩上限聞器15僅將1演算部的輸出10限 制於上限值81[%](後述）。 限 如第二⑷圖所示’對於各控制方式（α)〜 d負載抵抗係數Re的變動是相同的（符號Α4、 〜ion斯。5 ’第二圖的圖表中，在橫軸（時間軸）〇 表示旋轉速度控财式（A)的各變

2//-1〇0〜2〇0秒的範圍，在200〜300秒的範圍， 刀別表不燃料指標限制方式（B (C)的各物理量的變動間。積刀成刀限制方式 ，第二⑷圖所示’假定的負載抵抗係數^ 疋比平靜無波狀態的值（Re=1〇〇[%])還高的值， 201144582 對應於例如船體逆風中，受到波浪影響下航行的狀態。 負載抵抗係數Re包含約1〇秒周期這樣短的變動與約 100秒做為周期這樣長周期的變動。又，在第二圖的例’ 在任一控制方式（A)〜（C)皆是，目標旋轉速度（旋 轉數）No被設定在90[%]。也就是說，在上述控制方 式（B)、（C)的上限值Fim、Im的81 [%]的值’是在 平靜無波狀態下No=90[%]時的燃料指標的值，從式（6 ) 獲得者。 在旋轉速度控制方式（A)，對應負載抵抗係數Re 的短周期以及長週期的變動，燃料指標Fie大幅變動（符 號A2)，從旋轉速度，長周期的變動略相抵銷（符號 A1)。但是’在旋轉速度，留下短周期變動的影響，以 目標值90[%]為中心，對應短周期的變動而變動（符號 A1)。因此’輸出pw (=FIe· (ΝΛ00))是配合負載抵 抗係數的長周期及短周期的變動來變動（符號A3)，其 值整體來說’比平靜無波狀態以目標值No=90[%]航行 狀況的輸出（Pwo) 72.9 (=Flm · (No/100)) [%]還高。 另一方面’在燃料指標控制方式（B)，燃料指標的 上限值被限制在Πιη=81[%](符號B2)。因此，負載抵 抗係數會增加，將旋轉速度維持在9〇[%]，需要將燃料 指標提高到大於81 [%]的區域’如第二（b)圖所示， 燃料指標被抑制在81[%](符號B2)。由此，在負載抵 抗係數超過100[%]而變動的區域，旋轉速度以大約逆 相關於負載抵抗係數的變動來變動，其整體變得比目標 旋轉速度No (90[%])低，短周期的變動的振幅也被擴 201144582 大（符號B1)。但是，旋轉速度的上側頂峰值，被抑制 於小於旋轉速度控制方式（A)時的值（91[%])(符號 B1)。又，輸出Pw以略小於Pwo (72.9[%])的值為中 心來變動（符號B3)。也就是說，在燃料指標限制方式 (B )的輸出Pw，相較於旋轉速度控制方式（A )是被 降低者。 接下來在積分成分限制方式（C)，PID演算中，僅 比例成分輸出P〇、積分成分輸出1〇、微分成分輸出Do 内的積分成分（I)的上限被限制在上限值（81[%])。 因此，追隨長周期變動的燃料指標的上升，被上限值Im 所限制。但是，因為關於比例成分輸出Po及微分成分 輸出Do，與旋轉速度控制方式（A) —樣，所以燃料指 標追隨短周期的變動（符號C2)。此時，旋轉速度的長 周期及短周期的變動，皆變得比在燃料指標限制方式 (B)時小，來自目標值No的整體旋轉速度的低落也 會變小。再者，旋轉速度的上側頂峰值，被降低至大致 相同於燃料指標限制方式（B)的值（約91 [%])(符號 C1)。又，輸出Pw以略高於Pwo (72.9[%])的值為中 心，幾乎沒有變動（符號C3)。也就是說，在積分成分 控制方式（C )的輸出Pw的變動，相較於旋轉速度控 制方式（A)或燃料指標控制方式（B)，是被大幅地降 低（符號C3)。 比較以上三個控制方式（A )〜（C )，在旋轉速度 控制方式（A)，旋轉速度的上側頂峰值為中，旋轉速度 的變動幅度為中，燃料指標的變動幅度為大，輸出的變 11 201144582 動幅度為大。 接下來’在燃料指標限制方式（B)，旋轉速度的上 側頂峰值為小，旋轉速度的變動幅度為大，燃料指標的 變動幅度為小’輸出的變動幅度為大。 再者，在積分成分限制方式（c)，旋轉速度的上側 頂峰值為小，旋轉速度的變動幅度為中，燃料指標的變 動幅度為中，輸出的變動幅度為小。 別丄从评貝刀取刀丨氏剌万式的本實施型態中， 使燃料指標（操作量）追隨短周期的波浪導致 係數的變動（負載變動）並對於長周期的波浪抑== 量的變動，並抑制引擎輸出的變動。由此，提升％铞作 率’改善燃料消耗。又’藉由抑制隨著負載變動 速度變動的上侧頂峰值，來抑制旋轉速度的上#、疋轉 降低對引擎施加的負擔。 -的上升，可以 再者，本實施形態中，因為各限制器的上限值會 應目標旋轉速度的值自動變更，所以可以經常進行^ 器控制’該調速器控制適合被設定的目標旋轉迷户。' 又’本實施形態中，因為僅設於PID演算的I演算^的 輸出的限制器的上限值，會對應負載抵抗係數的值自動 地進行變更’所以可以進行更適應海象變化的調速器护： 制。也就是說’在負載變動的變動幅度大的海象，j演 算部的輸出的上限值會被抑制得更低。 、 又，本實施形態中，由於從實際旋轉數、實際燃料 指標求得負載抵抗係數，所以不需要設有新結構，可以 將海象狀態計量化，而適當地設定、變更積分成分的上 12 201144582 限限制器。 又，將旋轉速度的上限頂峰下降，並抑制燃料指標 的變動幅度，藉此將輸出平均下降，意圖改善燃料消 耗，就這點來說，即使僅是燃料指標限制方式（B)以 式（6)來設定上限限制器16的上限值FIm，也有一定 的效果。也就是說，將操作量的上限限制器的上限值， 在負載變動不被施加於控制系統時，設定在輸出被維持 在目標值的操作量的值的狀況下，也有一定的效果。 又，在本實施形態，將負載抵抗係數的變動成分的實效 值，做為評價負載抵抗係數的變動幅度的指標，但也可 以用實效值以外的指標。 又，在本實施形態舉船舶的主機為例說明了，但即 使是在汽車或飛機等其他乘坐物的速度一定控制（自動 巡航功能等）或旋轉數一定控制，也可以使用本發明。 例如在汽車進行速度一定控制的狀況，以無風狀態 的水平行駛獲得目標速度（目標值）Vo需要的燃料指 標（操作量）FI做為上限值FIm (或是Im)。又，從實 際速度Ve與燃料指標Fie，算出車輛的負載抵抗，根據 其變動幅度，可以變更上限值Im的值。 13 201144582 【圖式簡單說明】 第一圖：表示本實施形態的引擎控制裝置的結構的方塊 圖。 第二圖：在對於負載抵抗係數的變動的旋轉速度控制方 式、燃料指標限制方式積分成分限制方式的各物理量變 動的表示圖。 【主要元件符號說明】 10 引擎 11 PID演算部 12 P演算部 13 I演算部 14 D演算部 15 上限限制器 16 上限限制器 17 上限值演算部 18 R演算部

Claims (1)

1. 201144582 七、申請專利範圍： 1. 一種引擎控制裝置，具備：PID演算部，進行將控制 量維持在一定目標值的控制，其特徵為：在前述HD 演算部，僅對於來自I演算部的輸出，設有第一上限 限制器。 2. 如申請專利範圍第1項所述的引擎控制裝置，具備： 上限值算出手段，根據前述目標值算出前述第一上限 限制器的上限值。 3. 如申請專利範圍第2項所述的引擎控制裝置，其中 前述第一上限限制器的上限值是根據前述控制量與 在前述控制的操作量來算出。 4. 如申請專利範圍第3項所述的引擎控制裝置，其中 前述引擎是船舶主機，前述控制量是前述引擎的旋轉 速度，而前述操作量是燃料指標。 5. 如申請專利範圍第4項所述的引擎控制裝置，其中 從前述旋轉速度以及前述燃料指標的值求得前述船 舶的現在的負載抵抗係數，並根據前述負載抵抗係數 的變動幅度，求得前述第一上限限制器的上限值。 6. 如申請專利範圍第5項所述的引擎控制裝置，前述 引擎控制裝置具備：第二上限限制器，規定從前述 PID演算部輸出的操作量的上限，前述第二上限限制 器的上限值是從在平靜無波狀態的前述船舶的負載 抵抗係數與目標旋轉速度來算出。 7. 如申請專利範圍第6項所述的引擎控制裝置，其中 前述第一上限限制器的上限值，是從前述第二上限限 制器的上限值，扣除根據前述變動幅度的值得到的 值0 15 201144582 8. 如申請專利範圍第1〜5項中任一項所述的引擎控制 裝置，前述引擎控制裝置具備：第二上限限制器，規 定從前述PID演算部輸出的操作量的上限。 9. 一種船舶，其特徵為：具備如申請專利範圍第1〜8 項中任一項所述的引擎控制裝置。 10. —種引擎控制方法，其特徵在於進行PID演算以進 行將控制量維持在一定的目標值的控制，使從前述 PID演算中I演算的輸出經過上限限制器，並與前述 PID演算的P演算的輸出以及D演算的輸出相加做為 前述控制的操作量。 11. 一種引擎控制方法，其特徵為： 具備PID演算部，用以進行將控制量維持在一定 的目標值的控制；以及 上限限制器，規定從前述PID演算部輸出的操作 量的上限值， 其中前述上限限制器的上限值，在負載變動不被施 加於在前述控制的輸出時，設定在前述目標值被維持 的操作量的值。 16