TWI444309B - Ship engine control system and method - Google Patents

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TWI444309B
TWI444309B TW099129231A TW99129231A TWI444309B TW I444309 B TWI444309 B TW I444309B TW 099129231 A TW099129231 A TW 099129231A TW 99129231 A TW99129231 A TW 99129231A TW I444309 B TWI444309 B TW I444309B
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Kazutaka Shimada
Takeshi Aoki
Hidenori Yamamoto
Akira Mitsufuji
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Mitsui Shipbuilding Eng
Mitsui Zosen Systems Res Inc
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Description

船舶用引擎控制系統及方法
本發明係關於一種船舶用引擎控制系統，特別是關於依據海象進行船舶用引擎之控制的控制系統。
船舶用引擎之控制係進行PID控制以使所設定之目標旋轉速度與實際旋轉速度之間無偏差。但是，在暴風雨時等，因螺旋槳之負載扭矩急遽變化，仍假設是在正常天候下航行而實施增益(gain)之PID控制，可能因超速而導致發動機故障等。針對此種問題，曾提出有預測干擾造成螺旋槳旋轉速度之變動，來變更PID控制之增益的結構(專利文獻一)。
專利文獻一：日本特開平8-200131號公報
為了提高油耗效益需要依海象進行調速控制，但是專利文獻一由於並未進行海象之判斷，因此無法密切對應於時時刻刻變化的海象。又，旋轉速度控制並非依據海象，因此油耗效益之效率不佳。
本發明之目的為無須新設感測器，而是藉由判斷海象之變化，依海象進行調速控制以謀求提高油耗效益。
本發明之船舶用引擎控制系統的特徵為：從主發動機之旋轉速度與燃料指數求出負載阻力係數，將從負載阻力係數導出之物理量作為參數，而進行控制模式之切換。
物理量中包含負載阻力係數之變動周期或變動之有效值至少其中之一。又，控制模式之切換對應於控制目標值之切換，此時之控制模式中例如包含旋轉速度控制、輸出控制、燃料指數控制至少其中之一個。
使用更新之負載阻力係數進行從目標旋轉速度向目標燃料指數之變換，或是從目標旋轉速度向目標輸出值之變換，並將負載阻力係數在指定時間之平均值用於該變換。
又，控制模式之切換例如對應於控制參數之切換。控制參數之切換例如對應於PI運算之靈敏度，靈敏度之切換在比例項之靈敏度相對大且積分相對短之模式，與比例項之靈敏度相對小且積分相對長之模式間進行。
本發明之船舶的特徵為：具備前述任何一個船舶用引擎控制系統。
本發明之船舶用引擎控制方法的特徵為：從主發動機之旋轉速度與燃料指數求出負載阻力係數，將從負載阻力係數導出之物理量作為參數，而進行控制模式之切換。
依據本發明，無須新設感測器，可藉由判斷海象之變化，依海象進行調速控制以提高油耗效益。
以下，就本發明之實施形態，參照圖式作說明。
第一圖係顯示本發明第一種實施形態之船舶用引擎控制系統的結構之控制區塊圖。
第一種實施形態之船舶用引擎控制系統10例如具備三個控制模式，各控制模式可依海象之狀態等擇一選擇。第一控制模式係將主發動機13之實際旋轉速度(轉速)Ne維持在目標旋轉速度(轉速)No的旋轉速度控制。第二控制模式係將主發動機13之輸出Pe維持在目標值Po的輸出控制。又，第三控制模式係將燃料噴射量，亦即將作為其指標之燃料指數FIe維持在目標值FIo的燃料指數控制。
船舶用引擎控制系統10供操縱者在任何控制模式中均可賦予旋轉速度(No)作為控制指令。亦即本實施形態之調速控制時，操縱者僅須認為旋轉速度是控制對象即可。
第一控制模式(旋轉速度控制)係將作為控制指令所賦予之目標旋轉速度No與反饋之實際旋轉速度Ne間的偏差輸入控制器11。來自控制器11之輸出經由切換開關22而送至致動器15，致動器15將對應於來自控制器11之輸出的燃料噴射量(燃料指數FIe)之燃料供給至主發動機13。
另外，切換開關22係進行第一至第三控制模式間之切換的開關，且在選擇第一控制模式時，連接旋轉速度控制用之控制器11與致動器15。
第二控制模式(輸出控制)係將作為控制指令所賦予之目標旋轉速度No在旋轉速度/輸出變換區塊16中變換成目標輸出Po(後述)。輸出控制時，反饋主發動機13現在之輸出Pe，並將與目標輸出Po間之偏差輸入控制器17。在第二控制模式中，切換開關22連接控制器17與致動器15，來自控制器17之輸出經由切換開關22而送至致動器15。致動器15在主發動機13中進行對應於來自控制器17之輸出的燃料噴射(對應於燃料指數FIe)。
另外，反饋之現在的輸出Pe係在輸出算出區塊19中，從主發動機13之實際旋轉速度Ne與對應於實際燃料噴射量之燃料指數FIe而算出(後述)。
又，由於在旋轉速度/輸出變換區塊16中之變換係依據後述之負載阻力係數R的平均值Rav 作變換者，因此負載阻力係數R及其平均值Rav 係在負載阻力係數算出區塊24中，如後述地從實際燃料指數FIe與實際旋轉速度Ne而算出。
第三控制模式(燃料指數控制)係將作為控制指令所賦予之目標旋轉速度No在旋轉速度/燃料指數變換區塊12中變換成目標燃料指數FIo。另外，該變換中仍使用在負載阻力係數算出區塊24中算出之負載阻力係數R的平均值Rav 。
燃料指數控制時，反饋對應於實際燃料噴射量之燃料指數FIe，並將與目標燃料指數FIo間之偏差輸入控制器14，在第三控制模式中，切換開關22連接控制器14與致動器15，來自控制器14之輸出經由切換開關22而送至致動器15。致動器15在主發動機13中進行對應於來自控制器14之輸出的燃料噴射(對應於燃料指數FIe)。
如以上所述，第一種實施形態之船舶用引擎控制系統10可藉由切換開關22之切換，而在旋轉速度控制、輸出控制、燃料指數控制之間切換控制模式，以進行配合海象之調速控制。
其次，就旋轉速度/輸出變換區塊16、旋轉速度/燃料指數變換區塊12中之控制目標值的變換公式，及輸出算出區塊19中之輸出算出公式作說明。另外，以下之說明將旋轉速度N、輸出P、扭矩T、燃料指數FI以主發動機13的連續最大額定(MCR)時是100%的百分率[%]來表示。
依據螺旋槳定律，輸出P[%]與旋轉速度N[%]之三次方成正比，而表示為
P=R‧(N/100)3 　(1)
其中，R係取決於前述海象之係數[%]，本說明書中稱為負載阻力係數。另外R[%]於水面平靜狀態(無風浪之穩定狀態)下航行中為100%。
另外，由於扭矩T[%]、輸出P[%]及旋轉速度N[%]之間有如下之關係，
T=P/(N/100)　(2)
因此，扭矩T於使用負載阻力係數R時，表示為
T=R‧(N/100)2 　(3)
又，調速控制中，由於燃料指數FI[%]可看成等於扭矩T[%](FI=T)，因此從公式(3)獲得以下公式
FI=R‧(N/100)2 　(4)
因此，負載阻力係數R決定時，旋轉速度/輸出變換區塊16係依據公式(1)從旋轉速度N求出輸出P，旋轉速度/燃料指數變換區塊12係依據公式(4)求出燃料指數FI。
又，從公式(4)，現在之負載阻力係數R的值可從燃料指數FIe[%]與實際旋轉速度Ne[%]，而用
R=FIe/(Ne/100)2 　(5)
求出。
亦即，公式(4)之負載阻力係數R雖依海象而時時刻刻變化，不過其值可從公式(5)求出。因此，本實施形態之旋轉速度/輸出變換區塊16及旋轉速度/燃料指數變換區塊12係將使用公式(5)而算出之負載阻力係數R在指定時間(例如數十分鐘至數小時程度，並宜為1小時程度)T的平均值Rav =[∫FIe/(Ne/100)2 ‧dt]/T，在每個指定時間T更新、設定，作為在公式(1)、公式(4)使用之負載阻力係數R的值。
亦即，旋轉速度/輸出變換區塊16係使用
Po=Rav ‧(No/100)3 　(6)
作為變換式，旋轉速度/燃料指數變換區塊12係使用
FIo=Rav‧(No/100)2 　(7)
作為變換式。
又，在輸出算出區塊19中算出之輸出Pe的值，從公式(1)、(5)，用
Pe=FIe‧(Ne/100)　(8)
而求出。
第二圖中示意地顯示負載阻力係數R、實際旋轉速度Ne、燃料指數FIe之具體時間序列變化。另外，第二圖(a)係顯示旋轉速度Ne[%]，第二圖(b)係顯示燃料指數FIe[%]之計測值，第二圖(c)係顯示將第二圖(a)、第二圖(b)所示之實際旋轉速度Ne、燃料指數FIe代入公式(5)而算出之負載阻力係數R[%]的算出值之時間序列變化者，橫軸係時間[秒]。
如第二圖(a)所示，實際旋轉速度Ne即使在將旋轉速度(轉速)保持一定之旋轉速度控制中，仍因波浪之影響而以所設定之目標值為中心而變動，變動之周期與船體承受波浪之周期有關。另外，如第二圖(b)所示，燃料指數(燃料噴射量)FIe中除了有關旋轉速度變動之變動外，還存在位數(order)遠比旋轉速度變動之周期大的流向(trend)。而藉由公式(5)R=FIe/(Ne/100)2 算出之負載阻力係數R受到第二圖(a)、第二圖(b)各個變動之影響，而如第二圖(c)所示地變動。
其次，第三圖中顯示在旋轉速度控制、輸出控制、燃料指數控制之各控制模式中的主發動機之旋轉速度[%]的變動(第三圖(a))、燃料指數值之變動(第三圖(b))、輸出變動(第三圖(c))、負載阻力係數之變動(第三圖(d))的代表例。
如第三圖所示，燃料指數控制例如第三圖(d)所示地係在發生負載阻力係數R之變動小且周期亦短之主發動機的反應延遲時作選擇。燃料指數控制如第三圖(b)所示，係將燃料指數維持一定，不過第三圖(a)、第三圖(c)所示之旋轉速度及輸出係以短的周期稍微變動。
如第三圖(d)所示，輸出控制係在負載阻力係數R之變動為中等程度，且周期亦某種程度長，主發動機可密切追隨之狀況下作選擇。主發動機之輸出藉由前述之輸出控制而如第三圖(c)所示地概略維持一定，而主發動機穩定地運轉。此時旋轉速度(第三圖(a))及燃料指數(第三圖(b))以與負載阻力係數R概略相同之周期且以中等程度之大小而變動。
又，旋轉速度控制例如在波濤巨浪中或在港灣區使用，例如防止因空轉而造成主發動機過度旋轉等。例如發生空轉時，如第三圖(d)所示，負載阻力係數R之值突然變極小。此時，因旋轉速度開始急遽上昇，所以為了將旋轉速度維持一定，而大幅降低燃料指數(第三圖(b))，並大幅降低主發動機之輸出(第三圖(c))。藉此防止旋轉速度過度上昇。
如以上所述，第一種實施形態可依海象等將適切之物理量設定成控制目標值來進行調速控制，可提高油耗效益。又，賦予目標旋轉速度No時，獲得適合其值及此時之海象的輸出控制目標值Po及燃料指數控制目標值FIo，因此可進一步改善油耗效益。
其次，參照第四圖、第五圖，就本發明第二種實施形態之船舶用引擎控制系統作說明。第二種實施形態之船舶用引擎控制系統的結構概略與第一種實施形態之船舶用引擎控制系統相同，不過第二種實施形態係將負載阻力係數R之變動周期與負載阻力係數R之變動有效值作為參數來進行第一至第三控制模式之切換。
第四圖顯示依據負載阻力係數R之變動周期與有效值進行第一至第三控制模式之切換的控制圖(control map)之一例。亦即，第四圖中之橫軸對應於負載阻力係數R之變動周期，縱軸對應於負載阻力係數R之變動有效值。
一般而言，負載阻力係數R之變動周期的長短與主發動機對波浪變動的隨動性為正相關，變動有效值之大小與波浪影響之大小為正相關，並且與雜訊影響之大小為逆相關。因此，本實施形態在變動周期短且主發動機之反應性低的情況，及雖變動有效值小且波浪之影響小，但雜訊之影響大的情況下，係進行燃料指數控制，固定燃料噴射量以抑制噴射燃料之浪費(燃料指數控制模式)。
反之，在變動周期長且獲得充分之隨動性的情況，及變動有效值大且發生空轉之波浪的影響大情況下，係進行旋轉速度控制，將主發動機(螺旋槳)旋轉速度維持一定(旋轉速度控制模式)。而在此等兩個運轉模式的中間帶，係進行輸出控制，將主發動機之輸出維持一定(輸出控制模式)。
亦即，第二種實施形態係依據在負載阻力係數算出區塊24(第一圖)中算出之負載阻力係數R，進一步算出負載阻力係數R變動之周期與負載阻力係數R變動之有效值，並參照第四圖之控制圖選擇對應區域之控制模式來進行切換開關22(第一圖)之切換。
此時，第五圖(a)中顯示第二圖(c)所示之負載阻力係數R[%]的變動成分Rv[%]之時間序列變化與Rv之有效值Re[%]的時間序列變化的曲線圖。另外，第五圖(a)中之變動成分Rv對應於從第二圖(c)之負載阻力係數R除去流向者。又，第五圖(b)中顯示描繪從第五圖(a)之變動成分Rv[%]上昇中橫跨0[%]之時刻至其次的上昇中橫跨0[%]時刻所花費的時間圖，本實施形態使用該值作為負載阻力係數R之變動周期。
如以上所述，依據本發明之第二種實施形態，可獲得與第一種實施形態概略同樣之效果，並且可從負載阻力係數之變動周期、變動之有效值等的從負載阻力係數導出之物理量判斷現在之海象，而從控制目標值不同之複數個控制模式選擇適切之控制模式。
其次，參照第六圖、第七圖就第三種實施形態作說明。第三種實施形態與第二種實施形態同樣地，係將負載阻力係數R之變動周期與變動之有效值作為參數來切換調速控制模式。第二種實施形態之控制模式的切換係將控制目標值變更為旋轉速度、輸出、燃料指數，而第三種實施形態不進行控制目標值之變更，係對應於圖(map)之各區域來變更控制參數。
第三種實施形態之船舶用引擎控制系統例如將旋轉速度控制用於調速控制，在對應於第二種實施形態之控制圖(第四圖)所示的旋轉速度控制、輸出控制、燃料指數控制之各區域的區域，分別如第六圖之控制圖所示地選擇敏感控制、中度控制、緩慢控制。
第七圖顯示第三種實施形態之旋轉速度控制的控制區塊圖。另外，就與第一、第二種實施形態同樣之結構，使用相同參照符號而省略其說明。第三種實施形態之旋轉速度控制係將目標旋轉速度No與實際旋轉速度Ne的偏差輸入控制器25。來自控制器25之輸出輸入至致動器15，而對主發動機13供給對應於來自控制器25之輸出的燃料噴射量(燃料指數FIe)。
控制器25例如包含PID控制區塊，各項之增益的設定係依據來自控制模式切換區塊26之指令而變更。在控制模式切換區塊26中輸入實際燃料指數FI與實際轉速Ne，與第一種實施形態之負載阻力係數算出區塊24同樣地算出負載阻力係數R，並且算出其變動周期及變動之有效值，並參照第六圖之控制圖。而後，控制模式切換區塊26對控制器25之PID控制區塊設定依據控制圖而選擇之控制模式的增益。
表一中顯示在第三種實施形態之各控制模式中進行PID運算之各項靈敏度的相對性關係，此等藉由變更各項增益之設定而變更。
又，第六圖係劃分控制模式為三個區域，不過亦可僅劃分兩個控制模式而構成，該情況下例如劃分成敏感控制與緩慢控制，兩模式中進行PID運算之比例項、積分項的靈敏度之相對性關係顯示於表二。
另外，此種情況下亦可僅為PI控制。
如以上所述，第三種實施形態亦可獲得與第二種實施形態概略同樣之效果。另外，本實施形態係以旋轉速度控制為例作說明，不過亦可將本實施形態適用於輸出控制及燃料指數控制。
又，第一至第三種實施形態在加以整合之範圍中，亦可分別組合而適用。
另外，各種實施形態中，亦可將算出之負載阻力係數、其變動周期、變動之有效值中的任何一個或從負載阻力係數導出之物理量的二個以上顯示於操舵室及發動機室等而構成。又，第二、第三種實施形態中，亦可僅與負載阻力係數之變動周期、變動之有效值中的任何一方或是與從負載阻力係數導出之其他物理量組合來規定將控制模式之切換。又，亦可取代變動周期而使用變動頻率。再者，本實施形態之操縱者設定旋轉速度作為控制指令，不過亦可設定燃料指數、輸出、船速及其他物理量作為控制指令而構成。
又，控制方法不限於PID控制，亦可適用於現代控制理論、適用控制、學習控制等。例如第三種實施形態之情況，係依據從負載阻力係數導出之物理量，變更PI運算及PID運算之靈敏度，來進行控制模式之切換，不過，例如現代控制理論、適用控制、學習控制等亦可依據從負載阻力係數導出之物理量變更各個控制中之控制參數值，來進行控制模式之切換。
10．．．船舶用引擎控制系統
11．．．控制器
12．．．旋轉速度/燃料指數變換區塊
13．．．主發動機
14．．．控制器
15．．．致動器
16．．．旋轉速度/輸出值變換區塊
17．．．控制器
19．．．輸出算出區塊
22．．．切換開關
24．．．負載阻力係數算出區塊
25．．．控制器
26．．．控制模式切換區塊
FI、FIe．．．燃料指數
FIo．．．目標燃料指數
N．．．旋轉速度
Ne．．．實際旋轉速度
No．．．目標旋轉速度
P．．．輸出
Pe．．．主發動機之輸出
Po．．．目標值
R．．．負載阻力係數
Rav．．．負載阻力係數平均值
Rv．．．負載阻力係數變動成分
Re．．．有效值
T．．．扭矩
第一圖係第一種實施形態之船舶用引擎控制系統的控制區塊圖。
第二圖係顯示負載阻力係數R、實際旋轉速度Ne、燃料指數FIe之具體時間序列變化的曲線圖。
第三圖係顯示燃料指數控制、輸出控制、旋轉速度控制中之動態特長的曲線圖。
第四圖係第二種實施形態使用之控制圖的例。
第五圖係顯示第二圖(c)所示之負載阻力係數R的變動成分Rv、其有效值Re之時間序列變化及負載阻力係數R之變動周期的曲線圖。
第六圖係第三種實施形態使用之控制圖的例。
第七圖係第三種實施形態之船舶用引擎控制系統的控制區塊圖。

Claims (9)

  1. 一種船舶用引擎控制系統，其特徵為：根據主發動機之實際旋轉速度之平方的倒數之比例與燃料指數之比例求出負載阻力係數，將從前述負載阻力係數導出之物理量作為參數，而進行控制模式之切換。
  2. 如申請專利範圍第1項之船舶用引擎控制系統，其中前述物理量中包含前述負載阻力係數之變動周期或前述變動之有效值至少其中之一。
  3. 如申請專利範圍第2項之船舶用引擎控制系統，其中前述控制模式之切換係對應於旋轉速度控制、輸出控制、燃料指數控制之中任兩者的切換。
  4. 如申請專利範圍第1至第3項中任一項之船舶用引擎控制系統，其中使用更新之前述負載阻力係數進行從目標旋轉速度向目標燃料指數之變換，或是從目標旋轉速度向目標輸出值之變換。
  5. 如申請專利範圍第4項之船舶用引擎控制系統，其中將前述負載阻力係數在指定時間之平均值用於前述變換。
  6. 如申請專利範圍第1項或第2項之船舶用引擎控制系統，其中前述控制模式之切換係對應於控制參數之切換。
  7. 如申請專利範圍第6項之船舶用引擎控制系統，其中前述控制參數之切換係對應於PI運算之靈敏度，前述靈敏度之切換係在前述比例項之靈敏度相對大且前述積分相對短之模式，與比例項之靈敏度相對小且 前述積分相對長之模式間進行。
  8. 一種船舶，其特徵為：具備申請專利範圍第1至第7項中任一項之船舶用引擎控制系統。
  9. 一種船舶用引擎控制方法，其特徵為：根據主發動機之實際旋轉速度之平方的倒數之比例與燃料指數之比例求出負載阻力係數，將從前述負載阻力係數導出之物理量作為參數，而進行控制模式之切換。
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