WO2011122375A1 - 舶用エンジン制御装置および方法 - Google Patents

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Definitions

  • the present invention relates to an engine control device that controls the operation of a ship main engine.
  • Patent Document 1 Although it has been proposed to change the PID control parameter by predicting the rotational speed fluctuation due to the disturbance by simulation, it responds to the increase in hull resistance over time, the decrease in propeller efficiency, the deterioration in engine performance, etc. Therefore, the configuration for changing the control is not adopted.
  • the object of the present invention is to operate the main engine efficiently in accordance with the secular change of the ship.
  • a marine engine control device includes a control unit that controls the operation of a main engine of a ship, an observer that includes a ship including the main engine and a hull, an operation amount input from the control unit, and a secular change of the control target. It is characterized by comprising a correcting means for estimating a physical quantity affected by the observer with an observer and changing a control parameter of the control unit based on a value before the aging of the physical quantity and a value after the aging.
  • the correcting means change the observer simulator to a numerical model corresponding to the control target after the aging based on the value before the aging of the physical quantity and the value after the aging. Thereby, the secular change of a control object can be estimated more correctly.
  • the ship engine control device preferably includes a memory that records a value before physical change of the physical quantity, and the correcting means includes the value of the physical quantity recorded in the memory and the value of the physical quantity estimated after the temporal change.
  • the control parameter is changed based on the above.
  • the physical quantity is, for example, the ship speed
  • the correction means changes the control parameter in accordance with the difference in ship speed before and after aging.
  • the control unit performs PID control
  • the correction unit changes the P gain and / or D gain to a larger value as the ship speed difference is larger.
  • the correction means changes the I gain to a smaller value as the boat speed difference increases.
  • the rotational speed of the main engine is detected and fed back to the observer.
  • the ship of the present invention is characterized by including the engine control device.
  • the marine engine control method estimates a physical quantity that is affected by a secular change of a control target in an observer that receives an operation amount from a control unit that controls the operation of the main engine as a control target for a ship including a main engine and a hull.
  • the control parameter of the control unit that controls the operation of the main engine is changed based on the value before the aging of the physical quantity and the value after the aging change.
  • Controlled object 11 Control part (PID calculating part) 12 Observer 13 Memory 14 Correction Operation Unit
  • FIG. 1 is a control block diagram showing a configuration of a marine engine control apparatus according to an embodiment of the present invention.
  • the control object 10 includes a main machine, a propeller, a hull, and the like, and a governor command u is given from the control unit 11 to the main machine.
  • the control unit 11 is a governor that performs PID control, for example, with a constant rotation speed.
  • a sensor (not shown) for measuring the actual rotational speed Ne of the main machine is provided on the output shaft (not shown) of the main machine, and the actual rotational speed Ne is negatively fed back to the input side of the control unit 11. That is, the deviation between the target rotational speed No and the actual rotational speed Ne is input to the control unit 11, and the governor command u is output through the PID calculation.
  • the engine control apparatus of the present embodiment includes an observer 12 in which the control target 10 is numerically modeled.
  • FIG. 2 is a block diagram showing a detailed relationship between the controlled object 10 and the observer 12.
  • the observer 12 receives the governor command u and uses the rotational speed N, the ship speed (vs. water speed) V, and the like as state variables.
  • the observer 12 feeds back the difference between the actual rotational speed Ne and the rotational speed Nm that is the output of the simulator to the simulator, and estimates each state variable.
  • A, B, C, and K in FIG. 2 are operators that operate on each variable.
  • the engine control device includes a memory 13 and a correction calculation unit 14.
  • the correction calculation unit 14 is a calculation unit that calculates a correction amount for correcting the control parameter of the control unit 11 in accordance with the secular change of the actual ship by using the output from the observer 12 and the data stored in the memory 13.
  • the control parameter to be corrected is a PID gain
  • the PID gain of the control unit 11 is updated based on the correction amount calculated by the correction calculation unit 14. Is done.
  • the memory 13 records the ship speed Vmo calculated by the observer 12 at the previous control parameter update.
  • the ship is sailed under the same conditions as when the ship speed Vmo was calculated, for example, with the rotation speed and fuel input amount set to the same values as the previous time, and the current ship speed Vm is set to the observer.
  • the correction calculation unit 14 receives the current ship speed Vm estimated by the observer 12 and the past ship speed Vmo stored in the memory 13, and the correction amount of the control parameter of the control unit 11 based on these values. Is calculated.
  • the ship speed will be slower than when it was last updated (for example, at the time of new construction) even if the sea conditions and fuel supply amount are the same. Therefore, the current ship speed Vm estimated by the observer 12 is slower than the past ship speed Vmo.
  • the difference (Vmo ⁇ Vm) between the past boat speed Vmo and the current boat speed Vm is calculated as a correction amount.
  • the P gain the P gain
  • the D gain is set large and / or the I gain is set small. That is, when the secular change occurs, the hull resistance increases and the propeller efficiency decreases. Therefore, in order to obtain the same responsiveness as in the new construction, the gain of P and / or D is increased as the difference (Vmo ⁇ Vm) is larger. It is necessary to take big. For example, the gains of P and D are increased in proportion to the increase in (Vmo ⁇ Vm), and the I gain is decreased in inverse proportion.
  • the correction calculation unit 14 also corrects the state equation in the observer 12 based on the input Vmo and Vm according to the secular change of the control target, and the simulator (numerical model) of the observer 12 performs the current control. Updated to the one corresponding to the target.
  • (N, V) t is a state vector whose components are rotation speed N and speed V (t represents transposition), and (N ′, V ′) t is a first-order derivative with respect to time of (N, V) t.
  • the governor command u as input, the state vector (N, V) t , and the 2 ⁇ 2 matrix and 2 ⁇ 1 matrix elements calculated for the input u as ⁇ A ij ⁇ and ⁇ B i ⁇ , respectively.
  • Equation of state (part) A 12 is an element including propeller rotation resistance, and A 22 is an element including hull resistance.
  • a 12 and A 22 are, for example, is updated to A 12 ⁇ Vmo / Vm and A 22 ⁇ Vmo / Vm, respectively. Other elements are maintained as they are. Further, in the above state equation, variables relating to the main engine and the like are omitted, but a configuration in which deterioration of the main engine valve and the like are taken into consideration can also be adopted.
  • the main engine can be operated efficiently at all times. This can also reduce the sea margin and improve the fuel efficiency at the time of new construction.
  • the ship speed before the secular change can be simulated with sufficient accuracy from the governor command u, this is not the past ship speed stored in the memory, but the simulated ship speed before the aging It is also possible to update the control unit and the observer by comparing the current ship speed estimated by the form observer.
  • the observed state variable is not limited to the rotation speed, and may be, for example, the torque of the propeller shaft or a plurality of physical quantities.
  • the estimated value of the ship speed is used as the physical quantity for estimating the secular change.
  • the torque and thrust are estimated by the observer, and the control parameter is updated by estimating the secular change based on the estimated value. It is also possible to do.
  • control parameters are updated so that responsiveness before aging can be obtained according to the estimated aging of the hull and propeller. It is also possible to do.

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Abstract

船体、主機、プロペラを含む制御対象１０をシミュレートするオブザーバ１２を設ける。主機を制御するための制御部１１からのガバナ指令ｕをオブザーバ１２の入力とする。主機の実回転数Ｎｅをオブザーバ１２にフィードバックする。オブザーバ１２において推定される経年劣化前の船速Ｖｍｏをメモリ１３に保存する。経年劣化後にオブザーバ１２で推定される船速Ｖｍと経年劣化前の船速Ｖｍｏの差に基づいて制御パラメータを補正する。

Description

舶用エンジン制御装置および方法
　本発明は、船舶主機の運転を制御するエンジン制御装置に関する。
　船舶主機のガバナ制御では、プロペラ回転数（主機回転数）を一定値に維持するＰＩＤ制御が広く採用される。また、レーシング時における過回転を防止するために機関のシミュレーションモデルに基づきＰＩＤ制御パラメータを変更する構成も知られている（特許文献１）。
特開平８－２００１３１号公報
　特許文献１では、外乱による回転数変動をシミュレーションで予測しＰＩＤ制御パラメータを変更することは提案されているものの、経年的な船体抵抗の増加、プロペラ効率の低下、エンジン性能の劣化等に対応して制御を変更する構成は採られていない。
　本発明は、船舶の経年変化に合わせた効率のよい主機の運転を行うことを目的としている。
　本発明の舶用エンジン制御装置は、船舶の主機の運転を制御する制御部と、主機および船体を含む船舶を制御対象とし、制御部からの操作量を入力とするオブザーバと、制御対象の経年変化の影響を受ける物理量をオブザーバで推定し、物理量の経年変化前の値と経年変化後の値に基づいて制御部の制御パラメータを変更する補正手段とを備えたことを特徴としている。
　補正手段は、物理量の経年変化前の値と、経年変化後の値に基づいてオブザーバのシミュレータを経年変化後の制御対象に対応した数値モデルに変更することが好ましい。これにより、より正確に制御対象の経年変化を推定できる。
　また、船舶のエンジン制御装置は、物理量の経年変化前の値を記録するメモリを備えることが好ましく、補正手段は、このメモリに記録された物理量の値と、経年変化後に推定される物理量の値に基づいて制御パラメータの変更を行う。物理量は例えば船速であり、補正手段は経年変化前後の船速の差に対応して制御パラメータを変更する。制御部は例えばＰＩＤ制御を行い、補正手段は上記船速差が大きいほどＰゲインおよび／またはＤゲインを大きい値に変更する。また、補正手段は、例えば上記船速差が大きいほど、Ｉゲインを小さい値に変更する。またエンジン制御装置では、例えば主機の回転数が検出され、オブザーバにフィードバックされる。
　本発明の船舶は、上記エンジン制御装置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、主機および船体を含む船舶を制御対象とし、主機の運転を制御する制御部からの操作量を入力とするオブザーバにおいて制御対象の経年変化の影響を受ける物理量を推定し、物理量の経年変化前の値と経年変化後の値に基づいて主機の運転を制御する制御部の制御パラメータを変更することを特徴としている。
　本発明によれば、船舶の経年変化に合わせた効率のよい主機の運転を行うことができる。
本発明の実施形態であるエンジン制御装置の構成を示すブロック図である。 制御対象とオブザーバの関係を示すブロック図である。
　１０　制御対象
　１１　制御部（ＰＩＤ演算部）
　１２　オブザーバ
　１３　メモリ
　１４　補正演算部
　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装置の構成を示す制御ブロック図である。
　制御対象１０には、主機、プロペラ、船体などが含まれ、主機には制御部１１からガバナ指令ｕが与えられる。制御部１１は、例えば回転数一定とするＰＩＤ制御を行うガバナである。また、主機の出力軸（図示せず）には、主機の実回転数Ｎｅを計測するセンサ（図示せず）が設けられ、実回転数Ｎｅは制御部１１の入力側に負フィードバックされる。すなわち、制御部１１には目標回転数Ｎｏと実回転数Ｎｅの偏差が入力され、ＰＩＤ演算を経てガバナ指令ｕが出力される。
　また、本実施形態のエンジン制御装置は、制御対象１０を数値モデル化したオブザーバ１２を備える。図２は、制御対象１０とオブザーバ１２の詳細な関係を示すブロック図である。図２に示されるように、オブザーバ１２は、ガバナ指令ｕを入力とし、回転数Ｎや船速（対水船速）Ｖなどを状態変数とする。本実施形態では、実回転数Ｎｅが計測されているので、オブザーバ１２では、実回転数Ｎｅとシミュレータの出力である回転数Ｎｍの差がシミュレータにフィードバックされて各状態変数が推定される。なお、図２のＡ、Ｂ、Ｃ、Ｋは各変数に作用する演算子である。
　また、エンジン制御装置は、メモリ１３と補正演算部１４を備える。補正演算部１４はオブザーバ１２からの出力とメモリ１３に保存されたデータを用いて制御部１１の制御パラメータを実船の経年変化に対応して補正する補正量を算出する演算部である。本実施形態では、制御部１１がＰＩＤ制御を行うことから、補正対象となる制御パラメータは、ＰＩＤゲインであり、制御部１１のＰＩＤゲインは補正演算部１４で算出された補正量に基づいて更新される。
　メモリ１３には、前回の制御パラメータ更新時にオブザーバ１２で算出された船速Ｖｍｏが記録されている。次に制御パラメータの更新を行うときには、船速Ｖｍｏが算出されたときと同じ条件の下、例えば回転数や燃料投入量を前回と同じ値にして船を航行させ、現在の船速Ｖｍをオブザーバで算出する。補正演算部１４には、オブザーバ１２で推定される現在の船速Ｖｍとメモリ１３に記憶されている過去の船速Ｖｍｏが入力され、これらの値に基づいて制御部１１の制御パラメータの補正量が算出される。
　経年的に船体抵抗は増大し、プロペラ効率は低下するので、海象や燃料供給量が同一であっても、船速は前回の更新時（例えば新造時）よりも遅くなる。したがって、オブザーバ１２で推定される現在船速Ｖｍは、過去の船速Ｖｍｏよりも遅くなる。
　補正演算部１４では、例えば過去の船速Ｖｍｏと現在の船速Ｖｍの差（Ｖｍｏ－Ｖｍ）が補正量として算出され、制御部１１では、（Ｖｍｏ－Ｖｍ）の値が大きいほどＰゲイン、Ｄゲインが大きく設定され、かつ／またはＩゲインは小さく設定される。すなわち、経年変化が起こると船体抵抗が増大しプロペラ効率が低下するので、新造時と同様の応答性を得るには、差（Ｖｍｏ－Ｖｍ）の値が大きいほどＰおよび／またはＤのゲインを大きく取る必要がある。例えばＰ、Ｄのゲインは（Ｖｍｏ－Ｖｍ）の増大に比例して増大され、Ｉゲインは逆比例して低減される。
　また、このとき補正演算部１４では、入力されたＶｍｏ、Ｖｍに基づきオブザーバ１２における状態方程式についても制御対象の経年変化に合わせて補正が行われ、オブザーバ１２のシミュレータ（数値モデル）が現在の制御対象に対応するものに更新される。
　例えば、（Ｎ，Ｖ）ｔを回転数Ｎおよび速度Ｖを成分とする状態ベクトル（ｔは転置を表す）、（Ｎ’，Ｖ’）ｔを（Ｎ，Ｖ）ｔの時間に関する一階微分、ガバナ指令ｕを入力とするとともに、状態ベクトル（Ｎ，Ｖ）ｔ、入力ｕにそれぞれ演算される２×２行列、２×１行列の要素を｛Ａｉｊ｝，｛Ｂｉ｝としてシステムの状態方程式（一部）を
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000001
 と表すとき、Ａ１２がプロペラ回転の抵抗を含む要素、Ａ２２が船体抵抗を含む要素となる。このときＡ１２およびＡ２２は、例えばそれぞれＡ１２・Ｖｍｏ／ＶｍおよびＡ２２・Ｖｍｏ／Ｖｍに更新される。なお、その他の要素はそのままの値に維持される。また、上記状態方程式において主機等に関わる変数は省略されているが、主機バルブの劣化なども考慮する構成とすることもできる。
　以上のように、本実施形態によれば、船速を実測することなく船体やプロペラ等の経年変化を推定し、これに合わせて制御パラメータを更新することができるので、船舶の経年変化に合わせた効率のよい主機の運転を常時行うことができる。また、これによりシーマージンを小さくすることができ、新造時の燃費も改善される。
　なお、ガバナ指令ｕから経年変化前の船速が十分な精度でシミュレートできる場合には、メモリに保存された過去の船速ではなく、シミュレートされた経年変化前の船速と、本実施形態のオブザーバで推定される現在の船速を比較して制御部やオブザーバの更新を行うこともできる。
　また、観測される状態変数は回転数に限定されず、例えばプロペラシャフトのトルクなどであってもよいし、複数の物理量であってもよい。また、経年変化を推定するための物理量として、本実施形態では船速の推定値を用いたが、例えばトルクやスラストをオブザーバで推定し、これに基づいて経年変化を推定して制御パラメータを更新することも可能である。
　本実施形態ではＰＩＤ制御を例に説明を行ったが、それ以外の制御方式において、推定される船体やプロペラの経年変化に合わせて、経年変化前の応答性が得られるように制御パラメータを更新することも可能である。

Claims (9)

  1. 　船舶の主機の運転を制御する制御部と、
    　前記主機および船体を含む船舶を制御対象とし、前記制御部からの操作量を入力とするオブザーバと、
    　前記制御対象の経年変化の影響を受ける物理量を前記オブザーバで推定し、前記物理量の経年変化前の値と経年変化後の値に基づいて前記制御部の制御パラメータを変更する補正手段と
    　を備えることを特徴とする船舶のエンジン制御装置。
  2. 　前記補正手段は、前記物理量の経年変化前の値と、経年変化後の値に基づいて前記オブザーバのシミュレータを経年変化後の制御対象に対応した数値モデルに変更することを特徴とする請求項１に記載の船舶のエンジン制御装置。
  3. 　前記物理量の経年変化前の値を記録するメモリを備え、前記補正手段は、前記メモリに記録された前記物理量の値と、経年変化後に推定される前記物理量の値に基づいて前記制御パラメータの変更を行うことを特徴とする請求項１に記載の船舶のエンジン制御装置。
  4. 　前記物理量が船速であり、前記補正手段が前記経年変化前後の船速の差に対応して前記制御パラメータを変更することを特徴とする請求項３に記載の船舶のエンジン制御装置。
  5. 　前記制御部がＰＩＤ制御を行い、前記補正手段は前記差が大きいほど、Ｐゲインおよび／またはＤゲインを大きい値に変更することを特徴とする請求項４に記載の船舶のエンジン制御装置。
  6. 　前記制御部がＰＩＤ制御を行い、前記補正手段は前記差が大きいほど、Ｉゲインを小さい値に変更することを特徴とする請求項３または請求項５の何れか一項に記載の船舶のエンジン制御装置。
  7. 　前記主機の回転数が検出され、前記オブザーバにフィードバックされることを特徴とする請求項１～６の何れか一項に記載の船舶のエンジン制御装置。
  8. 　請求項１～７の何れか一項に記載のエンジン制御装置を備えることを特徴とする船舶。
  9. 　主機および船体を含む船舶を制御対象とし、前記主機の運転を制御する制御部からの操作量を入力とするオブザーバにおいて前記制御対象の経年変化の影響を受ける物理量を推定し、前記物理量の経年変化前の値と経年変化後の値に基づいて前記主機の運転を制御する制御部の制御パラメータを変更することを特徴とする船舶のエンジン制御方法。
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