WO2013089244A1 - 船舶推進機コントローラ及びそれを用いた船舶推進システム - Google Patents

船舶推進機コントローラ及びそれを用いた船舶推進システム Download PDF

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剛 大出
寛而 賞雅
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B63—SHIPS OR OTHER WATERBORNE VESSELS; RELATED EQUIPMENT
    • B63H—MARINE PROPULSION OR STEERING
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    • B63H11/10—Marine propulsion by water jets the propulsive medium being ambient water having means for deflecting jet or influencing cross-section thereof
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
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    • B63H—MARINE PROPULSION OR STEERING
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    • Y02T—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO TRANSPORTATION
    • Y02T70/00—Maritime or waterways transport
    • Y02T70/50—Measures to reduce greenhouse gas emissions related to the propulsion system

Definitions

  • the present invention relates to a marine vessel propulsion controller and a marine vessel propulsion system using the marine vessel propulsion device, and more particularly, to a marine vessel propulsion controller capable of smooth and highly efficient maneuvering in a low speed range such as dead speed.
  • a marine vessel propulsion controller capable of smooth and highly efficient maneuvering in a low speed range such as dead speed.
  • the present invention can be applied to both a propeller type propulsion system and a water jet type propulsion system, but in the following description, a water jet type propulsion system will be described as an example.
  • FIG. 9 shows a conventional water jet propulsion system for a ship.
  • a conventional water jet type propulsion system 15 for a ship includes a high pressure pump 17 incorporating an impeller 16, an internal combustion engine 18 that drives the impeller 16, a control lever 19 that controls the output of the internal combustion engine 18, and a discharge from the high pressure pump 17.
  • the deflector 20 that controls the direction of the ship's course by controlling the jet direction of the jet water flow to be performed, and the reverser 21 that deflects (reversely injects) the water stream jetted from the deflector 20 in the forward direction of the ship when the ship moves backward. And have.
  • the conventional internal combustion engine 18 of a water jet propulsion system for a ship uses an internal combustion engine such as a gasoline engine, a diesel engine, or a gas turbine engine.
  • Reference numeral 22 denotes a screen of the suction port of the high-pressure pump 17.
  • an impeller 16 of a high-pressure pump 17 is rotationally driven by an internal combustion engine 18, water is pumped from the bottom of the ship by the rotation of the impeller, and the pumped water is discharged from a rear nozzle of the high-pressure pump 17. I got a driving force.
  • thrust ⁇ SIN ⁇ is the moment that bends the course of the ship.
  • FIG. 11 shows an operation method when a ship is operated at a low speed in a conventional water jet propulsion system for a ship.
  • the rotation becomes unstable when the rotational speed of the internal combustion engine is set to a certain rotational speed or less, and the thrust of the propeller is greatly reduced.
  • the rotation was kept at a certain number of revolutions or more, and the propeller was intermittently connected to the propeller intermittently.
  • JP 2005-145439 A Japanese Patent Laid-Open No. 11-152088
  • the internal combustion engine rotates at a certain rotational speed or more.
  • the propeller is intermittently connected to the propeller, and the propeller is intermittently rotated.
  • the reverser is lowered and the direction of the jet flow is adjusted. The forward thrust was reduced by turning in the subordinate direction.
  • an object of the present invention is to solve the problems of the above-described conventional ship propulsion system, and a ship propulsion controller that is capable of smooth maneuvering with low energy loss, high efficiency, and low vibration during the lowest speed operation. And it is providing the ship propulsion system using the same.
  • a marine vessel propulsion device controller that controls propulsion unit driving means for rotationally driving the marine vessel propulsion unit, A processing device for controlling the processing of the entire vessel propulsion unit controller;
  • a motion curve table storing a pulsation motion curve which is a non-dimensional motion curve of the propulsion device and has a predetermined pulsation pattern;
  • Control factor setting means for setting a control factor including a cycle (t1), a duty ratio (d1), and a peak speed (v1) of the pulsation motion curve for making the pulsation motion curve dimensionally;
  • Speed command cycle interval determining means for determining a command cycle interval (s1) of the rotational speed of the propulsion unit;
  • Speed command value calculating means for calculating a command value of the rotational speed of the propulsion unit at each command cycle interval;
  • Speed command output means for outputting a speed command to the propulsion device drive means so as to match the command value of the rotational speed of the propulsion device calculated by the speed command value calculation means
  • a command cycle interval (s1) of the rotational speed of the propulsion unit is determined by the speed command cycle interval determining unit, and then the command command interval calculating unit calculates the command cycle interval (s1) for each command cycle interval (s1).
  • a command value for the rotational speed of the propulsion device is calculated, and then a speed command is issued to the propulsion device drive means by the speed command output means so as to match the calculated command value for the rotational speed of the propulsion device.
  • Output It is characterized by that.
  • Each pulsation pattern included in the pulsation motion curve stored in the motion curve table may be a continuous curve in which jerks (J: jerk) do not have discontinuous points.
  • the propulsion unit may be a propeller of a propeller type propulsion system or an impeller built in a high-pressure pump of a water jet.
  • the propulsion device driving means may be a synchronous motor, an induction motor, a hydraulic motor, or an internal combustion engine.
  • a marine vessel propulsion system includes: A ship propulsion unit controller of the present invention; Propulsion unit driving means for driving the propulsion unit; It is characterized by providing.
  • the propulsion device may be an impeller built in a high-pressure pump of a water jet propulsion system, and the propulsion device driving means may be connected to the impeller.
  • the water jet propulsion system may not have a reverser.
  • the propulsion device may be a propeller of a propeller type propulsion system, and the propulsion device driving means may be connected to the propeller.
  • a pulsating rotational speed command can be output to a propulsion unit such as a propeller or an impeller at a constant cycle (t1) during low-speed operation of the vessel.
  • the injection pressure of the screw and water jet propulsion machine is related to the rotational speed of the drive engine, and the ship loses its propulsive power when it falls below a certain rotational speed.
  • sufficient propulsive force can be obtained by increasing the peak speed of the pulsation rotational speed command.
  • the average speed of the water jet propulsion device is obtained by multiplying the peak rotational speed of the propulsion device by the duty ratio (d1). Therefore, by adjusting the duty ratio (d1), a low average speed can be obtained while obtaining a high thrust, and a correspondingly low speed can be obtained at the time of the lowest speed operation.
  • each pulsation pattern which the pulsation motion curve stored in the motion curve table has is a continuous curve in which the jump (J) does not have a discontinuous point.
  • a trapezoidal pulsation pattern is used as the pulsation pattern.
  • the acceleration is zero because the upper side of the trapezoid has a constant velocity. Therefore, a large pulsation occurs when the speed increases to move to the upper side of the trapezoid of the pulsation pattern and when the speed decreases from the upper side of the trapezoid of the pulsation pattern.
  • the rotational speed of the propulsion unit is controlled at each command cycle interval (s1) so that the pulsation pattern as a whole has a continuous curve without a discontinuity point of sway (J). Can be controlled.
  • the maneuvering capability is extremely higher than in the prior art, and an index for simply evaluating the maneuvering ability at the extremely slow speed.
  • the turning radius of the ship can be made much smaller than the conventional one.
  • a ship propulsion system can be provided.
  • FIG. 1 is a plan view of a water jet propulsion system for a ship according to an embodiment of the present invention.
  • the side block diagram of the water-jet type propulsion system of the ship of FIG. The graph which shows the waveform of the rotational speed of an impeller at the time of taking a rectangular wave.
  • the block diagram which showed the structure of the ship propulsion apparatus controller.
  • the flowchart which showed the control flow by a ship propulsion machine controller.
  • the time waveform of the rotational speed V, the acceleration A, and the jump J for demonstrating a control flow.
  • FIG. 1 and 2 show a water jet type propulsion system (electric propulsion system) for a ship according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 1 is a plan view of the water jet propulsion system
  • FIG. 2 is a side view of the water jet propulsion system.
  • a water jet propulsion system 1 for a ship includes a high-pressure pump 3 incorporating an impeller (propulsion unit) 2, a synchronous motor 4 that drives the impeller 2, and a ship propulsion unit controller 5 that controls the synchronous motor 4. And a deflector 6 for controlling the injection direction of the jet water flow discharged from the high-pressure pump 3.
  • the marine vessel propulsion device controller 5 is also simply referred to as “controller 5”.
  • the water jet propulsion system 1 may include a reverser for purposes other than low speed operation.
  • the ship propulsion unit controller 5 may have a function of controlling the deflector 6. Furthermore, when the water jet propulsion system 1 includes a reverser, the marine vessel propulsion unit controller 5 may have a function of controlling the reverser. That is, the ship propulsion unit controller 5 may be configured to control the impeller 2, the deflector 6, and the reverser by performing three-axis synchronous control.
  • servo motors and servo drivers are shown, but if there are any known alternative means, they may be used.
  • the synchronous motor (synchronous electric motor) 4 is preferably a permanent magnet synchronous motor having a response characteristic of 1/100 of the response time of the internal combustion engine and a high torque TN characteristic in a low rotation range.
  • means for rotating and driving a propulsion device such as an impeller (propulsion device driving means) is not limited to a synchronous motor.
  • the propulsion unit drive means only needs to be able to rotate the propulsion unit at a desired rotation speed, and various motors such as an induction motor, a hydraulic motor, and a servo motor can be used.
  • the present invention does not exclude an internal combustion engine as a propulsion unit driving means on the assumption that the propulsion unit is a large propeller and the rotational speed is low.
  • FIG. 3 shows the time axis on the horizontal axis, the rotational speed of the impeller 2 and the synchronous motor 4 on the vertical axis, and the waveform when the impeller 2 and the synchronous motor 4 rotate with a rectangular wave.
  • the injection pressure Hs of the high-pressure pump 3 is proportional to the square of the peak speed Vs.
  • Tc is a period and Ts is a pulse width.
  • the average rotation speed Vm of the impeller in this waveform is obtained by multiplying the peak speed Vs by the duty ratio Ts / Tc.
  • the graph of FIG. 4 shows the waveforms of the impeller rotational speed V and acceleration A when a cam curve is taken.
  • the cam curve in FIG. 4 can be formed by performing control at each command cycle interval (s1) described below and deforming the amplitude (pulse height) of the rectangular wave in FIG. 3 at each cycle Tc.
  • FIG. 5 shows an example of the impeller motion curve in the lowest speed range of the ship.
  • the time waveform of the speed V, the acceleration A, and the jump J is shown on the lower side of FIG.
  • the motion curve of the acceleration A is a differentiation of the motion curve of the rotational speed V
  • the motion curve of the jump J is a differentiation of the motion curve of the acceleration A.
  • the injection pressure Hs is obtained in proportion to the square of the peak speed Vs, and the duty ratio Ts / The average speed Vm can be obtained by multiplying Tc. Furthermore, a pulsation curve that reduces vibration can be obtained by controlling the pulse height of the rectangular wave for each period Tc.
  • a motion curve having an appropriate pulsation pattern for example, a motion curve having a non-intermittent pulsation pattern or a motion curve having an intermittent pulsation pattern, in the lowest speed range of the ship. Used to rotate the impeller. As a result, as shown in FIG. 5, the acceleration becomes a continuous system, and driving with less vibration can be realized. In addition, the ship can be operated at a low speed while obtaining sufficient thrust.
  • FIG. 6 shows the configuration of the ship propulsion unit controller 5 of the present invention.
  • the ship propulsion unit controller 5 includes a processing device 7 that controls the processing of the entire controller 5, a motion curve table 8 that stores a pulsation motion curve, control factor setting means 9 that sets a control factor for the motion curve, and rotation of the impeller Speed command cycle interval determining means 10 for determining a speed command cycle interval, speed command value calculating means 11 for calculating a command value of the rotational speed of the impeller for each command cycle interval, and an impeller calculated by the speed command value calculating means 11 Speed command output means 12 for outputting a speed command to the synchronous motor 4 so as to coincide with the rotation speed command value.
  • the pulsation motion curve stored in the motion curve table 8 is a non-dimensional motion curve of the impeller (propulsion unit) and has a predetermined pulsation pattern.
  • Each component of the ship propulsion unit controller 5 is configured to be controlled by the processing device 7.
  • FIG. 7A shows a processing flow by the control of the processing device 7 of the controller 5. The process flow will be described below with reference to the configuration of the controller 5 in FIG.
  • the processing device 7 of the controller 5 is a non-dimensional motion curve (pulsation motion curve) having a predetermined pulsation pattern in response to a command (operation) of the operator when the ship operates at a low speed. ) Is called from the motion curve table 8 (step S1).
  • the motion curve having a predetermined pulsation pattern is, for example, a motion curve having a non-intermittent pulsation pattern as shown in FIG. 5 or a motion curve having an intermittent pulsation pattern.
  • the dimensionless motion curve refers to a motion curve in a state where only a waveform is defined and no specific time or amplitude is defined.
  • the motion curve to be called from the motion curve table 8 is not limited to the motion curve of the rotational speed V, but may be a motion curve of acceleration A or a motion curve of jerking J.
  • the motion curve of the acceleration A may be called from the motion curve table 8.
  • the motion curve of the acceleration A or the motion curve of the jump J is called from the motion curve table 8, and the called motion curve is integrated to obtain the rotational speed.
  • a motion curve of V may be obtained.
  • control factor setting means 9 controls the called pulsation motion curve cycle t1, the duty ratio d1, and the peak speed v1 under the control of the processing device 7 (step S2).
  • step S3 the command cycle interval s1 of the rotation speed of the impeller is determined by the speed command cycle interval determining means 10 under the control of the processing device 7 (step S3).
  • step S2 and step S3 as shown in FIG. 7B, the dimensionless pulsation motion curve is obtained by determining the cycle time t1, the peak speed v1, and the duty ratio d1 of each pulsation. And a command cycle interval s1 of the rotational speed of the impeller is set.
  • the pulsation motion curve set in this way can be controlled by giving a pulsed (rectangular) waveform command to the impeller rotational speed at each command cycle interval s1.
  • the motion curve called from the motion curve table 8 preferably has a continuous acceleration.
  • the command value of the impeller rotational speed is calculated for each command cycle interval s1 by the speed command value calculation means 11 under the control of the processing device 7 (step S4). More specifically, the impeller rotational speed command value is calculated for each command cycle interval s1 based on the dimensionalized pulsation motion curve.
  • step S5 it is determined whether or not the time when the command value is calculated in step S4 corresponds to the last command cycle in the cycle t1 (step S5). That is, if the time when the command value is calculated in step S4 has not reached the last command cycle in cycle t1 (step S5: N), the command value of the impeller rotational speed in the next command cycle interval is calculated, and step If the time point at which the command value is calculated in S4 has reached the last command cycle in cycle t1 (step S5: Y), it is determined whether or not to move to the next cycle.
  • step S6 it is determined whether or not the last cycle has been reached. If the last cycle has been reached (step S6: Y), the process ends, and if the last cycle has not been reached (step S6: N). ), And move on to the next cycle.
  • the pulsation rotational speed command is given to the impeller and the peak speed of each pulsation rotational speed is increased in the lowest speed operation of the ship.
  • it can be set as the state where the rudder of a ship is fully effective, obtaining sufficient injection pressure. Further, the ship can be operated at a sufficiently low speed by controlling the duty ratio d1.
  • a water jet type propulsion system with a simple structure can be obtained by omitting the reverser that was conventionally required for low-speed operation, and the energy loss of the jet that has been deflected downward by the conventional reverser is eliminated.
  • a high water-jet propulsion system for a ship can be obtained.
  • the reverser can be omitted, but the present invention does not exclude the additional provision of the reverser for the purpose of improving the maneuvering performance.
  • the propulsion unit is an impeller built in a high-pressure pump.
  • the present invention is not limited to this, and the propulsion unit may be, for example, a propeller.
  • FIG. 8 shows a comparison between a normal pulsation curve and a pulsation curve according to the present invention.
  • FIG. 8A shows a normal pulsation curve
  • FIG. 8B shows a pulsation curve according to the present invention.
  • T indicates time
  • S indicates position
  • V indicates velocity
  • A indicates acceleration
  • J indicates dynamics
  • the normal pulsation pattern has a substantially trapezoidal relationship between speed and time, as shown most clearly in the speed vs time graph (VT). That is, the normal pulsation pattern increases in speed at a constant acceleration, maintains the speed when reaching a constant speed, and then decreases in speed at a constant acceleration.
  • VT speed vs time graph
  • That the dynamic J is large is either that the maximum acceleration Am is large or the cycle in which it occurs is small.
  • a large maximum acceleration Am means that the excitation force component is large and increases the vibration.
  • the fact that the period is small means that the frequency of the excitation force component becomes high. If the frequency approaches the natural frequency of the system, a resonance phenomenon occurs.
  • the fact that the acceleration A is discontinuous means that the period is infinitesimal, and that a component wave that should resonate with the natural frequency is present in the excitation force component no matter how high the natural frequency is. Become.
  • the present invention controls the rotational speed of the propulsion device (propeller or impeller) at each command cycle interval s1 so that the acceleration A does not affect the acceleration A like a cycloid curve as shown in FIG.
  • the pulsation pattern can be controlled so that there is no continuous point and the sway J is a continuous curve.
  • the pulsation motion curve of the present invention is not limited to the cycloid curve, and can be an arbitrary pulsation motion curve as long as the sway J is a continuous curve.
  • the motion curve table of the present invention can store a plurality of dimensionless curves of the pulsation motion curve and call up the necessary pulsation motion curve according to the driving situation.
  • Both the ship of the present invention and the conventional ship have a total length of about 8 m, a total width of about 2.2 m, a total depth of 0.85 m, and a total tonnage of 1.3 tons.
  • the output was 6 kW (ship speed 4 knots) and the rudder angle was 20 degrees on the starboard side.
  • the cycle period (t1) was 1 second and the duty ratio was 50%.
  • the position of the ship was measured at a sampling interval of 1 second by a GPS mounted on the ship.
  • FIG. 12 is an experimental result showing the ship maneuvering ability by the ship propulsion system of the present invention.
  • the ship equipped with the ship propulsion device controller of the present invention has a significantly smaller radius of rotation than the conventional ship.
  • the ship maneuvering ability is extremely higher than the conventional one.
  • the turning radius of the ship can be greatly reduced as compared with the conventional case.
  • SYMBOLS 1 Ship's water jet type propulsion system 2 Impeller 3 High pressure pump 4 Synchronous motor 5 Controller 6 Deflector 7 Processing device 8 Motion curve table 9 Control factor setting means 10 Speed command cycle interval determination means 11 Speed command value calculation means 12 Speed command output means DESCRIPTION OF SYMBOLS 15 Conventional marine water jet type propulsion system 16 Impeller 17 High pressure pump 18 Internal combustion engine 19 Control lever 20 Deflector 21 Reverser 22 Screen

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Abstract

［課題］低速運転時に、前進の推力成分のみで最低速度で前進と旋回をすることができ、エネルギー損失がない高効率な船舶推進機コントローラおよび船舶推進システムを提供する。 ［解決手段］船舶推進機コントローラ５は、コントローラ全体の処理を制御する処理装置７と、プロペラもしくはインペラ２の無次元化された運動曲線を格納した運動曲線テーブル８と、運動曲線の制御ファクタを設定する制御ファクタ設定手段９と、インペラの回転速度の指令周期間隔を決定する速度指令周期間隔決定手段１０と、前記指令周期間隔ごとのインペラの回転速度の指令値を算出する速度指令値算出手段１１と、速度指令値算出手段１１が算出したインペラの回転速度の指令値に合致するように推進機駆動手段に対して速度指令を出力する速度指令出力手段１２と、を有する。

Description

船舶推進機コントローラ及びそれを用いた船舶推進システム
　本発明は、船舶推進機コントローラ及びそれを用いた船舶推進システムに係り、特に、極微速（dead slow）等の低速域において、平滑かつ高効率な操船が可能な船舶推進機コントローラ及びそれを用いた船舶推進システムに関する。
　船舶は接岸時などの際には最低速で操船する必要があり、このような時は従来の内燃機関の船舶推進システムによれば、内燃機関の回転を断続的にプロペラやウォータージェットのインペラ（羽根車）に伝達し、断続的に推進力を生じるようにし、これによって船を操縦するようにしていた。
　本発明は、プロペラ式の推進システムとウォータージェット式の推進システムの双方に適用が可能であるが、以下の説明ではウォータージェット式の推進システムを例に説明することにする。
　従来から船舶の推進システムの一つとしてウォータージェット式推進システムが知られていた。
　図９は従来の船舶のウォータージェット式推進システムを示している。
　従来の船舶のウォータージェット式推進システム１５は、インペラ１６を内蔵する高圧ポンプ１７と、インペラ１６を駆動する内燃機関１８と、内燃機関１８の出力を制御するコントロールレバー１９と、高圧ポンプ１７から吐出される噴射水流の噴射方向を制御して船舶の進路方向を制御するデフレクタ２０と、船舶が後進するときにデフレクタ２０から噴出される水流を船舶の前方向に偏向させる（逆噴射させる）リバーサ２１とを有している。
　従来の船舶のウォータージェット式推進システムの内燃機関１８は、ガソリンエンジン、ディーゼルエンジン、ガスタービンエンジン等の内燃機関を使用していた。符号２２は高圧ポンプ１７の吸入口のスクリーンを示している。
　従来の船舶のウォータージェット式推進システム１５は、内燃機関１８によって高圧ポンプ１７のインペラ１６を回転駆動し、インペラの回転によって船底から水をくみ上げ、くみ上げた水を高圧ポンプ１７の後方ノズルから吐出させることにより推進力を得ていた。
　船舶の進路方向を変えるときは、図１０に示すように、高圧ポンプからの噴流の方向をデフレクタ２０によって変え、推力の方向を変えていた。
　推力の横方向の成分、すなわち、推力×SINθが船の進路方向を曲げるモーメントになる。
　ウォータージェット式推進の船舶の特徴として、約５０ノットで高速航行をすることができ、また、デフレクタの角度を変えることによって船の進路方向を変えることができるため、舵が不要となる。また、スクリュープロペラを用いないため、水深の浅い水域でも運航が可能となる。
　図１１は従来の船舶のウォータージェット式推進システムにおいて、低速で船舶を運航するときの操作方法を示している。
　低速域では、推力を小さくしなければならないため内燃機関１８の回転数を下げることが必要になるが、一定の回転数以下にすると、内燃機関１８の回転が不安定になる。また仮に、減速ギア等を付加することにより内燃機関１８の出力軸の回転数を下げられるようにしても、インペラ１６は回転が一定数以下に下げられると噴流の圧力が下がり、噴流の圧力不足によって進路方向の制御が不能になる。
　そのため、従来の船舶のウォータージェット式推進システム１５は低速運航するときは、内燃機関１８やインペラ１７の回転数を過度に下げないようにしておいて、図１１に示すように、リバーサ２１を下げ、噴流の方向を一部下方向に向けることによって、つまり前進推力の一部を下方向に捨てて低速運転をしていた。
　なお、従来の船舶は、後進するときは、リバーサ２１をさらに下げ、噴流を船首方向に向かせて後進していた。
　上記したことは、プロペラ式の推進システムでも同様のことが生じる。
　すなわち、従来の内燃機関によるプロペラ式の推進システムは、内燃機関の回転数を一定の回転数以下にすると回転が不安定になり、また、プロペラの推力も大きく落ちるため、極微速では内燃機関の回転を一定の回転数以上にしておいて、断続的にプロペラに接続してプロペラを断続的に回転させていた。
　プロペラに接続していない間は、内燃機関は単に回転を維持するために回転させていた。
特開２００５－１４５４３９号公報 特開平１１－１５２０８８号公報
　従来の船舶推進システムにおいては、低速で運航する際、内燃機関の回転を一定の回転数以上にしておく。そして、上述したように、プロペラ推進システムにおいては、断続的にプロペラに接続してプロペラを断続的に回転させることによって、一方、ウォータージェット式の推進システムにおいては、リバーサを下げ噴流の方向を一部下方向に向けることによって、前進推力を小さくしていた。
　いずれにしても、エネルギーの損失が多いためエネルギー効率が悪く、かつ、断続的に内燃機関の回転を推進力に転換するため、振動が大きいという問題があった。
　そこで、本発明の目的は、上記従来の船舶推進システムが抱える課題を解決し、最低速運転時に、エネルギー損失がなく高効率であり、かつ、振動の少ない平滑な操船が可能な船舶推進機コントローラ及びそれを用いた船舶推進システムを提供することにある。
　本発明の一態様に係る船舶推進機コントローラは、
　船舶の推進機を回転駆動する推進機駆動手段を制御する船舶推進機コントローラであって、
　前記船舶推進機コントローラ全体の処理を制御する処理装置と、
　前記推進機の無次元化された運動曲線であって所定の脈動パターンを有する脈動運動曲線を格納した運動曲線テーブルと、
　前記脈動運動曲線を有次元化するための脈動運動曲線のサイクル（ｔ１）とデューティ比（ｄ１）とピーク速度（ｖ１）を含む制御ファクタを設定する制御ファクタ設定手段と、
　前記推進機の回転速度の指令周期間隔（ｓ１）を決定する速度指令周期間隔決定手段と、
　前記指令周期間隔ごとの前記推進機の回転速度の指令値を算出する速度指令値算出手段と、
　前記速度指令値算出手段が算出した前記推進機の回転速度の指令値に合致するように前記推進機駆動手段に対して速度指令を出力する速度指令出力手段と、を有し、
　前記処理装置は、船舶の低速運航時に、前記運動曲線テーブルから前記脈動運動曲線を呼び出し、前記制御ファクタ設定手段によって脈動運動曲線のサイクル（ｔ１）とデューティ比（ｄ１）とピーク速度（ｖ１）とを設定し、続いて前記速度指令周期間隔決定手段によって前記推進機の回転速度の指令周期間隔（ｓ１）を決定し、次に前記速度指令値算出手段によって、指令周期間隔（ｓ１）ごとに前記推進機の回転速度の指令値を算出し、次に前記速度指令出力手段により、前記算出された前記推進機の回転速度の指令値に合致するように前記推進機駆動手段に対して速度指令を出力する、
　ことを特徴とする。
　また、前記船舶推進機コントローラにおいて、
　前記運動曲線テーブルに格納された脈動運動曲線が有する各脈動パターンは、躍動（Ｊ：ｊｅｒｋ）が不連続点を有しない連続曲線となっている、ようにしてもよい。
　また、前記船舶推進機コントローラにおいて、
　前記推進機は、プロペラ式推進システムのプロペラ、またはウォータージェットの高圧ポンプに内蔵されたインペラであってもよい。
　また、前記船舶推進機コントローラにおいて、
　前記推進機駆動手段は、同期モータ、誘導モータ、油圧モータまたは内燃機関であってもよい。
　本発明の一態様に係る船舶推進システムは、
　本発明の船舶推進機コントローラと、
　前記推進機を駆動する推進機駆動手段と、
　を備えることを特徴とする。
　また、前記船舶推進システムにおいて、
　前記推進機は、ウォータージェット式推進システムの高圧ポンプに内蔵されたインペラであり、前記推進機駆動手段は、前記インペラに接続されているようにしてもよい。
　また、前記船舶推進システムにおいて、
　前記ウォータージェット式推進システムはリバーサを有しないようにしてもよい。
　また、前記船舶推進システムにおいて、
　前記推進機は、プロペラ式推進システムのプロペラであり、前記推進機駆動手段は前記プロペラに接続されているようにしてもよい。
　本発明の船舶推進機コントローラによれば、船舶の低速運航時に、プロペラやインペラ等の推進機に一定のサイクル（ｔ１）で脈動的な回転速度指令を出力することができる。
　スクリューやウォータージェット推進機の噴射圧力は駆動機関の回転数と関係し、一定の回転数以下になると船舶は推進力を失う。一方、本発明によれば、上記脈動の回転速度指令のピーク速度を高くすることにより、十分な推進力を得ることができる。十分な推進力を得ることにより、脈動による推力が発生している間は十分に船舶の舵が効く。この脈動が連続することにより、連続的に船の舵が効くようになる。
　ウォータージェット推進機による平均速度は、推進機のピーク回転速度にデューティ比（ｄ１）を乗じたものである。このため、デューティ比（ｄ１）を調整することにより、高い推力を得ながら低い平均速度を得ることができ、最低速運転時において相応の低い速度を得ることができる。
　なお、運動曲線テーブルに格納された脈動運動曲線が有する各脈動パターンは、躍動（Ｊ）が不連続点を有しない連続曲線となっていることが好ましい。
　通常の船舶推進システムでは、脈動パターンを用いて推進機の速度を制御する場合、脈動パターンとしては台形の脈動パターンを用いることとなる。台形の脈動パターンの場合、台形の上辺において等速度になるため、加速度がゼロとなる。よって、速度が上昇して脈動パターンの台形の上辺に移る時と、脈動パターンの台形の上辺から速度が減少する時に、大きな脈動が発生する。
　これに対して、本発明は、指令周期間隔（ｓ１）ごとに推進機の回転速度を制御して、脈動パターンが全体として、躍動（Ｊ）の不連続点を有しない連続曲線となるように制御することができる。
　これにより、振動がなく、静かで平滑な操船が可能な船舶推進システムを得ることができる。
　また、本発明によれば、極微速の操船において、小さい推進力でありながら常に推進力を有するため、従来に比してきわめて操船能力が高くなり、極微速における操船能力を端的に評価する指標となる船の回転半径を、従来のものより大幅に小さくすることができる。
　また、本発明を利用したウォータージェット式推進システムによれば、最低速運転時にリバーサを用いることなく操船することができ、また、噴射水流を下方向に向けることによるエネルギー損失を無くし、高エネルギー効率の船舶推進システムを提供することができる。
本発明の一実施形態による船舶のウォータージェット式推進システムの平面図。 図１の船舶のウォータージェット式推進システムの側面構成図。 矩形波を採った場合における、インペラの回転速度の波形を示すグラフ。 カム曲線を採った場合における、インペラの回転速度の波形を示すグラフ。 船舶の最低速域におけるインペラの運動曲線を示したグラフ。 船舶推進機コントローラの構成を示した構成図。 船舶推進機コントローラによる制御フローを示したフローチャート。 制御フローを説明するための回転速度Ｖ、加速度Ａおよび躍動Ｊの時間波形。 従来の脈動運動曲線と本発明の脈動運動曲線を比較して示した説明図。 従来の船舶のウォータージェット式推進システムの側面構成図。 デフレクタの動作を示した説明図。 低速運航時の従来の船舶のウォータージェット式推進システムの動作を説明した説明図。 本発明の船舶推進システムによる操船能力を示す実験結果。
　以下に添付図面を参照して、本発明の実施形態を説明する。なお、本発明はプロペラ式推進システム及びウォータージェット式推進システムの双方に適用することができるが、以下ではウォータージェット式推進システムを例に説明する。
　図１と図２に本発明の一実施形態による船舶のウォータージェット式推進システム（電気推進システム）を示す。
　図１は該ウォータージェット式推進システムの平面図、図２は該ウォータージェット式推進システムの側面構成図を示している。
　本実施形態の船舶のウォータージェット式推進システム１は、インペラ（推進機）２を内蔵する高圧ポンプ３と、インペラ２を駆動する同期モータ４と、同期モータ４を制御する船舶推進機コントローラ５と、高圧ポンプ３から吐出される噴射水流の噴射方向を制御するデフレクタ６とを有している。以下の説明において、船舶推進機コントローラ５を、単に「コントローラ５」ともいう。
　なお、本発明においては、低速運転の目的でリバーサを使用する必要はない。もっとも、ウォータージェット式推進システム１は、低速運転以外の目的でリバーサを備えてもよい。
　また、船舶推進機コントローラ５は、デフレクタ６を制御する機能を有していてもよい。さらに、ウォータージェット式推進システム１がリバーサを備える場合には、船舶推進機コントローラ５は、該リバーサを制御する機能を有していてもよい。即ち、船舶推進機コントローラ５は、３軸同期制御して、インペラ２、デフレクタ６およびリバーサを制御可能に構成されてもよい。
　図１および図２において、サーボモータやサーボドライバを示しているが、公知の任意の代替手段がある場合はそれらを使用して良い。
　同期モータ（同期電動モータ）４は、内燃機関の応答時間の１／１００の応答特性、および低回転域で高トルクのＴ－Ｎ特性を有する永久磁石同期モータを用いるのが好ましい。
　なお、本発明において、インペラ等の推進機を回転駆動する手段（推進機駆動手段）は、同期モータに限らない。即ち、推進機駆動手段は、推進機を所望の回転速度で回転させることができればよく、誘導モータ、油圧モータ、サーボモータなどの各種モータを用いることができる。また、本発明は、例えば推進機が大型プロペラであり回転数が低い場合を想定して、推進機駆動手段として内燃機関を排除するものではない。
　図３は、横軸に時間軸、縦軸にインペラ２や同期モータ４の回転速度を示し、矩形波でインペラ２や同期モータ４が回転するときの波形を示している。
　図３に示すように、矩形波でインペラ２や同期モータ４がピーク速度Ｖｓで回転し、デューティ比をＴｓ／Ｔｃとすると、高圧ポンプ３の噴射圧力Ｈｓはピーク速度Ｖｓの２乗に比例する。ここで、Ｔｃは周期であり、Ｔｓはパルス幅である。
　この波形におけるインペラの平均回転速度Ｖｍはピーク速度Ｖｓにデューティ比Ｔｓ／Ｔｃを乗じたものとなる。
　ピーク速度Ｖｓを高くすることにより、平均速度Ｖｍを低くしつつ、十分な推進力を得ることが可能となる。即ち、低速航行時においても、十分な推進力を得ることができる。これにより、低速航行時における操舵性が確保され、かつ高効率な船舶推進システムを実現することができる。
　図４のグラフは、カム曲線を採った場合における、インペラの回転速度Ｖと加速度Ａの波形を示す。
　図４のカム曲線は、以下で述べる指令周期間隔（ｓ１）ごとに制御を行って、図３の矩形波の振幅（パルス高さ）を周期Ｔｃごとに変形させることにより形成することができる。図４のカム曲線では、加速度Ａ（Ａ＝ｄＶ／ｄＴ）が連続系になる。
　加速度Ａ（Ａ＝ｄＶ／ｄＴ）を連続系とすることにより、躍動Ｊ（Ｊ＝ｄＡ／ｄＴ）が少なくなり、振動を減少させることができる。
　なお、加速度Ａ（Ａ＝ｄＶ／ｄＴ）を連続系にし、最適な躍動Ｊ（Ｊ＝ｄＡ／ｄＴ）を得るためには、図４のカム曲線以外の曲線とすることもできる。例えば、船舶の振動周波数を加味して躍動を０に近づけた曲線とすることができる。
　図５は、船舶の最低速域におけるインペラの運動曲線の例を示している。なお、図５の下側に、速度Ｖ、加速度Ａおよび躍動Ｊの時間波形を示している。加速度Ａの運動曲線は回転速度Ｖの運動曲線を微分したものであり、躍動Ｊの運動曲線は加速度Ａの運動曲線を微分したものである。
　図３および図４の説明から分かるように、矩形波（パルス状波）の脈動によれば、ピーク速度Ｖｓの２乗に比例して噴射圧力Ｈｓが得られ、ピーク速度Ｖｓにデューティ比Ｔｓ／Ｔｃを乗じて平均速度Ｖｍを得ることができる。さらに、矩形波のパルス高さを周期Ｔｃごとに制御することにより、振動を少なくする脈動曲線を得ることができる。
　すなわち、本発明では、図５に示すように、船舶の最低速域において、適当な脈動パターンを有する運動曲線、例えば、無間欠の脈動パターンを有する運動曲線または間欠の脈動パターンを有する運動曲線を用いてインペラを回転駆動する。これにより、図５に示すように、加速度が連続系になり、振動が少ない駆動を実現できる。また、十分な推力を得つつ、低い速度で船を操作することができるようになる。
　図６は、本発明の船舶推進機コントローラ５の構成を示している。
　船舶推進機コントローラ５は、コントローラ５全体の処理を制御する処理装置７と、脈動運動曲線を格納した運動曲線テーブル８と、運動曲線の制御ファクタを設定する制御ファクタ設定手段９と、インペラの回転速度の指令周期間隔を決定する速度指令周期間隔決定手段１０と、指令周期間隔ごとのインペラの回転速度の指令値を算出する速度指令値算出手段１１と、速度指令値算出手段１１が算出したインペラの回転速度の指令値に合致するように同期モータ４に対して速度指令を出力する速度指令出力手段１２とを有している。
　ここで、運動曲線テーブル８に格納される脈動運動曲線は、インペラ（推進機）の無次元化された運動曲線であって、所定の脈動パターンを有する。
　船舶推進機コントローラ５の各構成手段は、処理装置７によって制御できるように構成されている。
　図７Ａは、コントローラ５の処理装置７の制御による処理フローを示している。図６のコントローラ５の構成を参照しつつ、以下にその処理の流れを説明する。
　図７Ａに示すように、コントローラ５の処理装置７は、船舶が低速で運航する時に操船者の指令（操作）に応じて、所定の脈動パターンを有する無次元化された運動曲線（脈動運動曲線）を運動曲線テーブル８から呼び出す（ステップＳ１）。ここで、所定の脈動パターンを有する運動曲線とは、例えば図５に示したような無間欠の脈動パターンを有する運動曲線または間欠の脈動パターンを有する運動曲線である。無次元化された運動曲線とは、波形のみが規定され具体的な時間や振幅が規定されていない状態の運動曲線をいう。
　なお、運動曲線テーブル８から呼び出す運動曲線は、回転速度Ｖの運動曲線に限らず、加速度Ａの運動曲線であってもよいし、躍動Ｊの運動曲線であってもよい。例えば、推進機駆動手段を加速度Ａで制御する場合には、運動曲線テーブル８から加速度Ａの運動曲線を呼び出すようにしてもよい。また、推進機駆動手段を回転速度Ｖで制御する場合であっても、加速度Ａの運動曲線または躍動Ｊの運動曲線を運動曲線テーブル８から呼び出し、呼び出した運動曲線を積分することで、回転速度Ｖの運動曲線を得るようにしてもよい。
　次に、処理装置７の制御によって制御ファクタ設定手段９により、呼び出された脈動運動曲線のサイクルｔ１とデューティ比ｄ１とピーク速度ｖ１とを設定する（ステップＳ２）。
　続いて、処理装置７の制御によって速度指令周期間隔決定手段１０により、インペラの回転速度の指令周期間隔ｓ１を決定する（ステップＳ３）。
　すなわち、上記ステップＳ２およびステップＳ３において、図７Ｂに示すように、無次元化された脈動運動曲線は、各脈動のサイクルの時間ｔ１とピーク速度ｖ１とデューティ比ｄ１が決定されることにより有次元化され、かつ、インペラの回転速度の指令周期間隔ｓ１が設定される。このように設定された脈動運動曲線は、指令周期間隔ｓ１ごとにパルス状の（矩形の）波形指令をインペラの回転速度に対して与えることにより、制御することができる。むろん、振動を少なくするため、運動曲線テーブル８から呼び出された運動曲線は、加速度が連続系になるものであることが好ましい。
　次に、処理装置７の制御によって速度指令値算出手段１１により、指令周期間隔ｓ１ごとにインペラの回転速度の指令値を算出する（ステップＳ４）。より詳しくは、有次元化された脈動運動曲線に基づいて、インペラの回転速度の指令値を指令周期間隔ｓ１ごとに算出する。
　次に、ステップＳ４で指令値を算出した時点が、サイクルｔ１中の最後の指令周期に該当するか否かを判断する（ステップＳ５）。即ち、ステップＳ４で指令値を算出した時点がサイクルｔ１中の最後の指令周期に達していなければ（ステップＳ５：Ｎ）、次の指令周期間隔におけるインペラの回転速度の指令値を算出し、ステップＳ４で指令値を算出した時点がサイクルｔ１中の最後の指令周期に達していれば（ステップＳ５：Ｙ）、次のサイクルに移行するか否かを判断する。
　ステップＳ６においては、最後のサイクルに達したか否かを判断し、最後のサイクルに達していれば（ステップＳ６：Ｙ）処理を終了し、最後のサイクルに達していなければ（ステップＳ６：Ｎ）、次のサイクルの処理に移る。
　以上の処理により、船舶の最低速運転において、インペラに脈動の回転速度指令を与え、かつ各脈動の回転速度のピーク速度を高くする。これにより、本発明によれば、十分な噴射圧力を得つつ、十分に船舶の舵が効くような状態にすることができる。また、デューティ比ｄ１を制御することにより十分な低速で船を操作することができる。
　これにより、従来低速運行に必要だったリバーサを省略して簡単な構造のウォータージェット式推進システムを得られ、且つ、従来リバーサによって下方向に偏向させていた噴流のエネルギー損失を無くし、エネルギー効率の高い船舶のウォータージェット式推進システムを得ることができる。
　上記のように本発明によればリバーサを省略することができるが、本発明は、操船の性能向上等のために、リバーサを付加的に設けることを排除するものではない。
　また、上記実施形態では、推進機は高圧ポンプに内蔵されたインペラとしたが、本発明はこれに限らず、推進機は例えばプロペラであってもよい。
　ここで、本発明による「躍動が小さい脈動運動曲線」について説明する。
　図８は通常の脈動運動曲線と本発明による脈動運動曲線とを比較して示している。図８（ａ）は通常の脈動運動曲線、図８（ｂ）は本発明による脈動運動曲線を示している。
　図８において、Ｔは時間、Ｓは位置、Ｖは速度、Ａは加速度、Ｊは躍動をそれぞれ示している。
　通常の脈動パターンは、速度と時間のグラフ（Ｖ－Ｔ）にもっとも分かりやすく示すように、速度と時間の関係がほぼ台形の形状を有している。すなわち、通常の脈動パターンは、一定の加速度で速度が上昇し、一定の速度に達せばその速度を維持し、続いて一定の加速度で速度が減少する。
　図８（ａ）から分かるように、このような速度と時間の関係がほぼ台形の形状を有している脈動運動曲線の場合、速度が上昇して一定速度に達する時、及び、速度が一定速度から減少する時、加速度Ａが不連続になり、躍動Ｊは無限大または無限小となる。
　躍動Ｊが大きいということは、最大加速度Ａｍが大きい、または、それが発生する周期が小さいかのいずれかである。最大加速度Ａｍが大きいということは、加振力成分が大きいことを意味し、振動を大きくする。周期が小さいということは、加振力成分の振動数が高くなることを意味し、系の固有振動数に近づくなら共振現象となる。
　また、加速度Ａが不連続であることは、周期が無限小であることを意味し、固有振動数がいかに高くてもこれと共振すべき成分波が加振力成分の中に存在することになる。
　このため、通常の速度と時間の関係がほぼ台形の形状を有している脈動運動曲線の場合、船舶の操船時に不快な振動や騒音を生じることになる。
　これに対して、本発明は、指令周期間隔ｓ１ごとに推進機（プロペラまたはインペラ）の回転数を制御して、たとえば図８（ｂ）に示すようなサイクロイド曲線のように、加速度Ａに不連続点がなく、かつ、躍動Ｊが連続の曲線となるように、脈動パターンを制御することができる。
　このような、躍動Ｊが連続の曲線となる脈動運動曲線によれば、極微速の操船において、静かで平滑な操船を可能とすることができる。
　なお、本発明の脈動運動曲線は、上記サイクロイド曲線に限られず、躍動Ｊが連続の曲線となる限り任意の脈動運動曲線とすることができる。
　本発明の運動曲線テーブルは、かかる脈動運動曲線の無次元化曲線を複数格納し、運転状況に応じて必要な脈動運動曲線を呼び出すようにすることができる。
　次に、本発明の船舶推進システムの操船能力を測定した実験結果の一例について説明する。
　実験では、本発明の船舶推進機コントローラを搭載した、ウォータージェット式の船舶に対し、その旋回性能を測定した。比較のために、従来のウォータージェット式の船舶についても、旋回性能の測定を行った。
　本発明の船舶および従来の船舶のいずれも、全長約８ｍ、全幅約２．２ｍ、全深さ０．８５ｍ、総トン数１．３トンである。
　本発明の船舶および従来の船舶のいずれについても、出力は６ｋＷ（船速４ノット）とし、舵角は右舷側２０度とした。
　また、本発明の船舶については、サイクル周期（ｔ１）を１秒とし、デューティ比を５０％とした。
　また、船舶の位置は、船内に搭載されたＧＰＳにより、サンプリング間隔１秒で計測した。
　実験結果を図１２に示す。図１２は、本発明の船舶推進システムによる操船能力を示す実験結果である。
　図１２に示すように、本発明の船舶推進機コントローラを搭載した船舶は、従来の船舶に比べて、回転半径が大幅に小さいことが分かる。
　このように、本発明によれば、低速域において推進力を有するため、従来に比してきわめて操船能力が高くなる。その結果、従来に比べて、船の回転半径を大幅に小さくすることができる。
１　船舶のウォータージェット式推進システム
２　インペラ
３　高圧ポンプ
４　同期モータ
５　コントローラ
６　デフレクタ
７　処理装置
８　運動曲線テーブル
９　制御ファクタ設定手段
１０　速度指令周期間隔決定手段
１１　速度指令値算出手段
１２　速度指令出力手段
１５　従来の船舶のウォータージェット式推進システム
１６　インペラ
１７　高圧ポンプ
１８　内燃機関
１９　コントロールレバー
２０　デフレクタ
２１　リバーサ
２２　スクリーン

Claims (11)

  1. 　船舶の推進機を回転駆動する推進機駆動手段を制御する船舶推進機コントローラであって、
    　前記船舶推進機コントローラ全体の処理を制御する処理装置と、
    　前記推進機の無次元化された運動曲線であって所定の脈動パターンを有する脈動運動曲線を格納した運動曲線テーブルと、
    　前記脈動運動曲線を有次元化するための脈動運動曲線のサイクル（ｔ１）とデューティ比（ｄ１）とピーク速度（ｖ１）を含む制御ファクタを設定する制御ファクタ設定手段と、
    　前記推進機の回転速度の指令周期間隔（ｓ１）を決定する速度指令周期間隔決定手段と、
    　前記指令周期間隔ごとの前記推進機の回転速度の指令値を算出する速度指令値算出手段と、
    　前記速度指令値算出手段が算出した前記推進機の回転速度の指令値に合致するように前記推進機駆動手段に対して速度指令を出力する速度指令出力手段と、を有し、
    　前記処理装置は、船舶の低速運航時に、前記運動曲線テーブルから前記脈動運動曲線を呼び出し、前記制御ファクタ設定手段によって脈動運動曲線のサイクル（ｔ１）とデューティ比（ｄ１）とピーク速度（ｖ１）とを設定し、続いて前記速度指令周期間隔決定手段によって前記推進機の回転速度の指令周期間隔（ｓ１）を決定し、次に前記速度指令値算出手段によって、指令周期間隔（ｓ１）ごとに前記推進機の回転速度の指令値を算出し、次に前記速度指令出力手段により、前記算出された前記推進機の回転速度の指令値に合致するように前記推進機駆動手段に対して速度指令を出力する、
    　ことを特徴とする船舶推進機コントローラ。
  2. 　前記運動曲線テーブルに格納された脈動運動曲線が有する各脈動パターンは、躍動（Ｊ）が不連続点を有しない連続曲線となっている、ことを特徴とする請求項１記載の船舶推進機コントローラ。
  3. 　前記推進機は、プロペラ式推進システムのプロペラ、またはウォータージェットの高圧ポンプに内蔵されたインペラであることを特徴とする請求項２記載の船舶推進機コントローラ。
  4. 　前記推進機駆動手段は、同期モータ、誘導モータ、油圧モータまたは内燃機関であることを特徴とする請求項３記載の船舶推進機コントローラ。
  5. 　前記推進機駆動手段は、同期モータ、誘導モータ、油圧モータまたは内燃機関であることを特徴とする請求項２記載の船舶推進機コントローラ。
  6. 　前記推進機は、プロペラ式推進システムのプロペラ、またはウォータージェットの高圧ポンプに内蔵されたインペラであることを特徴とする請求項１記載の船舶推進機コントローラ。
  7. 　前記推進機駆動手段は、同期モータ、誘導モータ、油圧モータまたは内燃機関であることを特徴とする請求項１記載の船舶推進機コントローラ。
  8. 　請求項１に記載の船舶推進機コントローラと、
    　前記推進機を駆動する推進機駆動手段と、
    　を備えることを特徴とする船舶推進システム。
  9. 　前記推進機は、ウォータージェット式推進システムの高圧ポンプに内蔵されたインペラであり、前記推進機駆動手段は、前記インペラに接続されていることを特徴とする請求項８に記載の船舶推進システム。
  10. 　前記ウォータージェット式推進システムはリバーサを有しないことを特徴とする請求項９に記載の船舶推進システム。
  11. 　前記推進機は、プロペラ式推進システムのプロペラであり、前記推進機駆動手段は前記プロペラに接続されていることを特徴とする請求項８に記載の船舶推進システム。
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