專利名稱：船舶的主機控制系統(tǒng)以及方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種船舶的主機控制系統(tǒng)以及方法，特別是，涉及在多種模式之間切換調速器控制的主機控制系統(tǒng)。
背景技術：
在船舶中的主機的調速控制中，一般使用PID控制等，進行把實際旋轉數維持為目標旋轉數的控制。另外，在這種把旋轉數維持為一定的控制中，提出了在謀求維持駕船性的同時提高燃油效率的目的下，當實際旋轉數或者設定旋轉數的值超過了規(guī)定范圍時，變更PID控制部的增益的控制方法(專利文獻I)。專利文獻I :日本特開2009-191774號公報

發(fā)明內容
(發(fā)明要解決的問題)然而，專利文獻I的構成由于不是考慮了海象或者船速的控制，因此燃油效率改善的效果并不充分。本發(fā)明的目的是進行配合海象的調速器控制，進一步抑制主機的燃料消耗。(解決技術問題的技術方案)本發(fā)明的主機控制系統(tǒng)的特征是，具備控制單元，在多種控制模式下進行主機的控制；控制量檢測單元，檢測主機的控制中的控制量；模式選擇單元，根據使用船速以及航行海域的波浪信息而推定的控制量的變動量和檢測出的控制量，進行控制模式的選擇。主機控制系統(tǒng)具備例如從所推定的變動量計算控制量的允許偏差的允許偏差計算單元。此外，主機控制系統(tǒng)具備例如進行允許偏差與控制量的控制偏差的比較的比較單元，控制模式的選擇例如根據比較單元中的比較進行。由此，能夠以極簡單的構成，進行對應海象的控制模式的選擇。控制量例如是主機的旋轉數，允許偏差計算單元計算例如考慮了來自主機的最大額定旋轉數的容限的允許偏差。另外，還可以具備用于變更容限的容限變更單元。由此，能夠更可靠地防止發(fā)生主機的過旋轉。允許偏差例如是根據變動量的標準偏差而計算的值。允許偏差例如為標準偏差的常數倍，還可以具備用于變更常數的常數變更單元。另外，當允許偏差是標準偏差的常數倍時，常數例如是2 3. 5。允許偏差計算單元例如參照基于船速、波浪信息的數據庫計算變動量。另外，變動量例如是考慮了船舶的重量的值，數據庫也包括與船舶的重量有關的項目。由此，能夠以簡單的構成迅速/正確地進行配合海象的控制模式的切換。在所述控制模式中包括積極控制模式，例如積極地進行由于波浪而變動的控制量向目標值的恢復；消極控制模式，例如進行允許由波浪引起的控制量的變動的程度的消極控制。當控制量的值超過允許偏差時，模式選擇單元選擇積極控制模式。
模式選擇單元例如在從消極控制模式變更成積極控制模式以后，在規(guī)定時間內，禁止向消極控制模式的變更。這時，規(guī)定時間比主機的響應時間長。由此，能夠防止在主機響應之前返回到消極控制模式。另外，上述船速例如是對水船速，對水船速例如根據對地船速、測地信息和海流數據而計算。此外，主機控制系統(tǒng)具備例如用于輸入波浪信息的輸入單
J Li ο本發(fā)明的船舶的特征是具備上述主機控制系統(tǒng)。另外，本發(fā)明的船舶的控制方法的特征是，在多種控制模式下控制主機的運轉，檢測控制量，根據使用船速以及航行海域的波浪信息而推定的控制量的變動量和檢測出的控制量，進行控制模式的選擇。(發(fā)明的效果)依據本發(fā)明，能夠進行配合海象的調速器控制，能夠進一步抑制主機的燃料消耗?！?br>

圖I是示出本實施方式的船舶用主機控制系統(tǒng)的構成的控制框圖。圖2是示出圖I的控制部的詳情的框圖。圖3是由比較部進行的控制模式切換判定處理的流程圖。符號說明10 :主機控制系統(tǒng)11 :主機12 :控制臺13 :旋轉數偏差計算部14 :控制部15:比較部16 :基準數據庫17 :允許旋轉數計算部
18 :測地/對地船速器19 :海流數據庫20 :對地船速修正部22 :消極控制運算部23 :積極控制運算部24 :切換部。
具體實施例方式以下，參照

本發(fā)明的實施方式。圖I是示出作為本發(fā)明的一個實施方式的船舶的主機控制系統(tǒng)的構成的控制框圖。在主機控制系統(tǒng)10中，主機11的輸出軸(未圖示)直接、或者經過變速器間接連接到推進用的螺旋槳(未圖示)。主機11進行反饋控制，使例如發(fā)動機的實際旋轉數(控制量)成為目標旋轉數(目標值)。目標旋轉數例如由駕船者C通過控制臺12設定。所設定的目標旋轉數作為旋轉數指令No輸入到旋轉數偏差計算部13。使用未圖示的傳感器檢測輸出軸的旋轉，作為實際旋轉數Ne輸入到旋轉數偏差計算部13。在旋轉數偏差計算部13中，計算檢測出的實際旋轉數Ne與旋轉數指令No之間的旋轉數偏差(Ne - No)。計算出的旋轉數偏差(Ne — No)輸出到控制部14以及比較部15。在控制部14中，根據輸入的旋轉數偏差(Ne - No)計算作為操作量的調速器指令，控制主機11的操作端(燃料控制閥門或者蒸汽閥(未圖示))，調整燃料供給量。另外，在本實施方式中，比較部15具備計時器15C，在比較部15中，判定作為控制偏差的旋轉數偏差(Ne - No)以及計時器15C的值是否滿足規(guī)定條件(后述)。比較部15根據該判定，向控制部14輸出模式選擇信號，在控制部14中，根據模式選擇信號，進行控制模式(后述)的選擇/切換。在本實施方式中，作為規(guī)定條件之一，例如判定旋轉數偏差的絕對值I Ne — No I是否在允許旋轉數Λ Nt以內。例如參照通過模擬或者實驗等預先生成的基準偏差數據庫16，在允許旋轉數計算部17中計算允許旋轉數Λ Nt。在本實施方式的基準偏差數據庫16 中，記錄對于波浪狀況(例如波高、波周期等)、對水船速、載荷的狀態(tài)(船的重量)的各值的組合的發(fā)動機旋轉數基準偏差(旋轉數變動的標準偏差)σ，在允許旋轉數計算部17中，從參照基準偏差數據庫16得到的發(fā)動機旋轉數基準偏差σ，求出允許旋轉數Λ Nt (后述)。這里，波浪狀況和載荷的狀態(tài)(船的重量)由駕船者C經過控制臺12輸入。另一方面，對水船速Vr從對地船速Vg和海流速度Vm求出。對地船速Vg例如使用GPS等測地/對地船速器18取得，海流速度Vm從由測地/對地船速器18得到的地點信息和海流數據庫19取得。即，在對地船速修正部20中使用對地船速Vg和海流速度Vm的值計算對水船速Vr，輸入到基準偏差數據庫16。接著，參照圖2的控制框圖，說明控制部14的詳情。在本實施方式中，例如使用速度形的PID算法。在本實施方式中，作為控制模式，準備消極控制模式(消極制御 一 K)和積極控制模式(積極制御*一卜0，來自旋轉數偏差計算部13的旋轉數偏差(Ne-No)分別輸出到與消極控制模式相對應的消極控制運算部22、與積極控制模式相對應的積極控制運算部23。在消極控制運算部22中，對于旋轉數偏差分別實施I / Til、S、Tdi · S2的運算(s是拉普拉斯算子)，然后，把3個值相加的同時，乘以控制增益Kpl，輸出到切換部24。另外，在積極控制運算部23中，對于旋轉數偏差分別實施I / Ti2、s、TD2 -S2的運算，然后，把3個值相加的同時，乘以控制增益Kp2，輸出到切換部24。切換部24根據來自比較部15 (參照圖I)的模式選擇信號，僅把與所選擇的控制模式相對應的來自運算部22、23的輸出選擇性地向積算部25輸出。在積算部25中，對于由切換部24選擇的來自消極控制運算部22的輸出或者來自積極控制運算部的輸出，實施積分運算I / S，作為調速器指令(操作量)，向主機11的操作端輸出。這里，消極控制模式是進行允許由波浪引起的實際旋轉數(控制量)Ne的變動的程度的消極控制的模式，在實際旋轉數Ne的變動處在當前波浪狀況中的通常的變動范圍內的情況下被選擇，特別是，在沒有發(fā)生由空轉等引起的過旋轉的危險的狀態(tài)下選擇。另外，積極控制模式是積極(早期)地進行由于波浪而變動的實際旋轉數(控制量)Ne向目標旋轉數(目標值)No恢復的模式，在發(fā)生了在現狀的波浪狀況下通常不會發(fā)生的很大的實際旋轉數Ne變動的情況下被選擇。從而，消極控制運算部22的Kpl設定為比積極控制運算部23的Kp2小的值。另外，Til和Ti2、TD1和Td2根據控制對象的頻率特性設定，通常設定為大致相同的值，但是當干擾和控制對象的頻率特性相似時，可以在Tn、Ti2的組和TD1、Td2的組中分別給出不同的值(每組類似的值)。接著，參照圖I以及圖3的流程，說明在比較部15中執(zhí)行的處理以及規(guī)定條件的具體例子。另外，本實施方式的調速器系統(tǒng)具備手動控制模式和自動控制模式，當由駕船者C選擇了自動控制模式時，開始圖3的流程表示的處理。另外，在剛剛選擇了自動控制模式以后，選擇消極控制模式，從比較部15向控制部14輸出與消極控制模式相對應的模式選擇信號。另外，在手動控制模式下，例如，通常選擇積極控制模式。在步驟SlOO中，計時器15C的計數值CN設定為O。然后，在步驟S102中，判定旋轉數偏差的絕對值I Ne-No I是否小于允許旋轉數Λ Nt。如果判定為絕對值I Ne — No I小于允許旋轉數Λ Nt,則在步驟S104中，判定計時器15C的計數值CN是否大于預先設定的 規(guī)定值CS。在步驟S104中，如果判定為CN > CS，則在步驟S106中，輸出到控制部14的模式選擇信號切換成與消極控制模式相對應的信號，處理返回到步驟S102。另一方面，在步驟S104中，如果判定為不是CN > CS，則處理立即返回到步驟S102。另外，在步驟S102中，如果判定為不是I Ne —No I <Λ Nt，則在步驟S108中，判定當前的模式選擇信號是否與消極控制模式相對應。如果是消極控制模式，則在步驟SllO中，復位計數值CN的同時，起動計時器15C，開始計數值CN的每個規(guī)定時間的計數。然后，在步驟S112中，輸出到控制部14的模式選擇信號切換成與積極控制模式相對應的信號，處理返回到步驟S102。另外，在步驟S108中，如果判定為當前輸出的模式選擇信號不是消極控制模式，則處理立即返回到步驟S102。S卩，依據比較部15中的上述處理，在從消極控制模式向積極控制模式的切換中，如果判定為旋轉數偏差的絕對值I Ne — No I大于允許旋轉數Λ Nt，則立即進行控制模式的切換。另一方面，在從積極控制模式向消極控制模式的切換中，在選擇了積極控制模式以后，在規(guī)定時間內(與規(guī)定值CS相對應)，禁止控制模式的切換，在該期間不會變更模式選擇信號?？刂颇Ｊ角袚Q的禁止在經過規(guī)定時間以后解除，如果判定為旋轉數偏差的絕對值INe-No I小于允許旋轉數Λ Nt，則從積極控制模式向消極控制模式切換?？紤]了例如在剛剛將控制模式切換為積極控制模式以后，防止比發(fā)動機旋轉數的響應還快的控制模式向消極控制模式的返回或者負荷變動的周期，決定上述規(guī)定時間(設定值CS)。即，設定把對于主機的操作端的輸入的發(fā)動機旋轉數響應一階延時(一次遅札)地單純化時的時間常數、以及比由能夠實施自動運轉得到的波浪狀況而引起的負荷變動周期還長的時間(例如8 12秒左右)。接著,說明允許旋轉數Λ Nt。在本實施方式中，允許旋轉數Λ Nt作為發(fā)動機旋轉數基準偏差(標準偏差)σ的常數倍，例如2 3. 5倍，更優(yōu)選的是2. 5 3倍，在允許旋轉數計算部17中計算。即，旋轉數偏差的絕對值I Ne — No I比允許旋轉數Λ Nt大的情況在通常的旋轉數變動的范圍內幾乎不可能，在這種情況下，認為需要積極控制。另外，該常數優(yōu)選能夠由駕船者C設定/變更。另外，如果目標旋轉數(旋轉數指令)No和允許旋轉數Λ Nt之和(No+Λ Nt)比主機11的最大額定旋轉數Nm大，則具有實際旋轉數Ne超過最大額定旋轉數Nm的可能性。從而，在本實施方式中，允許旋轉數計算部17具備把Λ Nt的值自動地變更為比(Nm — No)小的值的功能，使得和(No + ANt)的值不超過最大額定旋轉數Nm。這時，優(yōu)選的是在Λ Nt的值與(Nm— No)的值之間設置旋轉數容限— ^ >)，旋轉數容限例如能夠由駕船者C設定/變更。即，允許旋轉數計算部17從所設定的容限和主機10的最大額定旋轉數，修正并輸出上述的允許旋轉數Λ Nt。另外，如以下那樣使用流體分析預先求出發(fā)動機旋轉數基準偏差σ。即，對于各種狀況中的船舶的對水速度(對水船速)、波高、波頻率(波浪信息)、船舶的重量等的組合，通過考慮船體運動的流體分析，計算對于推進用螺旋槳的流入速度的變動，根據該螺旋槳流入速度的變動，求出對于各組合的發(fā)動機旋轉數基準偏差σ。 更詳細地進行說明，如果螺旋槳形狀(例如螺距)是已知的，則從螺旋槳流入速度，在螺旋槳效率最大的條件下，唯一地決定最佳的螺旋槳旋轉速度。從而，與螺旋槳直接或者經過變速器連接的主機輸出軸對于最佳螺旋槳旋轉速度的旋轉數變動作為其常數倍被計算。從該發(fā)動機旋轉數變動的模擬，計算對于對水船速、波浪信息(波高、波頻率)、船舶的重量的各組合的主機的旋轉數變動的標準偏差σ。另外，在船體重量極大的船舶中，由于船體運動小，因此能夠省略考慮船體運動的模擬。這種情況下，能夠從基準偏差數據庫減去與船體重量有關的項目，也不再需要由駕船者C輸入與船體重量有關的信息。這種情況下，駕船者C只要通過控制臺12僅輸入波浪信息和目標旋轉數即可。另外，在大型油輪等中，也可以是僅準備空載時和滿載時的數據，駕船者C選擇兩者中的某一種的構成。如上所述，依據本實施方式，能夠從當前的對水船速和波浪信息配合海象而適當地選擇主機的控制模式，能夠大幅度地抑制燃料消耗。特別是，在本實施方式中，根據從當前的對水船速、波浪信息推定的主機旋轉數變動的旋轉數基準偏差(標準偏差)求出旋轉數變動的允許偏差，根據該偏差進行控制模式的切換，因此能夠以極簡單的構成實現對應于海象的調速器控制。特別是，在波高數米的波浪狀況下在遠洋航行時，與現有的使用一般的主機旋轉數控制的船舶相比較，具有1% 2%的燃油效率改善效果。另外，在本實施方式中，預先模擬與各種船速、波浪信息相對應的旋轉數基準偏差(標準偏差)，并將這些關系作為數據庫保存/利用，因此能夠以簡單的構成迅速地求出對應于當前的船速、波浪信息的基準偏差。此外，在本實施方式中，由于從由測地/對地船速器得到的數據和海流數據庫的信息得到當前的更正確的對水船速，因此能夠以高精度進行控制模式的切換。另外，在本實施方式中，由于船舶的重量也成為基準偏差數據庫中的旋轉數基準偏差分類的一個項目，同時，通過輸入載荷的狀態(tài)，把握船舶的正確的重量，因此能夠進行旋轉數基準偏差的更正確的推定。另外，在本實施方式中，由于按照與主機的最大額定旋轉數的關系進行允許偏差的修正，因此防止主機的過旋轉。此外，通過在允旋轉數偏差和目標值之和與最大額定旋轉數之間設置容限并使其能夠調整，從而能夠進行更靈活并且安全的調速器控制。
另外，在本實施方式中，該自動控制中，準備消極控制模式和積極控制模式這兩種控制模式，但是例如也可以進一步把固定燃料指數的燃料模式添加為自動控制中的控制模式。這種情況下，例如，把比上述的允許旋轉數偏差(第I允許旋轉數偏差)小的第2允許旋轉數偏差，在消極控制模式與燃料模式之間的切換判定中使用，當旋轉數偏差比第2允許旋轉數偏差大時，切換為消極控制模式，例如在規(guī)定時間期間，在旋轉數偏差沒有超過第2允許旋轉數偏差的情況下，進行從消極控制模式向燃料模式的切換。另外，也可以僅用積極控制模式和燃料模式構成自動控制，還能夠在自動控制中使用把其它的物理量作為控制量的控制模式(例如使用轉矩傳感器等的輸出控制)或者與它們的組合。此外，在本實施方式中，雖然使用了速度形的PID，但也可以是其以外的控制形式。另外，還能夠把本發(fā)明適用在反饋控制以外的情況。另外，在本實施方式中，使用對于船速、波浪信息、船舶的重量的基準旋轉數偏差(標準偏差)的數據庫，但是也能夠采取近似式或者并用數據庫和插補式的構成。另外，也能夠從標準偏差以外的值求出旋轉數(控制量)的允許偏差。即，也能夠從
表示控制量的變動的分布的標準偏差以外的代表值計算，例如，能夠求出控制量的變動的各周期中的最大值、最小值與控制量的平均值之差，并從其平均值求出允許偏差。另外，在本實施方式中，把控制偏差與允許偏差進行了比較，但是也可以把目標值和允許偏差之和與控制量進行比較。另外,在由海流產生的影響少時,代替對水船速也可以考慮使用對地船速。在本實施方式中，通過目視確認波浪信息，由駕船者輸入，但是也可以使用傳感器等自動地取得這些信息。
權利要求
1.一種船舶的王機控制系統(tǒng)，其特征在于具備 控制單元，在多種控制模式下進行主機的控制； 控制量檢測單元，檢測所述控制中的控制量； 模式選擇單元，根據使用船速以及航行海域的波浪信息而推定的所述控制量的變動量和檢測出的所述控制量，進行所述控制模式的選擇。
2.根據權利要求I所述的主機控制系統(tǒng)，其特征在于具備允許偏差計算單元，所述允許偏差計算單元從所推定的所述變動量計算所述控制量的允許偏差。
3.根據權利要求2所述的主機控制系統(tǒng)，其特征在于具備進行所述允許偏差與所述控制量的控制偏差的比較的比較單元，根據所述比較進行所述控制模式的選擇。
4.根據權利要求2或3中任一項所述的主機控制系統(tǒng)，其特征在于，所述控制量是所述主機的旋轉數。
5.根據權利要求4所述的主機控制系統(tǒng)，其特征在于，所述允許偏差計算單元計算考慮了來自所述主機的最大額定旋轉數的容限的允許偏差。
6.根據權利要求5所述的主機控制系統(tǒng)，其特征在于具備用于變更所述容限的容限變更單元。
7.根據權利要求2至6中任一項所述的主機控制系統(tǒng)，其特征在于，所述允許偏差是根據所述變動量的標準偏差而計算的值。
8.根據權利要求4所述的主機控制系統(tǒng)，其特征在于，所述允許偏差為所述標準偏差的常數倍，所述主機控制系統(tǒng)具備用于變更所述常數的常數變更單元。
9.根據權利要求8所述的主機控制系統(tǒng)，其特征在于，所述常數是2 3.5。
10.根據權利要求2所述的主機控制系統(tǒng)，其特征在于，所述允許偏差計算單元參照基于所述船速、所述波浪信息的數據庫計算所述變動量。
11.根據權利要求10所述的主機控制系統(tǒng)，其特征在于，所述變動量是考慮了所述船舶的重量的值，所述數據庫也包括與所述船舶的重量有關的項目。
12.根據權利要求I至11中任一項所述的主機控制系統(tǒng)，其特征在于，在所述控制模式中包括積極控制模式，積極地進行由于波浪而變動的所述控制量向所述目標值恢復；消極控制模式，進行允許由波浪引起的所述控制量的變動的程度的消極控制；當所述控制量的值超過所述允許偏差時，所述模式選擇單元選擇所述積極控制模式。
13.根據權利要求12所述的主機控制系統(tǒng)，其特征在于，所述模式選擇單元在從所述消極控制模式變更成所述積極控制模式以后，在規(guī)定時間內，禁止向所述消極控制模式的變更。
14.根據權利要求13所述的主機控制系統(tǒng)，其特征在于，所述規(guī)定時間比所述主機的響應時間長。
15.根據權利要求I至14中任一項所述的主機控制系統(tǒng)，其特征在于，所述船速是對水船速。
16.根據權利要求15所述的主機控制系統(tǒng)，其特征在于，所述對水船速根據對地船速、測地信息和海流數據而計算。
17.根據權利要求I至16中任一項所述的主機控制系統(tǒng)，其特征在于具備用于輸入所述波浪信息的輸入單元。
18.一種船舶，其特征在于具備權利要求I至17中任一項所述的主機控制系統(tǒng)。
19.一種船舶的主機控制方法，其特征在于，在多種控制模式下控制主機的運轉，檢測控制量，根據使用船速以及航行海域的波浪信息而推定的控制量的變動量和檢測出的所述控制量，進行所述控制模式的選擇。
全文摘要
本發(fā)明提供一種船舶的主機控制系統(tǒng)以及方法。通過模擬而計算考慮了對于各種波高、波周期、對水船速、船舶的重量等的組合的船體運動的螺旋槳流入速度。根據所計算的螺旋槳流入速度的變動，計算主機旋轉數的變動，求出標準偏差σ。把這些結果作為基準偏差數據庫(16)。參照基準偏差數據庫(16)，從航行中的波高、波周期、對水船速、船舶的重量求出標準偏差，計算允許旋轉數偏差△Nt。在控制部(14)中進行主機(11)的PID控制，設置增益不同的多種控制模式。根據比較部(15)中的旋轉數偏差與允許旋轉數偏差△Nt的比較，切換控制部(14)的控制模式。
文檔編號B63H21/21GK102811903SQ201180014910
公開日2012年12月5日 申請日期2011年3月18日 優(yōu)先權日2010年3月31日
發(fā)明者辻康之, 稻見昭一, 宮田淳也 申請人:三井造船株式會社