專利名稱：一種船平航狀態(tài)下調(diào)距槳螺距和主機(jī)轉(zhuǎn)速的控制算法的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種船平航狀態(tài)下調(diào)距槳螺距和主機(jī)轉(zhuǎn)速的控制算法，尤其涉及一種具有負(fù)荷保護(hù)的船舶平航狀態(tài)下調(diào)距槳螺距和主機(jī)轉(zhuǎn)速的最優(yōu)匹配控制算法。
背景技術(shù)：
現(xiàn)代船舶工業(yè)逐步向大噸位、低能耗、高自動(dòng)化發(fā)展，主要表現(xiàn)為以電子、計(jì)算機(jī)、 自動(dòng)控制等為基礎(chǔ)的數(shù)字化技術(shù)大量應(yīng)用于船舶控制系統(tǒng)的各個(gè)環(huán)節(jié)，以數(shù)字化精密自動(dòng)調(diào)節(jié)替代傳統(tǒng)的手動(dòng)調(diào)節(jié)，從而大幅度提高船舶操控的自動(dòng)化水平，實(shí)現(xiàn)船舶在各種工況下工作參數(shù)的優(yōu)化匹配，從而降低運(yùn)行能耗，提高船舶運(yùn)行的操控性能和安全性。其中船舶推進(jìn)系統(tǒng)中和核心部件——螺旋槳、動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)的主要進(jìn)展是調(diào)距槳系統(tǒng)的應(yīng)用。作為船舶運(yùn)行的主傳動(dòng)系統(tǒng)，螺旋槳、主機(jī)的工作參數(shù)匹配是表征船舶品質(zhì)的重要指標(biāo)之一。調(diào)距槳裝置通過電液控制系統(tǒng)無級調(diào)整螺旋槳槳葉的螺距角，從而實(shí)現(xiàn)船舶動(dòng)力傳動(dòng)的“無級變速”。船隊(duì)在航行中，由于某種原因(例如大舵角、風(fēng)浪過大、急彎急流等)船隊(duì)負(fù)荷突然加大(瞬時(shí)或持續(xù))，機(jī)、槳之間從正常的設(shè)計(jì)工況變?yōu)槌?fù)荷工況，需要對主機(jī)進(jìn)行負(fù)荷控制保護(hù)，避免主機(jī)因超負(fù)荷運(yùn)行而受損。主機(jī)負(fù)荷控制有兩種方法，可以降低轉(zhuǎn)速、或降低螺距比。直接降低轉(zhuǎn)速，會(huì)使主機(jī)輸出功率隨外特性曲線下降，主機(jī)發(fā)不出額定功率， 船舶的機(jī)動(dòng)性大大降低；直接降低螺距，可以使主機(jī)保持輸出額定功率，但此時(shí)的螺旋槳的淌水效率較低，致使燃油利用率降低。船舶航行的最優(yōu)控制目標(biāo)就為實(shí)現(xiàn)最高燃油效率的同時(shí)，保持船舶最高的機(jī)動(dòng)性能。然而，燃油效率與機(jī)動(dòng)性能兩者往往難以兼得，必須在一定程度上進(jìn)行取舍，需要進(jìn)行最優(yōu)化控制。在主機(jī)負(fù)荷保護(hù)的條件下，如何最優(yōu)化船舶的機(jī)動(dòng)性與燃油效率，是船舶控制的關(guān)鍵技術(shù)難點(diǎn)。

發(fā)明內(nèi)容
為了解決上述現(xiàn)有技術(shù)的不足和缺點(diǎn)，本發(fā)明提供了一種船平航狀態(tài)下調(diào)距槳螺距和主機(jī)轉(zhuǎn)速從而達(dá)到主機(jī)最大輸出功率的控制算法。一種船平航狀態(tài)下調(diào)距槳螺距和主機(jī)轉(zhuǎn)速的控制算法，包括以下步驟
1)將轉(zhuǎn)速η進(jìn)行X等分，η為do]到η[χ]、螺距H進(jìn)行y等分，H為H
到H[y]，建立二維數(shù)組，轉(zhuǎn)速η取值為n[i]，螺距H取值為H[j]；
2)通過下述公式求得推力P P=Kp P n2Dp4 (1)式中，推力系數(shù)Kp為ΚΡ= λ p2+a2 λ p+a3 (2)式中，進(jìn)速系數(shù)入5為λρ= (1-ω)Η/ Ρ (3)；
3)通過下述公式求得船舶效率n為n= n。*ns*np (4)式中，螺旋槳淌水效率為ηρ=Κρ/ΚΜ* λ ρ /2 π (5)式中，阻力矩系數(shù) Km 為=Km= Id1 λ p 2+b2 λ ρ +b3 (6)；
4)通過下述公式求得船舶的當(dāng)前輸出功率W:W=M*2 π n/ncns(7),為保證主機(jī)不超負(fù)荷工作，輸出功率應(yīng)滿足( W外=cin2+c2n+c3(8)式中，船的阻力矩M為M=Kmp Ii2Dp5 (9)；5)根據(jù)已求得的推力P、船舶效率η和船舶的當(dāng)前輸出功率W通過下述公式求得控制判據(jù) J J=PA3^k1+n/nE*K2+w/wE *κ3 ( ο)式中，Vk2、k3為參數(shù)系數(shù)且ι^+ 2+ 3=ι (11)；
6)通過i和j的不斷取值將轉(zhuǎn)速n和螺距H分別遍歷O到X和O到y(tǒng)，當(dāng)W[i] [j]與W,滿足(8)且J[i][j]為最大值時(shí)，取得的轉(zhuǎn)速11和螺距H，此時(shí)的轉(zhuǎn)速n與螺距H 值為平航狀態(tài)下保證推力和船舶效率的情況下，主機(jī)達(dá)到最大輸出功率的轉(zhuǎn)速n與螺距H值。本發(fā)明最優(yōu)控制算法的有益效果在于通過取功率W和條件B的任意值，經(jīng)過查詢排序算法，取得控制判據(jù)J的最大值，實(shí)現(xiàn)了主機(jī)輸出功率最大、燃油效率最高且船舶機(jī)動(dòng)性能最好的最優(yōu)控制目的。


圖1為本發(fā)明的具體應(yīng)用調(diào)距槳控制系統(tǒng)的各部件示意圖。
具體實(shí)施例方式下面通過具體實(shí)施例對本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)說明，但并不是對本發(fā)明保護(hù)范圍的限制。實(shí)施例1
船舶通過螺旋槳獲取的推力P是衡量船舶機(jī)動(dòng)性的關(guān)鍵指標(biāo)。船舶獲取的加速度與推力P直接相關(guān)，可表示為式(12)
m*a=P-R (12)式中，m為船總重量，a為加速度，R為船的總阻力。當(dāng)P值越大時(shí)， 則船舶的加速度越大，機(jī)動(dòng)性能越好。推力P可表示為式(1)
P=KpPn2Dp4 (1)式中，P為水的密度，Kp為推力系數(shù)，n為轉(zhuǎn)速，Dp為槳直徑，可表示為式(2)
Kp=B1Ap^a2Ap +a3 (2)式中， 、 、 為螺旋槳淌水實(shí)驗(yàn)結(jié)果曲線擬合參數(shù)，Xj 進(jìn)速系數(shù)可表示為式(3)
λρ = (1-ω)νκ/η Dp = (1-ω)Η/ Ρ (3)式中，ω為伴流系數(shù)，H為螺距，Dp為槳直徑。由于船的總阻力(包括摩擦阻力、形狀阻力和興波阻力)R可表示為式(13): R=1/2p ν2Ω ζ (13)式中，P為水的密度，ν為船的航速，Ω為船航行時(shí)的濕面
積，ζ為總阻力常數(shù)系數(shù)。螺旋槳提供的有效推力P與船總阻力R達(dá)到平衡時(shí)，即P=R時(shí)， 可獲得最高速度運(yùn)行速度，所以P值越大，則船快速性越好。船舶效率是燃油效率的關(guān)鍵指標(biāo)，它代表了從主機(jī)發(fā)出功率到船舶獲得有效推進(jìn)功率之間的能量損耗，可表示為式(4)
n = n。*ns*np (4)式中，n。為船舶軸系及減速裝置的綜合傳動(dòng)效率，1為船一槳相互作用后船體影響系數(shù)(船身效率)，n。、1在不同工況下變化不大，所以最為關(guān)鍵的參數(shù)為np，如果能獲取較大的％值，則燃油效率較高。np為螺旋槳淌水效率，可表示為式 (5)
ηρ=ΚΡ/ΚΜ*λρ /2 π (5)式中，進(jìn)速系數(shù)，而Kp為推力系數(shù)(即式2中的ΚΡ)，阻力矩系數(shù)Km可表示為式(6):
Km= Id1 λ p 2+b2 λ p+b3 (6)式中的b” b2、b3為螺旋槳淌水實(shí)驗(yàn)結(jié)果曲線擬合參數(shù)。該專利算法提出歸一化的船舶機(jī)動(dòng)性指標(biāo)與燃油效率指標(biāo)，然后提出最優(yōu)控制判據(jù)J，J值可表示為以下形式(10)
J=P/PE^K1+ n/nE*K2+w/ffE *κ3(10)；
k1+k2+k3=l (11)； 在(10)式中，pE、nE、wE都為額定功率時(shí)推力、船舶效率、主機(jī)輸出總功率，而P、n、w 都為當(dāng)前狀態(tài)下的推力、船舶效率、輸出總功率，kpl^h是參數(shù)系數(shù)，可根據(jù)用戶需求進(jìn)行調(diào)整。為進(jìn)行負(fù)荷保護(hù)控制，船舶的當(dāng)前輸出功率W應(yīng)該小于主機(jī)的外特性輸出功率W 外，可表達(dá)為公式(8)
W彡W,=Cin2+C2n+C3 (8)式中，W為計(jì)算目標(biāo)狀態(tài)下的船舶輸出總功率，可表示為式
(7)
ff=M*2Jin/ncns (7)式中，M為船的阻力矩，可表示為式(9) M=KmPH2Dp5 (9)式中，M為船的阻力矩，Km為阻力矩系數(shù)，該專利算法目標(biāo)就是在滿足條件式(8 )的情況下，使控制判據(jù)J值最大，實(shí)現(xiàn)最優(yōu)控制。通過以上所有公式推導(dǎo)可以知道，P、M、W、Kp、Km、η都是人￡)與11的函數(shù)，而λρ又只是螺距H的函數(shù)，所以通過控制螺距H、轉(zhuǎn)速η值，就可以得到最優(yōu)的J判據(jù)。此時(shí)的轉(zhuǎn)速η與螺距H值為平航狀態(tài)下保證推力和船舶效率的情況下，主機(jī)達(dá)到最大輸出功率的轉(zhuǎn)速η與螺距H值。實(shí)施例2
帶負(fù)荷保護(hù)的最優(yōu)控制算法的實(shí)現(xiàn)方法
將轉(zhuǎn)速η進(jìn)行500等分、螺距H進(jìn)行100等分，則建立判據(jù)J [500] [100]與功率W [500] [100]、條件B [500] [100]的二維數(shù)組(條件B [500] [100]為一個(gè)二維數(shù)組值，用以判斷TRUE 或FALSE)，根據(jù)(1) - (10)公式統(tǒng)計(jì)各螺距及轉(zhuǎn)速條件下的J[i] [j]、W[i] [j]數(shù)值，以及該轉(zhuǎn)速條件下的W,值，當(dāng)W[i][j]與W,滿足關(guān)系式(8)時(shí)，則B[i][j]的數(shù)值為TRUE，否則為FALSE。該專利算法就是通過查詢排序算法，得到B[i] [j]為TRUE條件下的J[i] [j] 最大值，這時(shí)的η與H值就為控制目標(biāo)值。通過一組具體數(shù)值，對本發(fā)明作進(jìn)一步的解釋。公式里的水密度P= 1，螺旋槳直徑Dp= 2，伴流系數(shù)ω= 0.2，總阻力常數(shù)系數(shù)ζ= 2，航行濕面積Ω= 100，綜合傳動(dòng)效率η。= 0.9，船身效率ns= 0.9,^=0.3,^=0. 3,ks= 0.4。轉(zhuǎn)速取值范圍0-2000，螺距取值范圍0-1. 6。將轉(zhuǎn)速η進(jìn)行10等分、螺距H進(jìn)行5等分，取得η為0、10，20、30、40、50、60、 70、80、90，H 為 0 4。當(dāng) H=O, n= 0 時(shí)，J=O. 000 ；H=O, n= 10 時(shí)，J=O. 000 ；H=O, η= 20 時(shí)， J=L 060 ；H=O, η= 30 時(shí)，J= 2. 130 ；H=O, η= 40 時(shí)，J= 3. 210 ；H=O, η= 50 時(shí)，J=4. 299 ；H=O, η= 60 時(shí)，J=5. 398 ；H=O, n=70 時(shí)，J=6. 506 ；H=O, n=80 時(shí)，J=6. 506 ；H=O, η= 90 時(shí)，J=6. 506 ； H=I, n=0 時(shí)，J=6. 506 ；H=I, n=10 時(shí)，J=27. 315 ；H=I, η= 20 時(shí)，J=27. 315 ；H =1，n=30 時(shí)， J=29. 085 ；H=I，η= 40 時(shí)，J=29. 085 ；H=l，n=50 時(shí)，J=30. 886 ；H =l，n=60 時(shí)，J=30. 886 ；H=I, n=70 時(shí)，J=32. 718 ；H=l，n=80 時(shí)，J=32. 718 ；H=l，n=90 時(shí)，J=34. 580 ；H=2，n=0 時(shí)，J=34. 580 ； H=2, n=10 時(shí)，J=52. 323 ；H=2, n=20 時(shí)，J=52. 989 ；H=2, n=30 時(shí)，J=53. 660 ；H=2, n=40 時(shí)， J=54. 338 ；H=2, n=50 時(shí)，J=55. 020 ；H=2, n=60 時(shí)，J=55. 708 ；H=2, n=70 時(shí)，J=56. 402 ；H=2,n=80 時(shí)，J=57. 101 ；H=2，n=90 時(shí)，J=57. 805 ；H=3，n=0 時(shí)，J=67. 583 ；H=3，n=10 時(shí)，J=67. 982 ； H=3, n=20 時(shí)，J=68. 384 ；H=3, n=30 時(shí)，J=68. 789 ；H=3, n=40 時(shí)，J=69. 197 ；H=3, n=50 時(shí)， J=69. 607 ；H=3, n=60 時(shí)，J=70. 021 ；H=3, n=70 時(shí)，J=70. 437 ；H=3, n=80 時(shí)，J=70. 857 ；H=3, n=90 時(shí)，J=71. 279 ；H=4，n=0 時(shí)，J =-6. 258 ；H=4，n=10 時(shí)，J=_6. 162 ；H=4，n=20 時(shí)，J= -6. 066 ；H=4，n=30 時(shí)，J=_5. 970 ；H=4，n=40 時(shí)，J=_5. 874 ；H=4，n=50 時(shí)，J=_5. 778 ；H=4，n=60 時(shí)，J=-5. 682 ；H=4，n=70 時(shí)，J=_5. 586 ；H=4，n=80 時(shí)，J=_5. 490 ；H=4，n=90 時(shí)，J=_5. 394 ；通過排序計(jì)算，當(dāng)H=3，n=90時(shí)，求得的J=71. 279最大，此時(shí)的η和H為這幾組數(shù)據(jù)中主機(jī)輸出功率最大、燃油效率最高且船舶機(jī)動(dòng)性能最好的轉(zhuǎn)速η和螺距H。實(shí)施例3
如圖1所示，以本發(fā)明最佳啟動(dòng)算法的其中一種調(diào)距槳控制系統(tǒng)為例，具體說明本發(fā)明的工作過程。該控制系統(tǒng)是以高速可靠的CAN總線為數(shù)字信息的傳輸載體，以高性能的ARM7芯片作為主控芯片，設(shè)計(jì)開發(fā)具有信息處理、最佳匹配控制、系統(tǒng)狀態(tài)監(jiān)測、主機(jī)過載保護(hù)、信息保存等功能的模塊化的調(diào)距槳嵌入式控制系統(tǒng)。高性能嵌入式控制主機(jī)以高性能ARM7 CPU芯片為核心，以多路隔離CAN總線為通訊手段，配置大容量程序存儲器、數(shù)據(jù)存儲器和大容量固態(tài)數(shù)據(jù)記錄芯片。高性能嵌入式控制主機(jī)的運(yùn)行頻率為60MHz，處理器位寬為32位，具有4路隔離 CAN總線。控制器通過CAN總線分別從主機(jī)和電液控制系統(tǒng)得到當(dāng)前主機(jī)轉(zhuǎn)速η和調(diào)距槳螺距H。當(dāng)需要設(shè)置時(shí)，通過CAN總線輸出指令，設(shè)置目標(biāo)主機(jī)轉(zhuǎn)速η和調(diào)距槳螺距H。
權(quán)利要求
1. 一種船平航狀態(tài)下調(diào)距槳螺距和主機(jī)轉(zhuǎn)速的控制算法，其特征在于包括以下步驟1、將轉(zhuǎn)速η進(jìn)行X等分，η為η
到η[χ]、螺距H進(jìn)行y等分，H為H
到H[y]，建立二維數(shù)組，轉(zhuǎn)速η取值為n[i]，螺距H取值為H[j]；
2、通過下述公式求得推力P P=KpPn2Dp4 (1)式中，推力系數(shù)Kp為KP=aiXp2+a2Xp+a3 (2)式中，進(jìn)速系數(shù)入5為λρ= (1-ω)Η/ Ρ (3)；
3、通過下述公式求得船舶效率n為n= n。*ns*np(4)式中，螺旋槳淌水效率％為 ηρ=ΚΡ/ΚΜ* λ ρ /2 π (5)式中，阻力矩系數(shù) Km 為=Km= Id1 λ p 2+b2 λ ρ +b3 (6)；
4、通過下述公式求得船舶的當(dāng)前輸出功率W:W=M*2 π n/ η。η s (7)，為保證主機(jī)不超負(fù)荷工作，輸出功率應(yīng)滿足彡W外=cin2+c2n+c3(8)式中，船的阻力矩M為M=Kmp Ii2Dp5 (9)；
5、根據(jù)已求得的推力P、船舶效率η和船舶的當(dāng)前輸出功率W通過下述公式求得控制判據(jù) J =J=PA3e^1+n/nE*K2+w/wE *κ3 ( ο)式中，Vk2A3為參數(shù)系數(shù)且Iijk^k3=I (11)；
6、通過i和j的不斷取值將轉(zhuǎn)速n和螺距H分別遍歷O到X和O到y(tǒng)，當(dāng)W[i][j]與W ,滿足(8)且J[i][j]為最大值時(shí)，取得的轉(zhuǎn)速n和螺距H，此時(shí)的轉(zhuǎn)速n與螺距H值為平航狀態(tài)下保證推力和船舶效率的情況下，主機(jī)達(dá)到最大輸出功率的轉(zhuǎn)速n與螺距H值。
全文摘要
一種船平航狀態(tài)下調(diào)距槳螺距和主機(jī)轉(zhuǎn)速的控制算法，包括以下步驟(1)通過公式求得推力P；(2)通過公式求得船舶效率；(3)通過公式求得船舶的當(dāng)前輸出功率W；(4)根據(jù)求得的推力P、船舶效率和船舶的當(dāng)前輸出功率W通過公式求得控制判據(jù)J；(5)將轉(zhuǎn)速n進(jìn)行500等分、螺距H進(jìn)行100等分，建立二維數(shù)組,當(dāng)W[i][j]與W外滿足W[i][j]≤W外且J[i][j]為最大值時(shí)，轉(zhuǎn)速n和螺距H為控制目標(biāo)值。本發(fā)明最優(yōu)控制算法的有益效果在于通過算法，取得轉(zhuǎn)速n和螺距H，實(shí)現(xiàn)了主機(jī)輸出功率最大、燃油效率最高且船舶機(jī)動(dòng)性能最好的最優(yōu)控制目的。
文檔編號G05B13/04GK102354112SQ201110206128
公開日2012年2月15日 申請日期2011年7月22日 優(yōu)先權(quán)日2011年7月22日
發(fā)明者葉樹明, 葉珊珊, 湯亞偉, 蔣凱 申請人:杭州和邁科技有限公司