專利名稱：一種船平航狀態下調距槳螺距和主機轉速的控制算法的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種船平航狀態下調距槳螺距和主機轉速的控制算法，尤其涉及一種具有負荷保護的船舶平航狀態下調距槳螺距和主機轉速的最優匹配控制算法。
背景技術：
現代船舶工業逐步向大噸位、低能耗、高自動化發展，主要表現為以電子、計算機、 自動控制等為基礎的數字化技術大量應用于船舶控制系統的各個環節，以數字化精密自動調節替代傳統的手動調節，從而大幅度提高船舶操控的自動化水平，實現船舶在各種工況下工作參數的優化匹配，從而降低運行能耗，提高船舶運行的操控性能和安全性。其中船舶推進系統中和核心部件——螺旋槳、動力傳動系統的主要進展是調距槳系統的應用。作為船舶運行的主傳動系統，螺旋槳、主機的工作參數匹配是表征船舶品質的重要指標之一。調距槳裝置通過電液控制系統無級調整螺旋槳槳葉的螺距角，從而實現船舶動力傳動的“無級變速”。船隊在航行中，由于某種原因(例如大舵角、風浪過大、急彎急流等)船隊負荷突然加大(瞬時或持續)，機、槳之間從正常的設計工況變為超負荷工況，需要對主機進行負荷控制保護，避免主機因超負荷運行而受損。主機負荷控制有兩種方法，可以降低轉速、或降低螺距比。直接降低轉速，會使主機輸出功率隨外特性曲線下降，主機發不出額定功率， 船舶的機動性大大降低；直接降低螺距，可以使主機保持輸出額定功率，但此時的螺旋槳的淌水效率較低，致使燃油利用率降低。船舶航行的最優控制目標就為實現最高燃油效率的同時，保持船舶最高的機動性能。然而，燃油效率與機動性能兩者往往難以兼得，必須在一定程度上進行取舍，需要進行最優化控制。在主機負荷保護的條件下，如何最優化船舶的機動性與燃油效率，是船舶控制的關鍵技術難點。
發明內容
為了解決上述現有技術的不足和缺點，本發明提供了一種船平航狀態下調距槳螺距和主機轉速從而達到主機最大輸出功率的控制算法。一種船平航狀態下調距槳螺距和主機轉速的控制算法，包括以下步驟
1)將轉速η進行X等分，η為do]到η[χ]、螺距H進行y等分，H為H
到H[y]，建立二維數組，轉速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Kp為ΚΡ= λ p2+a2 λ p+a3 (2)式中，進速系數入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 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前輸出功率W:W=M*2 π n/ncns(7),為保證主機不超負荷工作，輸出功率應滿足( W外=cin2+c2n+c3(8)式中，船的阻力矩M為M=Kmp Ii2Dp5 (9)；5)根據已求得的推力P、船舶效率η和船舶的當前輸出功率W通過下述公式求得控制判據 J J=PA3^k1+n/nE*K2+w/wE *κ3 ( ο)式中，Vk2、k3為參數系數且ι^+ 2+ 3=ι (11)；
6)通過i和j的不斷取值將轉速n和螺距H分別遍歷O到X和O到y，當W[i] [j]與W,滿足(8)且J[i][j]為最大值時，取得的轉速11和螺距H，此時的轉速n與螺距H 值為平航狀態下保證推力和船舶效率的情況下，主機達到最大輸出功率的轉速n與螺距H值。本發明最優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，經過查詢排序算法，取得控制判據J的最大值，實現了主機輸出功率最大、燃油效率最高且船舶機動性能最好的最優控制目的。
圖1為本發明的具體應用調距槳控制系統的各部件示意圖。
具體實施例方式下面通過具體實施例對本發明作進一步詳細說明，但并不是對本發明保護范圍的限制。實施例1
船舶通過螺旋槳獲取的推力P是衡量船舶機動性的關鍵指標。船舶獲取的加速度與推力P直接相關，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P值越大時， 則船舶的加速度越大，機動性能越好。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，n為轉速，Dp為槳直徑，可表示為式(2)
Kp=B1Ap^a2Ap +a3 (2)式中， 、 、 為螺旋槳淌水實驗結果曲線擬合參數，Xj 進速系數可表示為式(3)
λρ = (1-ω)νκ/η Dp = (1-ω)Η/ Ρ (3)式中，ω為伴流系數，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為船航行時的濕面
積，ζ為總阻力常數系數。螺旋槳提供的有效推力P與船總阻力R達到平衡時，即P=R時， 可獲得最高速度運行速度，所以P值越大，則船快速性越好。船舶效率是燃油效率的關鍵指標，它代表了從主機發出功率到船舶獲得有效推進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效率，1為船一槳相互作用后船體影響系數(船身效率)，n。、1在不同工況下變化不大，所以最為關鍵的參數為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，進速系數，而Kp為推力系數(即式2中的ΚΡ)，阻力矩系數Km可表示為式(6):
Km= Id1 λ p 2+b2 λ p+b3 (6)式中的b” b2、b3為螺旋槳淌水實驗結果曲線擬合參數。該專利算法提出歸一化的船舶機動性指標與燃油效率指標，然后提出最優控制判據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都為額定功率時推力、船舶效率、主機輸出總功率，而P、n、w 都為當前狀態下的推力、船舶效率、輸出總功率，kpl^h是參數系數，可根據用戶需求進行調整。為進行負荷保護控制，船舶的當前輸出功率W應該小于主機的外特性輸出功率W 外，可表達為公式(8)
W彡W,=Cin2+C2n+C3 (8)式中，W為計算目標狀態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，該專利算法目標就是在滿足條件式(8 )的情況下，使控制判據J值最大，實現最優控制。通過以上所有公式推導可以知道，P、M、W、Kp、Km、η都是人￡)與11的函數，而λρ又只是螺距H的函數，所以通過控制螺距H、轉速η值，就可以得到最優的J判據。此時的轉速η與螺距H值為平航狀態下保證推力和船舶效率的情況下，主機達到最大輸出功率的轉速η與螺距H值。實施例2
帶負荷保護的最優控制算法的實現方法
將轉速η進行500等分、螺距H進行100等分，則建立判據J [500] [100]與功率W [500] [100]、條件B [500] [100]的二維數組(條件B [500] [100]為一個二維數組值，用以判斷TRUE 或FALSE)，根據(1) - (10)公式統計各螺距及轉速條件下的J[i] [j]、W[i] [j]數值，以及該轉速條件下的W,值，當W[i][j]與W,滿足關系式(8)時，則B[i][j]的數值為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，這時的η與H值就為控制目標值。通過一組具體數值，對本發明作進一步的解釋。公式里的水密度P= 1，螺旋槳直徑Dp= 2，伴流系數ω= 0.2，總阻力常數系數ζ= 2，航行濕面積Ω= 100，綜合傳動效率η。= 0.9，船身效率ns= 0.9,^=0.3,^=0. 3,ks= 0.4。轉速取值范圍0-2000，螺距取值范圍0-1. 6。將轉速η進行10等分、螺距H進行5等分，取得η為0、10，20、30、40、50、60、 70、80、90，H 為 0 4。當 H=O, n= 0 時，J=O. 000 ；H=O, n= 10 時，J=O. 000 ；H=O, η= 20 時， J=L 060 ；H=O, η= 30 時，J= 2. 130 ；H=O, η= 40 時，J= 3. 210 ；H=O, η= 50 時，J=4. 299 ；H=O, η= 60 時，J=5. 398 ；H=O, n=70 時，J=6. 506 ；H=O, n=80 時，J=6. 506 ；H=O, η= 90 時，J=6. 506 ； H=I, n=0 時，J=6. 506 ；H=I, n=10 時，J=27. 315 ；H=I, η= 20 時，J=27. 315 ；H =1，n=30 時， J=29. 085 ；H=I，η= 40 時，J=29. 085 ；H=l，n=50 時，J=30. 886 ；H =l，n=60 時，J=30. 886 ；H=I, n=70 時，J=32. 718 ；H=l，n=80 時，J=32. 718 ；H=l，n=90 時，J=34. 580 ；H=2，n=0 時，J=34. 580 ； H=2, n=10 時，J=52. 323 ；H=2, n=20 時，J=52. 989 ；H=2, n=30 時，J=53. 660 ；H=2, n=40 時， J=54. 338 ；H=2, n=50 時，J=55. 020 ；H=2, n=60 時，J=55. 708 ；H=2, n=70 時，J=56. 402 ；H=2,n=80 時，J=57. 101 ；H=2，n=90 時，J=57. 805 ；H=3，n=0 時，J=67. 583 ；H=3，n=10 時，J=67. 982 ； H=3, n=20 時，J=68. 384 ；H=3, n=30 時，J=68. 789 ；H=3, n=40 時，J=69. 197 ；H=3, n=50 時， J=69. 607 ；H=3, n=60 時，J=70. 021 ；H=3, n=70 時，J=70. 437 ；H=3, n=80 時，J=70. 857 ；H=3, n=90 時，J=71. 279 ；H=4，n=0 時，J =-6. 258 ；H=4，n=10 時，J=_6. 162 ；H=4，n=20 時，J= -6. 066 ；H=4，n=30 時，J=_5. 970 ；H=4，n=40 時，J=_5. 874 ；H=4，n=50 時，J=_5. 778 ；H=4，n=60 時，J=-5. 682 ；H=4，n=70 時，J=_5. 586 ；H=4，n=80 時，J=_5. 490 ；H=4，n=90 時，J=_5. 394 ；通過排序計算，當H=3，n=90時，求得的J=71. 279最大，此時的η和H為這幾組數據中主機輸出功率最大、燃油效率最高且船舶機動性能最好的轉速η和螺距H。實施例3
如圖1所示，以本發明最佳啟動算法的其中一種調距槳控制系統為例，具體說明本發明的工作過程。該控制系統是以高速可靠的CAN總線為數字信息的傳輸載體，以高性能的ARM7芯片作為主控芯片，設計開發具有信息處理、最佳匹配控制、系統狀態監測、主機過載保護、信息保存等功能的模塊化的調距槳嵌入式控制系統。高性能嵌入式控制主機以高性能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、數據存儲器和大容量固態數據記錄芯片。高性能嵌入式控制主機的運行頻率為60MHz，處理器位寬為32位，具有4路隔離 CAN總線。控制器通過CAN總線分別從主機和電液控制系統得到當前主機轉速η和調距槳螺距H。當需要設置時，通過CAN總線輸出指令，設置目標主機轉速η和調距槳螺距H。
權利要求
1. 一種船平航狀態下調距槳螺距和主機轉速的控制算法，其特征在于包括以下步驟1、將轉速η進行X等分，η為η
到η[χ]、螺距H進行y等分，H為H
到H[y]，建立二維數組，轉速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Kp為KP=aiXp2+a2Xp+a3 (2)式中，進速系數入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 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前輸出功率W:W=M*2 π n/ η。η s (7)，為保證主機不超負荷工作，輸出功率應滿足彡W外=cin2+c2n+c3(8)式中，船的阻力矩M為M=Kmp Ii2Dp5 (9)；
5、根據已求得的推力P、船舶效率η和船舶的當前輸出功率W通過下述公式求得控制判據 J =J=PA3e^1+n/nE*K2+w/wE *κ3 ( ο)式中，Vk2A3為參數系數且Iijk^k3=I (11)；
6、通過i和j的不斷取值將轉速n和螺距H分別遍歷O到X和O到y，當W[i][j]與W ,滿足(8)且J[i][j]為最大值時，取得的轉速n和螺距H，此時的轉速n與螺距H值為平航狀態下保證推力和船舶效率的情況下，主機達到最大輸出功率的轉速n與螺距H值。
全文摘要
一種船平航狀態下調距槳螺距和主機轉速的控制算法，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前輸出功率W；(4)根據求得的推力P、船舶效率和船舶的當前輸出功率W通過公式求得控制判據J；(5)將轉速n進行500等分、螺距H進行100等分，建立二維數組,當W[i][j]與W外滿足W[i][j]≤W外且J[i][j]為最大值時，轉速n和螺距H為控制目標值。本發明最優控制算法的有益效果在于通過算法，取得轉速n和螺距H，實現了主機輸出功率最大、燃油效率最高且船舶機動性能最好的最優控制目的。
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 優先權日2011年7月22日
發明者葉樹明, 葉珊珊, 湯亞偉, 蔣凱 申請人:杭州和邁科技有限公司