[發(fā)明專利]船舶主機(jī)遙控系統(tǒng)的控制方法

有效

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• 申請日: 2022-03-11
• 公開（公告）號: CN114508431B
• 公開（公告）日: 2022-12-27
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 吳富民;連雪海;李晨浩;趙博博;徐浩;王小春;黃毫軍;王煒皋;忻飛榮;黃天哲
• 申請（專利權(quán)）人: 中電科（寧波）海洋電子研究院有限公司;中國船級社上海分社
• 主分類號: F02D29/02
• 分類號: F02D29/02;F02D45/00
• 代理公司: 南京天華專利代理有限責(zé)任公司 32218
• 代理人: 肖麗

1.一種船舶主機(jī)遙控系統(tǒng)的控制方法，其中主機(jī)遙控系統(tǒng)包括車鐘系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、柴油機(jī)組，控制系統(tǒng)包括檢測柴油機(jī)組總輸出軸轉(zhuǎn)速的第一轉(zhuǎn)速傳感器和第二轉(zhuǎn)速傳感器、數(shù)據(jù)處理模塊、PID控制器以及判斷模塊，方法具體步驟如下：

步驟1：對主機(jī)遙控系統(tǒng)進(jìn)行加速負(fù)荷限制和臨界速度避讓設(shè)置：

(a)加速負(fù)荷限制：當(dāng)在低負(fù)荷區(qū)加速時，柴油機(jī)組的加速度為設(shè)定值a；當(dāng)在高負(fù)荷區(qū)加速時，柴油機(jī)組的加速度為設(shè)定值b；ab；其中，柴油機(jī)組的轉(zhuǎn)速在額定轉(zhuǎn)速30％～70％時，定為低負(fù)荷區(qū)，柴油機(jī)組的轉(zhuǎn)速在額定轉(zhuǎn)速70％以上時，定為高負(fù)荷區(qū)；

(b)臨界速度避讓設(shè)置：把引起柴油機(jī)組與船體共振的轉(zhuǎn)速區(qū)間記為臨界轉(zhuǎn)速區(qū)[c，d]，當(dāng)柴油機(jī)組的工作轉(zhuǎn)速落在臨界轉(zhuǎn)速區(qū)[c，d]內(nèi)時，主機(jī)遙控系統(tǒng)自動使柴油機(jī)組在臨界轉(zhuǎn)速的下限值c運(yùn)行；

步驟2：車鐘系統(tǒng)向控制系統(tǒng)發(fā)送車令信息；車令信息內(nèi)容包括常規(guī)指令、非常規(guī)指令及停機(jī)指令，其中，常規(guī)指令包括柴油機(jī)組正常加速至設(shè)定轉(zhuǎn)速Nr1或柴油機(jī)組正常減速至設(shè)定轉(zhuǎn)速Nr2；非常規(guī)指令包括柴油機(jī)組緊急加速至設(shè)定轉(zhuǎn)速Nr3或柴油機(jī)組緊急減速至設(shè)定轉(zhuǎn)速Nr4；

步驟3：判斷模塊對車令信息內(nèi)容進(jìn)行判斷：若車令信息內(nèi)容為常規(guī)指令，執(zhí)行步驟4；若車令信息內(nèi)容為停機(jī)指令，船舶進(jìn)行停機(jī)操作，并執(zhí)行步驟5；

步驟4-1：控制系統(tǒng)根據(jù)車令信息對柴油機(jī)組進(jìn)行操作指令控制，改變柴油機(jī)組3的轉(zhuǎn)速；

步驟4-2：第一轉(zhuǎn)速傳感器和第二轉(zhuǎn)速傳感器分別測量柴油機(jī)組的總輸出軸轉(zhuǎn)速，為Nr5和Nr6；并把測量結(jié)果傳輸給數(shù)據(jù)處理模塊；

步驟4-3：數(shù)據(jù)處理模塊進(jìn)行如下計(jì)算，并把計(jì)算結(jié)果傳輸給判斷模塊：

式中：η為第一轉(zhuǎn)速傳感器和第二轉(zhuǎn)速傳感器所測轉(zhuǎn)速誤差；

步驟4-4：判斷模塊判斷η≤10％是否成立：若成立，對柴油機(jī)組轉(zhuǎn)速進(jìn)行閉環(huán)控制即PID控制，轉(zhuǎn)至步驟4-5；若不成立，對柴油機(jī)組轉(zhuǎn)速進(jìn)行開環(huán)控制，轉(zhuǎn)至步驟4-10；

步驟4-5：控制系統(tǒng)計(jì)算測量轉(zhuǎn)速與預(yù)設(shè)轉(zhuǎn)速Nr_n(n＝1、2、3、4)的差值e(k)，并傳輸給PID控制器：e(k)＝{Nr5 Nr6}_max-Nr_n；

式中：e(k)是指k時刻的轉(zhuǎn)速差值；

步驟4-6：數(shù)據(jù)處理模塊計(jì)算轉(zhuǎn)速的誤差變化率e_c(k)，并傳輸給PID控制器：e_c(k)＝e(k)-e(k-1)；式中：e(k-1)是指k-1時刻的轉(zhuǎn)速差值；

步驟4-7：PID控制器根據(jù)輸入量誤差e(k)、誤差變化率e_c(k)與輸出量ΔK_p、ΔK_i、的對應(yīng)規(guī)則；得出對應(yīng)的模糊整定的ΔK_p、ΔK_i、ΔK_d；其中輸入量誤差e(k)、誤差變化率e_c(k)與輸出量ΔK_p、ΔK_i、ΔK_d的對應(yīng)規(guī)則依據(jù)下述方式得到：

首先，以傳統(tǒng)PID構(gòu)建柴油機(jī)組轉(zhuǎn)速控制變量，采用兩輸入三輸出的架構(gòu)，且輸入量為誤差e(k)、誤差變化率e_c(k)，得到輸出量為K_p、K_i和K_d；

然后，運(yùn)用模糊控制規(guī)則對構(gòu)建PID控制參數(shù)進(jìn)行微調(diào)：采用兩輸入三輸出的架構(gòu)，且輸入量為誤差e(k)、誤差變化率e_c(k)，根據(jù)PID參數(shù)中的比例參數(shù)P、積分參數(shù)I及微分參數(shù)D的調(diào)整經(jīng)驗(yàn)和誤差逐級逼近原則，建立輸出量ΔK_p、ΔK_i、ΔK_d的對應(yīng)規(guī)則；

步驟4-8：PID控制器求得實(shí)際PID輸出參數(shù)值：

式中，k′_p、k′_i、k′_d為k-1時刻的實(shí)際PID參數(shù)值；

步驟4-9：PID控制器計(jì)算k+1時刻的速度值u(k+1)，并傳輸給控制系統(tǒng)：u(k+1)＝k_p+k_i+k_d

步驟4-10：控制系統(tǒng)對柴油機(jī)組進(jìn)行最大最小轉(zhuǎn)速限制：當(dāng)轉(zhuǎn)速n小于柴油機(jī)組設(shè)定的最低穩(wěn)定轉(zhuǎn)速Nr7時，柴油機(jī)組以最低穩(wěn)定轉(zhuǎn)速Nr7運(yùn)行；當(dāng)轉(zhuǎn)速n大于柴油機(jī)組設(shè)定的最低穩(wěn)定轉(zhuǎn)速Nr7，且小于柴油機(jī)組允許的最大轉(zhuǎn)速Nr8時，柴油機(jī)組以轉(zhuǎn)速n運(yùn)行；當(dāng)轉(zhuǎn)速n大于柴油機(jī)組允許的最大轉(zhuǎn)速Nr8時，柴油機(jī)組以最大轉(zhuǎn)速Nr8運(yùn)行；其中，當(dāng)柴油機(jī)組轉(zhuǎn)速為閉環(huán)控制即PID控制時，轉(zhuǎn)速n為u(k+1)；當(dāng)柴油機(jī)組轉(zhuǎn)速為開環(huán)控制時，轉(zhuǎn)速n為Nr_n(n＝1、2、3、4)；

步驟4-11：數(shù)據(jù)處理模塊根據(jù)轉(zhuǎn)速n，計(jì)算柴油機(jī)組每100循環(huán)的供油量Δh：

式中：g_e為柴油機(jī)燃油消耗率，采購柴油機(jī)時已知；

Ne為柴油機(jī)功率，采購柴油機(jī)時已知；

γ為燃油比重，采購柴油時已知；

i為汽缸數(shù)，采購柴油機(jī)時已知；

n為柴油機(jī)轉(zhuǎn)速，當(dāng)柴油機(jī)組轉(zhuǎn)速為閉環(huán)控制即PID控制時，n為u(k+1)；當(dāng)柴油機(jī)組轉(zhuǎn)速為開環(huán)控制時，n為Nr_n(n＝1、2、3、4)；

δ為修正系數(shù)，δ＝1.1～1.14；

步驟4-12：控制系統(tǒng)從最大油量限制、轉(zhuǎn)矩限制以及增壓空氣壓力限制中選擇一個最小的限制條件，用于對柴油機(jī)組所需供油量的限制：

(a)最大油量限制：限制柴油機(jī)組的最大油量為額定油量的50％～100％；

(b)轉(zhuǎn)矩限制：采用設(shè)定轉(zhuǎn)速限制最大供油量的方式，如下：

式中，h為柴油機(jī)組的最大供油量，Us為柴油機(jī)組設(shè)定轉(zhuǎn)速值，e、f、g為常數(shù)，n為柴油機(jī)轉(zhuǎn)速，當(dāng)柴油機(jī)組轉(zhuǎn)速為閉環(huán)控制即PID控制時，n為u(k+1)；當(dāng)柴油機(jī)組轉(zhuǎn)速為開環(huán)控制時，n為Nr_n(n＝1、2、3、4)；

(c)增壓空氣壓力限制：采用根據(jù)增壓空氣壓力限制最大供油量的方式，如下：

式中，h為柴油機(jī)組的最大供油量，Ps為增壓空氣壓力設(shè)定值，k、m、s 為常數(shù)，p為增壓器輸出的增壓空氣壓力值，可由壓力傳感器測得；

步驟4-13：數(shù)據(jù)處理模塊通過限制條件把計(jì)算的柴油機(jī)組所需供油量傳輸給控制系統(tǒng)，控制系統(tǒng)控制柴油機(jī)組進(jìn)行調(diào)節(jié)；

步驟4-14：判斷模塊進(jìn)行如下判斷：若當(dāng)前柴油機(jī)組轉(zhuǎn)速為閉環(huán)控制即PID控制，轉(zhuǎn)至步驟4-2；若當(dāng)前柴油機(jī)組轉(zhuǎn)速為開環(huán)控制，執(zhí)行步驟4-10；

步驟5：判斷模塊進(jìn)行如下判斷：是否接收新的車令信息，若接收了新的車令信息，執(zhí)行步驟3；否則，結(jié)束。

2.如權(quán)利要求1所述的一種船舶主機(jī)遙控系統(tǒng)的控制方法，其特征在于：所述步驟3中，若車令信息內(nèi)容為非常規(guī)指令，則控制系統(tǒng)結(jié)合電子海圖和GPS所反饋的信息，預(yù)估船舶行駛所需轉(zhuǎn)速并發(fā)出提示，提示操作人員操縱手柄進(jìn)行調(diào)檔；調(diào)檔結(jié)束后轉(zhuǎn)至步驟4。