專利名稱：用于船舶的效率優(yōu)化的推進器速度控制的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及船只的推進器控制，特別涉及通過推進器控制來改進推進效率。
背景技術：
在航道上的例如集裝箱船和油輪的大型船只消耗大量燃料。由于油價上漲，燃料 的大量消耗導致海運公司花費的百分比顯著增長。而且從環(huán)境觀點來看，通過船只運送貨 物而產生的燃料的大量消耗也是一個問題。由此，期望減少船只的油耗并且增加船只的推 進效率。EP0551367公開了一種實現用于船舶推進器的引擎功率的優(yōu)化利用的方法，其中 在通過調節(jié)船舶引擎的輸出、并且可選地調節(jié)推進器片的螺旋角以及推進器軸的旋轉來連 續(xù)地控制功率的調節(jié)環(huán)路中使用計算機，使得力傳感器連續(xù)地監(jiān)控推進器軸中的縱向凈 力，并且將縱向凈力用作控制功率的主要參數，以這樣的方式與推進器效率和經濟的引擎 油耗相關地在所有時間優(yōu)化凈力。EP0551367的方法具有缺點，因為它需要使用裝置來監(jiān)控 推進器軸中的縱向凈力。但是EP0551367公開了目的在于改善推進器效率的方法，該方法具有通過使用其 他用于推進器控制的方法來進一步改善船只效率的優(yōu)點。

發(fā)明內容
本發(fā)明優(yōu)選地單獨或以任何組合尋求減輕、緩和或消除一個或多個上述缺點。特 別地，本發(fā)明的目的可以看做提供一種用于改善船只的推進器效率的系統(tǒng)。在本發(fā)明的第一方面通過提供一種方法獲得了該目的和若干其他目的，該方法通 過使用計算得到的最優(yōu)推進器軸速度控制推進器軸速度來增加船只在波浪中的推進效率， 所述船只包括由弓I擎驅動的推進器以及用于控制推進器軸速度的控制器，所述方法包括估計推進器流入速度，所述流入速度包括由經過推進器的波浪導致的波浪引起的 流入速度的速度分量，將最優(yōu)推進器軸速度計算為推進器流入速度的函數，其中計算最優(yōu)推進器軸速度 是基于最大化推進效率進行的。本發(fā)明特別地但不是排他地有利于改善推進器效率。由此，使用增加推進器效率的軸速度控制提供了增加船舶、油輪和潛水艇的效率 的方法。船只包括由一個或多個引擎驅動的一個或多個推進器。并且船只包括一個或多個 控制器，例如軸速度控制器，用于控制一個或多個推進器的推進器軸速度。在現有的推進器 軸速度控制器中，通過將基于推進器流入速度確定的參考輸入信號提供給控制器可以利用 該方法。由此，該方法可以被看做通過利用波浪引起的水速度中的變化來改善效率。可以 根據該方法通過計算最優(yōu)推進器軸速度來實現波浪的利用。通過最優(yōu)地利用水速度中的變 化引起的波浪，推進器軸速度可以被看做關于推進器效率是最優(yōu)的。由此，可以通過對于推 進器流入速度的給定值最大化推進效率來確定最優(yōu)推進器軸速度。最大化推進效率可以被看做表示推進器效率的能量函數的數學最大化。由此，推進器效率可以被公式化為各種能量函數，所述能量函數將例如與提供給船只引擎的功率相比的推進器的功率量化。獲得的最優(yōu)推進器軸速度可以被提供給推進器軸速度控制器作為參考輸入信號?？梢垣@得推進效率的最大化作為非線性優(yōu)化問題的解，由此增加平均推進效率。通過利用推進器流入速度或者流入速度的變化，有利于優(yōu)化推進效率，因為可以 在船只中執(zhí)行該優(yōu)化而不執(zhí)行船只的任何昂貴的修改。實際上可以通過修改船只的現有推 進器控制器的部分來實現用于確定最優(yōu)推進器速度的方法，在新式船只中該方法被實現為 在計算機中執(zhí)行的軟件控制器。顯而易見，推進器控制器執(zhí)行的軟件的修改，即使這樣的修 改不是小任務，也不需要用于控制器的現有計算機的昂貴改變。在本發(fā)明的實施例中，推進效率是傳遞以推動船只的功率和引擎消耗的功率的比 率。由此，計算最優(yōu)推進器軸速度可以是基于求解被公式化為傳遞以推動船舶的功率和引 擎消耗的功率的比率的平均值的優(yōu)化的優(yōu)化問題。在一個實施例中，使用靜態(tài)映射函數計算最優(yōu)推進器軸速度，所述靜態(tài)映射函數 將推進器流入速度的值(或前進速度)映射到最優(yōu)推進器軸速度的值?？梢栽谟糜诟纳瓶?推進效率的推進器控制器中使用該靜態(tài)映射函數，例如查找表或多項式或分段線性函數， 其可以通過求解用于最大化推進效率的目的的優(yōu)化問題來確定。在一個實施例中，使用靜態(tài)映射函數計算最優(yōu)推進器軸速度，所述靜態(tài)映射函數 將推進器流入速度的變化的值映射到最優(yōu)推進器軸速度的變化。映射變化而不是絕對值是 有好處的，因為變化可以提供簡單控制器設計?？梢允褂玫屯V波器或其他計算方法來獲 得前進速度的變化。在一個實施例中，靜態(tài)映射函數是基于最大化推進效率來確定的，例如通過使得 傳遞以推動船只的功率和引擎消耗的功率的比率最大化來確定的。在一個實施例中，基于最大化推進效率計算最優(yōu)推進器軸速度被計算為滿足維持 恒定船只速度的約束和/或限制推力波動的幅度的約束或限制來自平均推力的偏差的約 束的優(yōu)化問題的解。為了減少主引擎和其他推進器驅動元件的磨損，約束船只速度變化和 推力波動是有利的。在一個實施例中，從測量的推進器轉矩計算推進器流入速度。計算(即估計)流 入速度是有利的，因為很難測量流入速度或者需要昂貴的設備來測量流入速度。在一個實施例中，從估計的推進器轉矩計算推進器流入速度，其中基于測量的馬 達轉矩和測量的軸速度計算估計的推進器轉矩。應該理解到可以使用可選的方法來估計推 進器流入速度。一個實施例包括從推進器流入速度的平均值計算推進器流入速度的變化；從推進器流入速度的變化計算軸速度的變化，其中從計算得到的軸速度的變化和參考軸速度計算最優(yōu)軸速度。例如，可以通過將軸速度的變化加入到參考軸速度來計算最優(yōu)軸速度。在一個實施例中，可以假設通過波浪周期，流入速度是具有周期的，并且其中通過 最大化傳遞給推進器的功率和在整數個波浪周期上平均的引擎消耗的功率的比率來計算 最優(yōu)推進器軸速度。由此，在一個實施例中，假設給定的流入速度的波浪周期，優(yōu)化問題可以被公式化。在一個實施例中，最優(yōu)推進器速度被確定為流入速度的函數，其中在使得推進器 推進的功率效率最大化的約束下確定最優(yōu)推進器速度。通過利用流入速度來確定最優(yōu)推進 器速度，優(yōu)化或最大化推進效率是有利的，即，在優(yōu)化推進效率上推進器速度是最優(yōu)的。在一個實施例中，向能夠控制推進器軸速度的控制器提供計算得到的最優(yōu)軸速 度。這樣的控制器可以是簡單的PI控制器或者已經用于推進器速度控制的其他控制器。在一個實施例中，最優(yōu)推進器速度包括將推進器速度的變化計算為流入速度的函 數并且合并推進器速度的變化和參考推進器速度以獲得最優(yōu)推進器速度。本發(fā)明的第二方面涉及一種系統(tǒng)，用于通過使用計算得到的最優(yōu)推進器軸速度控 制推進器軸速度來增加船只在波浪中的推進效率，所述船只包括由引擎驅動的推進器以及 用于控制推進器軸速度的控制器，所述系統(tǒng)包括觀測器，用于估計推進器流入速度，所述流入速度包括由經過推進器的波浪導致 的波浪引起的流入速度的速度分量，計算裝置，用于將最優(yōu)推進器軸速度計算為推進器流入速度的函數，其中計算最 優(yōu)推進器軸速度是基于最大化推進效率進行的。應該理解計算裝置、觀測器以及控制器可以是一個或多個計算機，用于執(zhí)行控制 指令、估計推進器流入速度以及計算最優(yōu)推進器軸速度。指令可以在單個計算機或多個計 算機中被執(zhí)行為軟件，即，計算機程序產品。由此，計算裝置、觀測器和控制器中的每一個可 以表示單個計算機，被配置以執(zhí)行用于控制、估計和計算最優(yōu)推進器軸速度的計算機程序 指令。可選地，計算裝置、觀測器和控制器中的一個或多個可以是在印刷電路板上實現的硬 件或者在可編程計算機芯片上實現的固件，其中硬件或可編程芯片被設計或編程來執(zhí)行控 制、估計和/或計算軸速度。第三方面涉及一種船只，包括根據第二方面的系統(tǒng)。第四方面涉及一種計算機程序，能夠使得處理器執(zhí)行第一方面的方法。計算機程 序產品可以被用于使得包括具有數據存儲裝置和與數據存儲裝置相關聯(lián)的數據處理裝置 的至少一個計算機的計算機系統(tǒng)執(zhí)行操作，控制推進器速度、估計推進器流入、計算最優(yōu)推 進器軸速度和用于執(zhí)行根據本發(fā)明的實施例的方法所需的其他可能的動作。本發(fā)明的第一、第二、第三和第四方面中每一個可以與其他方面的任一個合并。本 發(fā)明的這些和其他方面將在參考此后描述的實施例的說明中變得顯而易見。


下面將參考附圖僅以實例的方式描述本發(fā)明，其中圖1示出用于推進器控制的實驗測試的設置；圖2a示出測量的地表水推進器特性，它們的線性估計以及推進器效率；圖2b示出推進器的推力和推進器轉矩的比率；圖2c示出用于說明本發(fā)明的推進器效率曲線的原理圖；圖2d示出用于說明本發(fā)明的當流入速度具有周期偏差并且軸速度保持不變時推進效率曲線的原理圖；圖2e示出于說明本發(fā)明的當流入速度具有周期偏差并且軸速度被控制為流入速度的函數時推進效率曲線的原理圖；圖3示出在恒定軸速度下執(zhí)行的測試得出的數據；圖4示出控制器框圖；圖5示出三個不同控制器的仿真結果；圖6a示出流入速度和優(yōu)化的推進器速度的結果；圖6b示出靜態(tài)映射函數；圖7示出波浪振幅的統(tǒng)計分布；圖8示出用于測量流入速度和正常的船只速度的方法；表1提供了在下面的公式中最常使用的符號的列表；表2給出了推進器幾何參數；表3給出了總效率和推進器效率的平均值。
具體實施例方式總地來說，本發(fā)明涉及在中浪中用于船舶的效率優(yōu)化的推進器速度控制。本發(fā)明的目的涉及船舶推進、節(jié)省燃料、軸速度控制以及優(yōu)化控制。在中浪中的船舶在它的主要動子的軸上經歷時變的推力和轉矩負載。原因是在波 浪經過的過程中對于推進器的變化的流入速度。這個偏差已經考慮了對主要引擎控制的損 害，其中在一些控制機制中抑制轉矩、軸速度和功率中引起的波動，在另一些控制機制中忽 略轉矩、軸速度和功率中引起的波動。本發(fā)明的實施例表示如何利用流入速度中的波動來 增加波浪中的平均推進效率同時不減小船只速度。提出了理論上增強推進效率的非線性控 制器。模型測試確定波浪中的推進器動態(tài)特性并且應用仿真來證實新的控制機制。對于航道上的船舶，當波浪經過時由于對于推進器的例如速度的變化，波長產生 了主動子的軸上的負載波動。當推進器以固定速度旋轉時，如從推進器地表水特性中可知， 流入速度的變化提高了推進器的前進數(advance number)的變化，并且由此引起了推進器 效率的變化。本說明書的主題是確定是否可以積極地利用流入速度中的周期變化來對于通 用推進器控制器的使用獲得更高的平均推進效率。本發(fā)明的實施例核實了經受周期波浪引起的速度的推進器屬性。重新使用具有可 變流入的推進器的準穩(wěn)態(tài)模型，并且關于在波浪中的總推進效率的可能增強進行主張。分 析來自模型測試的經驗結果并且將該經驗結果用于顯示準穩(wěn)態(tài)模型假設對于中浪中的推 進器是有效的。隨后，將周期波浪引起的速度下的效率最大化表示為非線性優(yōu)化問題并且 表達數字解。以對于節(jié)省燃料的影響的觀點和易于實現的觀點討論結果。為了證實效率優(yōu) 化控制器的屬性執(zhí)行仿真研究。準穩(wěn)態(tài)推進模型表1提供了在下面的公式中最常使用的符號的列表。我們考慮推進器附接于以角速度η旋轉的軸。軸動力學可以被寫作<formula>formula see original document page 7</formula>公式1并且Q = QP+Qf是在主軸上的負載。當通過正軸和前進速度執(zhí)行操作時，推進器推 力和轉矩通常表示為(見結合于此作為參考的“Carlton，J. S. (1994). Marine Propellers and Propulsion. Oxford, U. K. :Butterworth_Heinemann Ltd，，)
<formula>formula see original document page 8</formula>公式 2通常在前進數<formula>formula see original document page 8</formula>上繪制Kt和KQ。提升理論導致推進器的雙線性推力 和轉矩關系(見結合于此作為參考的“Blanke，Mogens，Karl-PetterLindegaard and Thor I. Fossen(2000). Dynamic model for thrust generation ofmarine propeller. In :Proc. IFAC Conference MCMC，2000(M. Blanke, Z.Vukizand M. Poursanjani, Eds.). IFAC”)<formula>formula see original document page 8</formula>a 公式 3<formula>formula see original document page 8</formula>公式 4其中tm，tnu，Qnn和qnu是常數參數。前進速度ua，即對推進器的流入，可以被寫作 標稱前進速度Ua和項uw的和，表示波浪引起的流入<formula>formula see original document page 8</formula>公式 5標稱前進速度Ua和船只速度u相關，Ua = (lif)u，其中(Iif)項是半流系數 (見結合于此作為參考的 “Lewis，Ε. V. (1988). Principles of NavalArchitecture Vol II :Resistance, Propulsion and Vibration. 3rd ed. Society of NavalArchitects and Marine Engineers. New York”)，通常從船模試驗水池中執(zhí)行的試驗獲知。該表達將在隨 后部分中由模型試驗驗證。已知波浪是由較高海平面中的水的橢圓運動引起的，即，假象的 水粒子的運動將是橢圓的。由此，波浪引起的水速度uw是由水粒子的橢圓運動引起的水速 度。可以原則上使用速度計(LDV)或設置以測量推進器前面的水流的其他裝置來測 量前進速度ua。圖8表示裝配在船舶803的船體802上的激光多普勒風速計801?？梢栽O 置激光多普勒風速計以測量通過推進器805的前面的區(qū)域804的水流速度的平均值。由于 接近于海面的水速度波動太大而不能用于傳統(tǒng)的推進器控制，通常使用相對于海的船只速 度的其他測量。例如，如圖8所示可以相對與船舶下面很深處的水測量傳播速度，其中在可 忽略水運動的海平面820以下很深的點813處布置超聲波發(fā)射器811和接收器812以測量 船舶相對于水的速度。推進器性能的重要測量是地表水效率，其被定義為推進器產生的功率和消耗的功 率的比率。推進器效率被計算為<formula>formula see original document page 8</formula>公式 6推進器推力和船只船體阻力R(U)之間的平衡通過公式7確定浪涌速度<formula>formula see original document page 8</formula>公式 7其中(l-td)是推力扣除。為了分析總推進效率，我們引入了總效率<formula>formula see original document page 8</formula>公式 8使用公式4和公式3<formula>formula see original document page 8</formula>公式 9
已經詳細描述了在近些年由近海平臺和船只的控制中的推裝置的廣泛使用 和重要性引起的涉及軸速度、推力和轉矩的推進器流入的動態(tài)效率。在“Fossen，Thor
1.and Μ. Blanke(2000). Nonlinear output feedback control ofunderwater vehicle propeller using feedback from estimated axial flow velocity.IEEE Journal of Oceanic Engineering, 25 (2)，241-255”中提出了用于流入速度估計的非線性觀測器設計， 其公開了通過使用具有來自推進器盤中的估計的軸流速的反饋的推進器軸速度控制器，補 償由于推進器軸流速(周圍水速度)的量值的變化而造成的推力損失。由此，控制目的是 設計推進器軸速度控制器，通過補償軸流速來追蹤期望的推進器推力。然而，該公開并沒有 考慮減少船只引擎的油耗。周期波浪干擾
不喪失普遍性，公式5中波浪引起的速度可以被假設為周期的，<formula>formula see original document page 9</formula>在規(guī)則波浪中，波浪引起的速度可以被近似為<formula>formula see original document page 9</formula>忽略慣性的軸力矩，在波浪引起的速度周期的一個循環(huán)中消耗的機械(引擎)功 率是<formula>formula see original document page 9</formula>
同時，傳遞以推到船只的功率是<formula>formula see original document page 9</formula>平均推進效率是<formula>formula see original document page 9</formula>
在波浪中的推進器在位于Trondheim的NTNU的實驗室MCLab執(zhí)行了在中等波浪中推進器行為的研 究試驗。水池裝配有可以達到最大2m/s速度的6D0F牽引支架，并且裝配有能夠產生最大 30cm的波浪發(fā)生器。為了避免由于通風造成的損失，標稱推進器浸沒h/R被設置為等于
2.68，其中R是推進器半徑。在具有25cm直徑的四片式推進器上執(zhí)行測試。圖1中示出了 測試構架。圖1表示提供控制信號至驅動器112的計算機111，即向電子馬達113提供功率的 功率驅動器，馬達113通過軸115向推進器114提供馬達轉矩Qm。應該理解到可以同樣地 使用燃燒引擎來代替驅動器112和電子馬達113。表2中給出了推進器幾何參數。在圖2a中將測量的標準地表水推進器特性Kt和Kq、它們的線性估計和推進器效 率η ρ表示為前進數J的函數。從公式6確定獲得的推進器效率η ρ，由此給出由推進器生 成的功率和提供給推進器的功率之間的比率?？梢詮墓?、3和4確定Kt和Kq的線性估 計。由此，可以從公式2、3、4和6中近似得到推進器效率ηΡ，例如圖2a中使用Kt和Kq的估計。圖2b表示推進器推力Tp和推進器轉矩Qp的比率。在操作中，圖2a所示的效率曲線η ρ表示推進器效率如何隨著前進數J = 2 π ua/ (nD)的變化而變化。結果，當前進速度ua由于波浪增加或減少時，推進器效率ηΡ將改變。 從圖2a可知應該在效率曲線的峰值處操作推進器。然而，由于不同的原因穩(wěn)態(tài)操作可以不 處于效率曲線的峰值。圖2C表示從圖2a被描述為前進數J的函數的效率曲線ηΡ的原理圖。點P表示 期望操作推進器的工作點。當前進數J減少到前進數JP之下，效率ηρ降低。當前進數J 增加到前進數JP之上，效率nP增加，但是與前進數J降低到JP之下的情況相比處于較低 的比率。當前進數J增加到前進數JMAX之上，效率開始再次降低。曲線211表示對于推進 器的前進數J的變化作為時間t的函數，該變化僅由對于推進器波浪引起的流入的變化引 起，即，推進器速度n和標稱前進速度Ua保持不變。曲線211的J的平均值是Jp，為當流入 速度沒有變化時穩(wěn)態(tài)操作的值。通過將前進數J的正弦變化211投影到效率曲線并且沿著 時間t0-t4的周期繪制得到結果的效率數字，得到用于推進器效率ηΡ的效率曲線212。由曲線313所示的推進器效率212在從t0到t4的周期中的平均值小于在工作點 P處獲得的效率ηΡ，因為效率曲線ηP的平均斜率在JP之上而不是在JP之下更小。由此， 在恒定速度n操作推進器并且標稱前進速度Ua是常數的情況下，波浪引起平均推進器效率 Π ρ的降低。由此，通過將推進器速度Δη的變化引入推進器速度n，例如，通過將變化Δη加入 到η，并且調節(jié)△ η的變化，使得推進器總是在工作點P上操作，而不管前進速度ua或波浪 引起的流入W的變化，與η保持不變或者在非優(yōu)化方式下受控的情況相比，平均推進器效 率nP增加。圖2d表示作為前進數J的函數的推力和轉矩之間的比率的圖，并且該比率被按比 例縮放使得在穩(wěn)態(tài)操作點，即圖2d所示的點P，曲線的值等于公式8給出的推進效率?？s 放因子包括伴流因子(Ι-tO)，平均船只速度U0、以及平均推進器速度nO。曲線211將對于 推進器的前進數J的變化顯示為時間t的函數，該變化僅由對于推進器的波浪引起的流入 的變化引起，即，推進器速度η和標稱前進速度Ua保持不變。J的變化具有0均值，而J的 均值等于JP。通過將前進數J的正弦變化211投影到效率曲線230并且沿著t0-t4的時 間周期繪制得到結果效率數字，獲得用于推進效率Π的效率曲線232。如圖2d的曲線235 所示，軸速度η保持常數。η的均值(232)在圖2d中被示為234，從中可以看到當在流入速度中發(fā)生零均值 變化時，推進效率降低。圖2e重復來自圖2d的圖，推力和轉矩之間的比率作為前進數J的函數，并且該比 率被按比例縮放使得在穩(wěn)態(tài)操作點，即圖2e所示的點P，曲線的值等于公式8給出的推進效 率。當如在圖2d中改變流入速度時，但是現在如圖2e中的235所示，與流入速度成比例地 控制推進器軸速度n，推進效率η具有圖中236所示的形式。在235中η的均值被示為 237。均值看起來增加到用于未干擾操作(點P)的值之上以及曲線234之上。增加的原因 是η以某一方式變化，使得當推進器轉矩上的軸推力的比率(T/Q)改變時，船舶速度和推進 器軸速度的比率(u/n)也這樣變化，兩個比率的積(uT/Qn)將得到更高的值。作為簡單的類似，可以考慮兩個正弦信號的積。該積可以獲得具有兩個信號之間的正確相位的正均值。推進器效率的情況比該類似更復雜，因為要考慮非線性函數。該直 觀的說明和圖示實際上可以通過將軸速度控制為流入速度波動的函數來增強推進效率。上面的說明提供了確定推進器速度η的改變的直觀方式，下面將描述用于確定變 化Δ η的具體方法，其將優(yōu)化推進效率，給定時變前進速度im。為了仿真真實情況，根據公式7依照推進器產生的測量的推力和船只動力學移動 牽引支架。船體阻力R(u)包括線性和二次項R(u) = -Cl1U-ClqUlU 公式 14
通過m = 200kg, (I1 = 30以及《=20來仿真船只動力學。將測量的推進器推力 注入公式7給出的模型，并且將得到的船只速度用作牽引支架速度的參考。在我們的設置 中，標稱前進速度Ua被看做等于牽引支架速度，因為推進器外殼不產生顯著的尾流。由于 相同的原因，可以忽略推力減少數目td。圖3表示在4cm峰峰振幅的規(guī)律波浪和1. 75s周期中與以恒定軸速度η執(zhí)行的測 試相關的數據。波浪在船只速度的相同方向傳播(尾隨浪)。在繪制之前已經濾除了推力、 轉矩、軸速度和標稱前進速度的測量。在圖3a中示出了軸速度。在圖3b中繪制了測量的 推進器推力。相同的圖也表示公式3計算的推力，其中使用前進速度Ua的標稱值得到J，我 們對于實際的前進速度的最好猜想。我們可能注意到從推進器特性計算的推力不能精確地 再現測量，暗示Ua不是實際前進速度的好的量度。這也解釋了圖3c中示出的測量的推進 器轉矩和從推進器特性計算的轉矩之間的差異。圖3e表示應用轉矩測量通過公式15計算的前進速度的標稱值和實際值Ua = QpU2 公式 15
U因為該值在實際船只中通常是不可用的，使用結合于此作為參考的“Pivano， L. ,0. N. Smogeli, Τ. A. Johansen and Τ. I. Fossen (2006). Experimental Validation of aMarine Propeller Thrust Estimation Scheme. 7th IFAC Conference on Manoeuvringand Control of Marine Craft，Lisbon”中表述的非線性觀測器獲得估計值么。Pivano L.等人在2006年公開了下面的用于得到推進器轉矩的估計值4>的方法。 為了獲得用于推進器轉矩的穩(wěn)定觀測器，考慮下面的系統(tǒng)JJ> = Qm_Qp-Qf(co、+ Af
1Qp =-—込公式 Al
%其中ω是推進器軸的角速度，推進器轉矩Qp被看做時變參數并且被建模為具有 正時間常量％的一階處理并且由有邊界的隨機噪聲％驅動。在公式Al中，通過Af考 慮了(accounted for)Qm的摩擦建模誤差和測量誤差。下面提出具有增益Ll和L2的觀測 器JmS = Qm-Qp-Qf {&) + Ll^y-y)少一夕)公式 A2 T1
假設測量y = ω+ν 公式 A3要由誤差ν損壞。假設Δ \ ν和％是有邊界的，摩擦力的線性部分是Qf(Co)= kf2 并且摩擦力的非線性要素是有邊界的，然后選擇增益L1, L2滿足
<formula>formula see original document page 12</formula>
然后，可以從公式A2確定推進器轉矩的穩(wěn)態(tài)估計的估計很好地重現測量并
且可以用于通過公式15得到&，前進速度的估計。圖3e示出了估計之。如圖3f所示，有趣 地注意到前進速度Ua和推進器浸沒h之間的關系。當推進器更接近水平面時，前進速度的 量值更大。這是由于根據傳統(tǒng)波浪理論，由波浪引起的水平水速度在接近于表面處較大。圖3g表示Jn和Jm，分別表示前進數J的標稱值和測量值。Jn是使用Ua獲得的， 而不是使用用于計算Jm的實際前進速度Ua獲得的。圖3h表示標稱和測量的推進器效率 Hpn和nPm，以及標稱和測量總效率1和nm?？傂市∮谕七M器效率，因為它考慮了軸摩 擦轉矩，這在我們的系統(tǒng)中非常顯著。從結合圖2a中的效率曲線的J的對應值計算推進器 效率。通過公式9使用Ua計算總標稱功率ηη，同時通過Ua的實際值計算ηω。獲知關于前 進速度的^和Hrii的相反行為很重要。當Ua降低時，由于軸速度是常量，J減少產生推進 器效率的降低。同時如圖2b所示，由于J的值的減少推力轉矩比率增加。這導致公式8給 出的總效率的增加，因為船只速度不會顯著改變。為了增加Ua的值，觀察到相反的行為。效率優(yōu)化如下所述，可以使用總效率中經歷的震蕩以減少功耗而不降低船只速度。問題1.優(yōu)化控制問題可以被公式化為maxv = max— 1 ^^論公式 ie其中ic
，T = kTW，對于公式17和18，k是整數，滿足J^Tp (τ) τ = 7；公式 17Tp (t)-T01 ^ Tm 公式 18在公式17中的第一約束是需要保持恒定的平均船只速度。公式18中的第二約束 用于限制推力震蕩以減少引擎和其他機械部件的損耗。由此，在公式16中的積分表示通過最大化推進效率用于將最優(yōu)推進器軸速度nd 確定為推進器流入速度Ua的函數的條件。推進效率可以如公式16所示被給定為傳遞以推 動船只的平均功率和主動子消耗的平均功率的比率。然而，推進效率也可以被確定為其他 功率比率，例如如公式6給出的推進器產生的功率和推進器消耗的功率的比率。對于不同前進速度im通過得出使得推進效率最大化的推進器速度n的值，即，積 分來求解公式16。公式16依賴于根據公式3和公式4得到的推進器推力Tp和軸負載轉矩 Q的前進速度ua。因為公式16對于求解推進器的實時控制來說計算負載太大，可以通過例 如包含前進速度值ua和對應的所需推進器速度值n的對的查找表的靜態(tài)映射來建立公式16的近似解?？蛇x地，例如多項式或分段線性函數的函數可以適用于從公式17得到的前進 速度值ua和推進器速度值η。優(yōu)化問題的數值解
為了評估關于應用傳統(tǒng)軸速度和轉矩控制器的總效率的可能增加，計算被定義 為離線Π優(yōu)化器控制器的優(yōu)化問題的數值解(見結合于此作為參考的“Smogeli，0.N.， E. Ruth禾口A. J. Sorensen(2005) · Experimental validation ofpower and torque thruster control. Proceedings of the IEEE 12th MediterraneanConference on Control and Automation (MED，05)，Cyprus. Pp. 1506-151”)?？紤]由公式7給出的船只動力學，平均船 只速度被設置為等于0. 86m/s。波浪引起的流入速度uw是0. 2m/s的振幅和3s周期的正弦 信號。在這個階段省略了慣性的軸力矩，由此考慮推進器能夠以速度η即時旋轉。摩擦力 轉矩被建模為Coulomb加上線性粘滯項。船只的速度被假設為可用的。使用與試驗中相同 的船只動力學參數，平均推進器推力Ttl等于45N并且平均軸速度等于37. 7rad/So Tm的值 被選定為等于士7N，從而獲得比使用傳統(tǒng)軸速度控制器獲得的推力震蕩更小的推力震蕩。 在Matlab環(huán)境下在三個波浪周期τ ff中通過公式17和18給出的約束條件求解公式16中 的問題(參見例如結合于此作為參考的“Becerra，V. M. (2004). Solving optimal control problems with state constraintsusing nonlinear programming and simulation tools. IEEE Transactions onEducation 47 (3)，377—384，，)。圖5表示優(yōu)化根據本發(fā)明的實施例的控制器(表示為η控制器)、傳統(tǒng)軸速度控 制器(表示為n控制器)和轉矩控制器(表示為Qp控制器)的三種情況的仿真結果。子圖 (a)中描述了在這種情況下等于標稱前進速度的船只速度。如子圖(c)所示，由于推進器推 力圍繞其均值的最小的變化，轉矩控制器產生最小的震蕩船只速度。通過優(yōu)化控制器和傳 統(tǒng)軸速度控制器而獲得的船只速度表示圍繞均值的近似相同變化。在子圖(d)中示出軸速 度。優(yōu)化控制器產生了更大的軸速度變化，但是推力示出與傳統(tǒng)的軸速度控制器相比較小 的震蕩。在子圖(e)和(f)中分別示出了推進器和負載轉矩。在子圖(g)和(h)中分別示 出了總效率和推進器效率。有興趣地獲知當推進器效率更大時作為優(yōu)化問題的解而獲得的 軸速度表示最大值，反之亦然。圖5的結果可以在圖2C的視圖中被解釋。例如，考慮在圖 5中子圖(b)中的最小前進速度ua_min。根據圖2A和圖2C中的推進器效率的圖形以及J =2 π ua/(nD)，應該減少推進器速度n用于減少前進速度ua的值以在效率曲線ηΡ中停留 在工作點P。實際上，圖5的子圖(d)中示出了公式16的解得到推進器速度n，該推進器速 度n比于轉矩控制器的推進器速度小由612指示的量。得到的優(yōu)化控制器的推進器速度導 致推進器效率nP，該推進器效率nP比轉矩控制器和傳統(tǒng)軸速度控制器的效率大圖6的子 圖(h)中613指示的量。當海面狀態(tài)沒有改變時，S卩，當波浪引起的流入在時間上保持相同的幅度時，優(yōu)化 解的離線計算提供高的性能。隨著波浪模式變化，可以執(zhí)行重新開始的優(yōu)化或者預計算的 函數的表被存儲用于在效率優(yōu)化控制器中的離線使用?？蛇x地，可以調節(jié)推進器速度的優(yōu)化解，例如，以預定間隔或當波浪特性(波浪的 幅度頻譜或波浪方向)顯示的足夠的變化。例如，可以從不同的波浪特性(即，對于前進速 度ua的不同頻率和幅度)得出優(yōu)化推進器軸速度的不同解，并且可以對向實際波浪特性提 供最佳匹配的優(yōu)化解采用推進器速度的優(yōu)化解的調節(jié)。清楚地，可以連續(xù)執(zhí)行或間隔執(zhí)行優(yōu)化解的采用?？蛇x地，波浪幅度(見圖7)和波浪頻率的統(tǒng)計分布可以被用于獲得推進器速度的優(yōu)化解的統(tǒng)計解。這可以通過使用公式17和18的約束條件的公式16的優(yōu)化來實現。結 果是優(yōu)化軸速度需求，這是前進速度的波動的函數，Δη = fopt (Aua)0用于實際實施，從前進速度Ua到軸速度η識別靜態(tài)匹配。以Δ Ua和Δ η來定義它 們的平均值周圍的Ua和η，我們具有Δη = f。pt(Aua)公式 19由此，推進器速度的最優(yōu)解可以被表示為靜態(tài)映射f。pt。在一個實施例中，可能結 合公式17和18給出的約束條件或其他約束條件，從公式16給出的優(yōu)化問題的數值解中確 定靜態(tài)匹配函數f。pt?？蛇x地，替代將前進速度的變化映射到推進器速度變化，靜態(tài)映射可 以直接將前進速度的實際值映射到推進器速度值。如上所述，可以對于不同波浪特性可以確定不同的最優(yōu)解f。pt。由此，可以從η個 不同的波浪特性得到一組映射函數Π、f2, ... fn，使得對實際波浪特性采用最優(yōu)解意味著 選擇對實際波浪特性提供最優(yōu)匹配的映射函數。η的平均值對應于傳統(tǒng)軸速度控制器需要的軸速度參考。通過將Δη加入到參考 軸速度，我們可以獲得最優(yōu)解。從公式19計算Δη的值，其中Aua是從Ua的估計減去它 的平均值得到的(使用例如低通濾波器計算的)。圖6b表示被識別為一系列tansig函 數的靜態(tài)映射f。pt (見結合于此作為參考的“Narendra，K. S.和K. Parthasarathy (1990). Identification and control of dynamical systemsusing neural networks. IEEE Transaction on Neural Network 1(1)，4-27”)。圖 6a 表示通過公式 19 獲得的 Δ 、Δη 和它的近似值Δηηη。圖4表示控制器框圖。推進器和引擎被集成到引擎單元411中。速度控制器401 提供有來自船只410的期望的船只速度ud和測量的船只速度u，從這些輸入，控制器401生 成期望的推進器的推力Tpd的值。期望的推進器推力Tpd被應用至傳統(tǒng)的軸速度控制器402， 軸速度控制器402生成獲得接近或等于ud的船只速度u必須的參考推進器速度5。從引擎 單元411，非線性觀測器403可以提供有推進器速度η和馬達轉矩Qm的測量值。非線性觀 測器403可以例如通過使用公式15結合從公式A3和Α4獲得的推進器轉矩么的估計值來 估計前進速度&的值。將估計的前進速度<提供給計算單元404，從估計的前進速度&中減 去通過使用低通濾波器LPF獲得的估計的前進速度&的平均值來獲得前進速度的變化Δζ 。。 從靜態(tài)匹配函數f獲得推進器速度的變化Δη。通過將推進器速度的變化Δη加入到參考 推進器速度5，獲得最優(yōu)推進器速度nd，其中最優(yōu)推進器速度nd在優(yōu)化或最大化傳遞以推 動船只的平均功率和公式16公開的由主動子消耗的平均功率的比率中是最優(yōu)的。將最優(yōu) 推進器速度nd提供給反饋控制器405，例如使用測量的推進器速度η作為反饋的PI控制 器，其產生對引擎單元411指令的馬達轉矩Qmc的值，BP,Qmc值可以控制引擎的燃油攝入。本領域普通技術人員將知道圖4所示的控制機制僅是用于控制推進器速度的控 制系統(tǒng)的一個例子。閉環(huán)控制方法可以包括軸速度的閉環(huán)控制、軸轉矩的閉環(huán)控制以及軸 功率控制?？刂骗h(huán)路也可以包括防止引擎負載過重的功能。由此，例如圖4所示，利用各種控制機制使用計算的最優(yōu)推進器軸速度ua來控制 推進器軸速度的控制器可以包括以或多個控制器，例如PI控制器。特別地，控制器405可以被看做使用計算的最優(yōu)推進器軸速度來控制推進器軸速度的控制器。然而，由于可以利用不同的控制機制來實現推進器軸控制，圖5所示的控制機制，包括速度控制器401、參考 發(fā)生器402和PI控制器405，也可以被看做用于控制推進器軸速度的控制器。由此，用于控 制推進器軸速度的控制器可以被廣義地理解為利用任何類型的控制器的任何適合的控制 機制，任何類型的控制器例如為PID控制器、自適應控制器和最優(yōu)控制器。由于推進器軸速度和推進器轉矩和推力之間的非線性關系，控制器在包括非線性 項的推進器軸速度動力學項中是非線性的。基本地，推進器模型是非線性的。這導致使用 非線性觀測器來估計前進速度(以及推進器轉矩)。傳統(tǒng)的用于塊“PI η控制器”的工業(yè) 解決方案使用成比例和積分動作(線性控制器)。更復雜的控制法則可以包括非線性前饋 (以補償非線性摩擦力轉矩)和非線性反饋項來確保關于線性控制器的更快收斂。這個所 謂的“經典η參考發(fā)生器”還包括用于計算傳統(tǒng)軸速度參考信號的非線性函數。最后，來自 估計的前進速度和delta η的映射是非線性的，并且由此圖4中的控制器是非線性的。應該理解到計算單元404、觀測器403以及控制器401、402、405中任一個可以實現 為單個計算機或者多個計算機中的軟件。由此，計算單元404、觀測器403以及任一控制器 中的每一個可以被實現為單個計算機上的計算機程序或者這個程序可以在單個計算機上 運行?？蛇x地，一個或多個計算裝置、觀測器和控制器可以是在印刷電路板上實現的硬件或 者在可編程計算機芯片中實現的固件。例如，控制器和計算單元404中任一個可以被實現 為在單個計算機上的推進器控制器420。清楚地，也可以在推進器控制器420中實現觀測器 403，或者在連接至推進器控制器420的分離計算機中實現觀測器403。在前進速度中的快速變化導致軸速度中的快速變化，這可以增加系統(tǒng)的機械部件 的磨損?？梢酝ㄟ^減小推進器轉矩觀測器增益(即公式Α2中的增益Ll和L2)、降低在前進 速度估計中的高頻內容來避免上述磨損。此外，對于柴油機引擎，由于馬達轉矩限制不允許 軸速度上的快速變化，因此可能降低性能，即，最優(yōu)軸速度不僅是估計的前進速度的函數， 而且是例如馬達轉矩、燃料需求和排除廢氣氣壓等參數的函數。表3表示總效率和推進器效率的平均值。離線η優(yōu)化器控制器關于傳統(tǒng)軸速 度控制器在今天工業(yè)標準下對于固定節(jié)距(pitch)控制器產生了大約2.9%的總效率 的增長(見結合于此作為參考的“Blanke，M. and P. Busk Nielsen (1990). The marine engine governor. In Proceedings Second InternationalConference on Maritime Communications and Control. Society of Marine Engineer. London,UK. pp. 11-20”)。與 轉矩控制器相比，總效率增長了大約1.7%。這個改進可能看起來不大，但是對于在航路中 的船舶來說，推進效率的增加可以導致本質的節(jié)省。此外，燃料消耗的降低可以導致二氧化 碳和其他排放的降低。外推至航道這些結果是在具有波浪幅度Gxp = 2cm以及推進器直徑D- = 25cm的實驗室條件 下獲得的。這等效于具有D = 6m直徑推進器的貨柜船的波浪幅度=0.48cm。這個波 浪幅度等效于顯著的波浪高度h1/3 = 16/5 ξ w = 1. 53m。隨后進行的試驗表明在本文中描 述的現象對于多達至少三倍于在此使用的波浪高度是有效的，即，多達4. 6m的顯著的波浪 高度。與圖7所示的來自北大西洋的波浪統(tǒng)計相比，82%的波浪處于該限制內，并且在該組 中的平均顯著波浪高度是2. 2m。這意味著對于在應用常數軸速度控制的在航道中的船舶來 說，總油耗的總可能節(jié)省增加至最多3. 4%，以及對于在常數轉矩控制模式下的船只來說總油耗的總可能節(jié)省增加至最多2. 0%?？傊?，公開了用于在中浪中運行的海洋推進器的新的控制機制，相對于傳統(tǒng)推進器控制情況該控制機制可以增加平均推進效率。主要觀點是使用由于波浪引起的前進速度 的變化來增加平均推進效率而不降低船只速度。軸速度參考被計算為具有考慮了規(guī)律波浪 的限制的非線性優(yōu)化問題的解。在仿真中表示結果，其中使用的模型是從試驗測試中得到 的。外推至航道對于航道中的船只預測了多達3. 4%的潛在燃油節(jié)省，而不損失速度。盡管結合具體實施例描述了本發(fā)明，但是本發(fā)明并不局限于在此設置的特定形 式。而是，本發(fā)明的范圍僅由附帶的權利要求限制。在權利要求中，術語“包括”并不排除 其他步驟和元素的存在。此外，盡管在不同權利要求中包括了各個特征，這些特征也可以被 有利地合并，并且不同權利要求中的包括并不意味著特征的和合并是不可行的和/或沒有 利的。此外，單數表示并不排除多個。由此，“一”、“一個”、“第一”、“第二”等的表示并不排 除多個。此外，權利要求中的附圖標記并不用于限制本發(fā)明的范圍。
權利要求
一種通過使用計算得到的最優(yōu)推進器軸速度(Δn，nd)控制推進器軸速度(n)來增加船只在波浪中的推進效率的方法，所述船只包括由引擎(411)驅動的推進器(411)以及用于控制推進器軸速度的控制器(405)，所述方法包括估計推進器流入速度(ua)，所述流入速度包括由經過推進器的波浪導致的波浪引起的流入速度(uw)的速度分量，將最優(yōu)推進器軸速度計算為推進器流入速度(ua)的函數，其中計算最優(yōu)推進器軸速度是基于最大化推進效率進行的。
2.根據前述權利要求任一項所述的方法，其中，推進效率是傳遞以推動船只的功率和 引擎消耗的功率的比率。
3.根據前述權利要求任一項所述的方法，其中，使用靜態(tài)映射函數(fopt)計算最優(yōu)推 進器軸速度(Δη，nd)，所述靜態(tài)映射函數將推進器流入速度(ua)的值映射到最優(yōu)推進器 軸速度的值。
4.根據前述權利要求任一項所述的方法，其中，使用靜態(tài)映射函數(fopt)計算最優(yōu)推 進器軸速度(Δη，nd)，所述靜態(tài)映射函數將推進器流入速度的變化(Aim)映射到最優(yōu)推 進器軸速度的變化(Δη)。
5.根據權利要求3或4所述的方法，其中，靜態(tài)映射函數是基于最大化推進效率來確定的。
6.根據前述權利要求任一項所述的方法，其中，基于最大化推進效率計算最優(yōu)推進器 軸速度(Δη，nd)被計算為滿足維持恒定船只速度的約束和/或限制推力波動的幅度的約 束的優(yōu)化問題的解。
7.根據前述權利要求任一項所述的方法，其中，從測量的推進器轉矩(Qp)計算推進器 流入速度(ua)。
8.根據前述權利要求任一項所述的方法，其中，從估計的推進器轉矩(Qp)計算推進器 流入速度(ua)，其中基于測量的馬達轉矩(Qm)和測量的軸速度(η)計算估計的推進器轉矩 (Qp)。
9.根據前述權利要求任一項所述的方法，還包括從推進器流入速度(ua)的平均值計算推進器流入速度的變化(Aua)；從推進器流入速度的變化(Aua)計算軸速度的變化(Δη)，其中從計算得到的軸速度的變化(Δη)和參考軸速度(η)計算最優(yōu)軸速度(nd)。
10.根據前述權利要求任一項所述的方法，其中通過波浪周期，流入速度是具有周期 的，并且其中通過最大化傳遞給推進器的功率和在整數個波浪周期上平均的引擎消耗的功 率的比率來計算最優(yōu)推進器軸速度。
11.根據前述權利要求任一項所述的方法，其中，最優(yōu)推進器速度被確定為流入速度的 函數，其中在使得推進器推進的功率效率最大化的約束下確定最優(yōu)推進器速度。
12.根據前述權利要求任一項所述的方法，包括向能夠控制推進器軸速度(η)的控制 器提供計算得到的最優(yōu)軸速度。
13.根據前述權利要求任一項所述的方法，其中，確定最優(yōu)推進器速度包括將推進器速 度的變化計算為流入速度的函數并且合并推進器速度的變化和參考推進器速度以獲得最 優(yōu)推進器速度。
14.一種通過使用計算得到的最優(yōu)推進器軸速度(Δη，nd)控制推進器軸速度(η)來 增加船只在波浪中的推進效率的系統(tǒng)，所述船只包括由引擎(411)驅動的推進器(411)以 及用于控制推進器軸速度的控制器(405)，所述系統(tǒng)包括觀測器(403)，用于估計推進器流入速度(im)，所述流入速度包括由經過推進器的波 浪導致的波浪引起的流入速度(UW)的速度分量，計算裝置(420，404)，用于將最優(yōu)推進器軸速度(nd)計算為推進器流入速度(im)的函 數，其中計算最優(yōu)推進器軸速度是基于最大化推進效率進行的。
15.一種船只，包括根據權利要求10所述的系統(tǒng)。
16.一種計算機程序，能夠使得處理器執(zhí)行權利要求1的方法。
全文摘要
本發(fā)明涉及改善船只的推進效率的方法。通過利用波浪引起的推進器流入的改變，即，朝向推進器的水流速度而獲得該改進。波浪引起的水速度變化被用于計算推進器速度，使得推進器速度關于總推進效率是最優(yōu)的。通過求解由公式表示為推進器傳遞的能量和轉遞給推進器的能量比率的最大化的優(yōu)化問題來確定最優(yōu)推進器速度。該方法可以用于具有一個或多個推進器的船只。
文檔編號B63H21/22GK101827748SQ200880107004
公開日2010年9月8日 申請日期2008年8月14日 優(yōu)先權日2007年8月14日
發(fā)明者盧卡·皮瓦諾, 莫恩斯·布蘭克 申請人:螺旋槳控制有限責任公司