船速控制方法
2023-10-18 16:20:09
專利名稱：船速控制方法
技術領域：
本發明涉及根據權利要求1的前序部分的船速控制方法。
技術背景內河船舶驅動系統的驅動功率主要取決於吃水深度、水位高度和行 船速度。駕船者根據路程點來設定航線並控制期望抵達時間。於是，設 備控制器結合設定值計算出穩定不變的預期平均速度。為了在燃料消耗儘量少的情況下遵守由駕船者規定的時間計劃，DE3230621C2提出，藉助級聯的控制迴路來監測船速，在此控制迴路中， 船速控制迴路構成外控迴路。船速控制迴路的被調參數同時是一個下級 的發動機轉速內控迴路的主導參數。作為船速控制迴路的被調參數，測 量對地行駛。使船速控制迴路的主導參數即額定船速適應於外界影響， 例如藉助雷達發射接收裝置獲得的河岸全景掃描圖的輪廓或者上行或 下行。在此控制迴路結構中，在船體下方的水很少的情況下的船吸導致 較低的實際船速，進而造成相應的船速控制偏差。船速控制裝置對此做 出反應，即它提高額定轉速。提高的額定轉速又導致更多的燃料消耗， 結果，控制系統還是無法在所有的運行狀態下達到最佳。發明內容因此，本發明的任務是在燃料消耗方面進一步優化上述方法。通過具有權利要求1的特徵的船速控制方法來完成該任務。在從屬 權利要求中指出了多個實施方案。通過本發明，將使船速適應於水下地貌，其做法是依據水道地貌來 修正作為船速控制迴路的主導參數的額定船速。水下地貌以電子河道地 圖形式保存在設備控制器中。或者，電子河道地圖也可以保存在電子發 動機控制裝置中。在水位漸深時，額定船速將被提高，而在水位漸淺時， 額定船速將被降低。本發明的中心構想是有預見性的控制計劃，其中在考慮水下地貌的 情況下，在路程點之間有預見性地規定不同的額定船速。因此，如此得到期望平均速度，即在水淺情況下規定較低的額定船速，而在水深情況 下規定較高的額定船速。結果，得到燃料消耗的進一步降低，這是因為 可以明確地使船吸作用對應於淺水區。同樣有利的是，4吏船速自動適應 某些法律規定，例如在某些河道段中的船速限制，因為這減輕了駕船者 的負擔。
為了更好地評估狀況，向駕船者顯示備用時間。可允許的備用時間 意味著，在燃料消耗最佳地運行情況下，將在期望抵達時間到達目的地。 不允許的備用時間表明，無法按照所調節出的設定值完成抵達時間，因 而駕船者應該修正設定值。如此計算備用時間，在第一步驟中，結合期 望抵達時間和路程點來計算距離並由此計算出期望平均速度。接著在第 二步驟中，針對在兩個路程點之間的航道段計算出額定船速並根據水下 地貌加以修正。在第三步驟中，針對另一個航道段重複進行上述步驟。 接著在第四步驟中，經過修正的額定船速被相加，將總和與期望平均速 度關聯起來。
如此得到一種能自適應學習的方法，即經過修正的額定船速、理論 計算出的燃料消耗和實際燃料消耗與水下地貌相關地被存儲起來，當再 次經過同一航道段時，所學到的值適當參與到額定船速的確定中。也可 以測量和存儲其它影響燃耗的參數如風速，並將其用於預見工作的細 化。總之，使該系統更精確地適應存在的狀況是有利的。
附圖示出了一個優選實施例，其中
圖1是系統概覽圖2表示級聯的控制迴路；
圖3表示針對行程的額定船速；
圖4表示針對行程的水下地貌/水深；
圖5表示關於船速的發動機功率曲線圖6表示圖5的曲線圖的一部分。
具體實施例方式
圖1表示船舶驅動系統的系統概覽圖，該船舶驅動系統以機械組件 的形式包括內燃機1、傳動裝置4、從動軸5和推進器6如可調螺旋槳推進器。在所示的內燃機l中，燃料通過共軌系統被噴入，該共軌系統 的功能性和結構是已知的。內燃機1的工作點由一個電子發動機控制器
2(ECU)根據關於相應調節信號如標誌噴油開始/噴油結束的信號ve的輸 入參數EIN來定。電子發動機控制器2通過信號線路Sl與設備控制器 7通訊。在設備控制器7上設有圖形界面，駕船者藉此輸入其要求並得 以顯示知曉所有信息。駕船者尤其結合路程點、水位、路程點之間的預 期流速、和預期風速來規定吃水深度/縱傾、航行數據或期望抵達時間、 裡程。作為其它參數，設備控制器通過GPS系統得到實際位置，通過回 波測距儀得到實際水深。這些數據在整個運行過程中被具體落實。抵達 時間和裡程在設備控制器7中被進一步處理。在設備控制器7中存儲有 用於不同的水位、載貨狀態的P/V曲線以及關於已行駛的路程的歷史數 據。如果在設備控制器7中存儲有關於水下地貌的電子河道地圖，則設 備控制器7通過信號線路S1向電子發動機控制器2發送額定船速。
電子傳動裝置控制器3(GS)通過信號線路S3確定傳動裝置4的工作 狀態，例如前進/倒行或者迴轉。通過同一信號線路S3，傳動裝置4的 操縱機構-傳感器信號被報告給電子傳動裝置控制器3。電子傳動裝置控 制器3通過信號線路S2與設備控制器7通訊。
圖2表示級聯的控制迴路，其包括作為外控迴路的船速控制迴路8 和作為下級內控迴路的發動機轉速控制迴路9。級聯控制迴路的特點在 於，外控迴路的調節參數同時是內控迴路的主導參數。控制迴路的輸入 參數是水下地貌TOPO、實際位置POS、自適應參數ADAP和期望平均 速度vWD。水下地貌TOPO作為電子河道地圖被存儲在設備控制器或 電子發動機控制器中。實際位置POS將結合GPS信號在設備控制器中 接受處理。自適應參數ADAP對應於在同一^:道段上過去行駛時所學到 的額定船速。期望平均速度vWD本身由抵達時間和總行程算出。控制 迴路的輸出參數是發動機轉速原始值nMOT、和通過航速儀獲得的船速 原始值vS。結合輸入參數，額定值設定裝置10確定額定船速vSL。在 點A上，該額定船速與實際船速vIST做比較，由此得到船速控制偏差 dv。具有至少PI特性的船速控制器U由船速控制偏差dv來確定調節參 數，在這裡是額定轉速nSL。額定轉速nSL是發動機轉速控制迴路9的 主導參數。在點B，額定轉速nSL與實際轉速nIST做比較。這對應於 轉速控制偏差dn,該轉速控制偏差通過轉速控制器12被轉換為調節參數ve。通常，轉速控制器12以PIDT1控制器的形式構成。調節參數ve 是用於被控系統的輸入參數，被控系統如圖所示是總被控系統13。總被 控系統13因而包括內燃機1、傳動裝置4、從動軸5和推進器6。
發動機轉速原始值nMOT是總被控系統13的眾多輸出參數中的一 個，在級聯控制迴路中相當於副被調參數。通過過濾器如2-旋轉過濾器， 發動機轉速原始值nMOT被過濾並且作為實際轉速nIST被反饋至點B。 藉此，內控迴路被接通。船速原始值vS是總被控系統13的第二輸出參 數，在級聯控制迴路中相當於被調參數。通過過濾器15,船速原始值 vS被過濾並作為實際船速vIST被反饋至點A。藉此，外控制環路也被 接通。
在圖3中，以曲線圖形式表示關於4亍程s的額定船速。圖4對應於 圖3，但圖4以曲線圖形式關於同一行程s示出了水下地貌TOPO和進 而也示出了船下水深。對於這兩幅圖的其它說明是相同的。在圖3中， 以虛線形式表示例如為12.5公裡/小時的期望平均速度vWD,其表示上 述控制迴路的眾多輸入參數中的一個。本發明的中心構想是，依據水下 地貌TOPO來4奮正額定船速vSL。在水4交淺的即具有所謂淺水區的航道 段中，額定船速vSL將被降低。在水較深的即具有所謂深水區的航道段 中，額定船速vSL將被提高。
在行程s的笫一航道段A中(區域0至IO公裡)，水深只有3.5米。 通過額定值設定裝置，圖2中的標記10,將結合水下地貌TOPO將額定 船速vSL修正為較小的額定船速vSL,在這裡是ll公裡/小時。在笫一 航道段A中，額定船速vSL低於期望平均速度vWD。在水深5米的第 二航道段B中(區域10至17公裡)，額定船速vSL將被降低，在這裡是
12公裡/小時。只是在第三航道段c(超過n公裡的區域)中，額定船速
vSL被提高超過期望平均速度vWD,這是因為從現在起有足夠的水深， 在這裡是7米，因而不會再出現船吸。
如這兩幅圖清楚所示，依據電子河道地圖認識水下地貌對減少燃料 消耗是相當重要的。電子河道地圖開創了有預見性地調節船速的可能 性，其做法是在淺水區的較低航速通過在深水區的較高航速來補償。因 為發動機功率此時保持不變，所以與現有技術相比，進一步減少燃料消 耗。
為了更好地評估狀況，為駕船者顯示出備用時間。可允許的備用時
6間意味著，在燃料消耗最佳地運行下在期望抵達時間到達目的地。不允 許的備用時間表明，無法按照所調節出的設定值完成抵達時間，因此駕 船者應該修正設定值。如此計算備用時間，即在第一步驟中，結合期望 抵達時間和路程點來計算距離並由此計算期望平均速度。接著在第二步 驟中，針對兩個路程點之間的4元道段來計算額定船速並且根據水下地貌 加以修正。在第三步驟中，針對另一個航道段重複進行上述步驟。接著 在第四步驟中，經過修正的額定船速被相加，並且將總和與期望平均速 度關聯起來。
圖5以曲線圖表示與船速vS相關的且依據船舶吃水深度和水深的 發動機功率P。第一條線16表示吃水深度為x0且水深為y0時的船舶功 率要求。第二條線17表示水深為yl時(吃水深度不變)的同一船舶。第 二條線17與第一條線16的區別在於水深變化，其中y1々0。第三條線 18表示吃水深度為xl而水深為y0時的船舶功率要求。第四條線19表 示水深為yl時(吃水深度不變)的同一船舶。第四條線19與第三條線18 的區別在於水深變化，其中yl〉y0。對於吃水深度，xl〈x0。從特徵線 中，例如從相對第二條線17的第一條線16,可以定性地推導出以下結 論，在水深較大時，為了獲得同一船速vS而需要較小的發動機功率P。
圖6表示圖5所示的局部，但在這裡，船舶吃水深度將保持不變。
按照現有技術的方法如下進行在工作點A,船舶以穩定不變的船速v2
航行。工作點A通過配對值v2/Pl來限定並且位於針對第一水深的線Ll
上。船速控制迴路的額定值保持不變。較淺的水造成船吸，導致遞減的
實際船速。由此出現了遞增的船速控制偏差，船速控制器對此做出反應，
即它增大其調節參數，就是說額定發動機轉速。發動機轉速控制器通過 提高其調節參數而響應於增大的額定發動機轉速，結果，最佳將噴入更
多燃^K工作點A因此朝向工作點B方向改變，工作點B通過配對值 v2/P2來限定。工作點B位於其水深小於線Ll的線L2上。由此出現更 高的功率要求，其造成更高的燃料消耗。
按照本發明的方法如下進行設備控制器結合水下地貌識別遞減的 水深。較淺的水在此也造成船吸。但由於存儲有電子河道地圖，所以額 定船速通過額定值設定裝置，圖2中的標記18，被降低，結果，在發動 機功率不變的情況下，在這裡是Pl,船速vS從工作點A轉變向工作點 C。工作點C通過配對值vl/Pl來限定並且位於針對比Ll淺的水深的線L2上。如果設備控制器發現深水區，線L3，則額定船速vS又被提高， 結果，船速vS在發動機功率不變的情況下遞增。工作點C因而向工作 點D轉變，工作點D由配對^直v3/Pl來限定。
結合工作點的這兩種方法的對照表明了 ，認識水下地貌對減少燃料 消耗有著重大意義，這是因為在淺水區的較低航速將通過在深水區的較 高航速被補償，而且這是在發動機功率不變的情況下完成的。這種節約 潛能在圖6中用標記dP表示。
此方法的突出優點在於，通過電子河道地圖來知曉針對前方河道賴: 的水下地貌，因而可以將船速的有預見性調節用於燃料消耗的優化。1 -內燃機；
2 -電子發動機控制器(ECU);
3- 電子傳動裝置控制器(GS);
4- 傳動裝置； 5 -從動軸；
6- 推進器；
7- 設備控制器；
8 -船速控制迴路(外控迴路)；
9- 發動機轉速控制迴路(內控迴路);
10- 額定速度設定裝置； 11 -船速控制器；
12- 轉速控制器；
13- #:控系統，總的；
14- 過濾器(轉速)；
15- 過濾器(速度)；
16- 第一條線(x0，y0);
17- 第二條線(x0,yl);
18- 第三條線(xl,y0);
19- 第四條線(xl,yl)。
權利要求
1.一種船速控制方法，其中通過作為內控迴路的發動機轉速控制迴路(9)控制發動機轉速(nMOT)，通過作為外控迴路的船速控制迴路(8)控制船速(vS)，並且額定船速(vSL)作為船速控制迴路(16)的主導參數依據外信號源被調節，其特徵是，額定船速(vSL)依據水下地貌(TOPO)被修正。
2. 根據權利要求1所述的方法，其特徵是，額定船速(vSL)隨著遞 增的水深被提高，或者隨著遞減的水深;陂降^f氐。
3. 根據權利要求2所述的方法，其特徵是，如此計算備用時間，在 笫一步驟中，結合期望抵達時間和距離來計算期望平均速度(vWD),在 第二步驟中，計算兩個路程點之間的額定船速(vSL)並根據水下地貌 (TOPO)加以修正，在第三步驟中，按照第二步驟針對另一個局部航段來 計算額定船速，在第四步驟中，經過修正的額定船速被相加，在第五步 驟中，將總和與期望平均速度(vWD)關聯起來。
4. 根據權利要求3所述的方法，其特徵是，在不允許的備用時間情 況下，要求駕船者進行4氐達時間的修正。
5. 根據權利要求1至4之一所述的方法，其特徵是，經過修正的額 定船速(vSL)依據水下地貌(TOPO)被存儲起來，並且在再次經過同一4元 道段時，實際的額定船速(vSL)通過與地貌相關的額定船速(ADAP)的存 儲值被調節。
6. 根據權利要求1至5之一所述的方法，其特徵是，水下地貌(TOPO) 才艮據實際水位高度淨皮修正。
7. 根據權利要求1至6之一所述的方法，其特徵是，額定流速相對 實際流速的偏差被確定，和/或確定額定水深相對實際水深的偏差並且椐 此修正額定船速(vSL)。
全文摘要
本發明涉及船速控制方法，其中通過作為內控迴路的發動機轉速控制迴路(17)來控制發動機轉速(nMOT)，通過作為外控迴路的船速控制迴路(16)來控制船速(vS)，並且額定船速(vSL)作為船速控制迴路(16)的主導參數依據一個外信號源被調節。本發明的特徵是，額定船速(vSL)依據水下地貌(TOPO)被修正。
文檔編號B63H23/00GK101624093SQ20091014022
公開日2010年1月13日 申請日期2009年7月9日 優先權日2008年7月9日
發明者H·-G·弗賴森, M·赫爾, O·卡默湯斯 申請人:Mtu腓特烈港有限責任公司