机桨匹配的可调螺距桨主推控制方法
【专利摘要】本发明公开了一种机桨匹配的可调螺距桨主推控制方法，该方法中当螺距在零位，主机转速为最低转速时，可得到主机负荷的最小值，主机最大负荷为已知，主令手柄给出为实际螺距，所以螺距输出值也为已知，要求螺距变化与主机负荷变化呈比例的线性增加，并且比例系数为常数，通过计算我们可以得到主机负荷的理想值，通过实际负荷与预计值比较，若得出差值在误差范围以外，通过补偿主机转速的方式来补偿主机负荷，使实际的主机负荷接近理想值，考虑到系统迟滞和网络时延，补偿控制采用预测控制，以减少系统迟滞和网络时延对控制系统产生的不利影响。
【专利说明】机桨匹配的可调螺距桨主推控制方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及CPP系统控制【技术领域】，具体地指一种机桨匹配的可调螺距桨主推控制方法。
【背景技术】
[0002]CPP系统(Controllable Pitch Propeller，可调螺距螺旋桨)是设置于桨毂中的操纵机构，控制桨叶转动时通过调节螺旋桨螺距达到控制主推的推力方向和大小的主推控制系统，该系统如图5所示，包括主令手柄(内置电位器)1、螺距反馈装置2、PLC数据采集模块3、船舶主机5、PLC中心处理单元6、机旁控制柜7、比例阀8。从20世纪以来，德、英、美、瑞典、及挪威等国的有关研究机构都对调距桨及其控制进行了大量的研究，调距桨受到各国的高度重视，大量船舶均装备了调距桨控制系统。现有的可调螺距桨主推方法分为两种，一种为主机恒转速，一种为主机转速可调:
[0003]第一种当主机恒转速时通过控制螺旋桨螺距改变主推系统的推力大小与方向时，当螺旋桨螺距在较小的范围内变化时，主机负荷变化非常平缓，但当螺旋桨螺距在较大的范围内变化时，主机负荷变化非常大，如图1所示，不易控制，易对主机造成冲击，缩短了主机的适用期限，也不易于船舶的操控。
[0004]第二种在改变螺旋桨螺距的同时改变主机转速，主机转速根据实际运行状态进行分级设定，使负荷变化较为平缓，以N0RISTAR公司开发的CPP控制系统为例，该系统对主机转速的控制分为10级，每级给出相应的主机转速与螺旋桨螺距相匹配，使负荷变化变得较为平缓，但依然存在操控不平顺的问题，并且每级转速跳变瞬间依然会对主机产生冲击，控制效果如图2所不。
[0005]参考文献:《基于广义预测控制的船舶可调浆网络控制系统研究》船舶工程总第31卷，2009年第五期，第33页，齐亮，俞孟蕻著，介绍了上述控制技术。
【发明内容】
[0006]本发明的目的就是要提供一种机桨匹配的可调螺距桨主推控制方法，该方法能提高船舶航行操控的平顺性，减小船舶航行过程中负荷变化不平顺对船舶主机造成的冲击。
[0007]为实现此目的，本发明所设计的机桨匹配的可调螺距桨主推控制方法，其特征在于，它包括如下步骤:
[0008]步骤1:控制船舶主机输出主机转速最小值Vtl,同时螺旋桨螺距百分比控制命令Px为零值Po时，PLC中心处理单元得到船舶主机负荷最小值A0 ；
[0009]步骤2:船舶在被操作人员控制的过程中，主令手柄通过主令手柄内部的电位器输出包含螺旋桨螺距百分比控制命令Px和主机转速控制命令的主令模拟信号，该螺旋桨螺距百分比控制命令Px能控制船舶输出的螺旋桨螺距在螺旋桨螺距的正向最大值与负向最大值之间变化，该螺旋桨螺距百分比控制命令Px为船舶输出的实时螺旋桨螺距的控制百分t匕，即船舶螺旋桨螺距实际输出的值为船舶螺旋桨螺距的实际最大值乘以螺旋桨螺距百分比控制命令Px，上述主令模拟信号输入PLC数据采集模块，该PLC数据采集模块将主令模拟信号转换成主令数字信号；
[0010]步骤3:所述PLC数据采集模块将主令数字信号通过CAN总线传输至中央控制箱的PLC中心处理单元，PLC中心处理单元将主令数字信号还原成主令模拟信号；
[0011]步骤4:所述PLC中心处理单元通过如下关系式得到船舶主机负荷的理想值Ax:
[0012](Px-P0) / (Ax-A0) = (I Pi I _P0) / (A1-A0) (I)
[0013]以上公式I中，Px为主令手柄通过主令手柄内部的电位器输出的螺旋桨螺距控制命令，Po为零值螺旋桨螺距百分比控制命令，即Ptl = 0%，Atl为船舶主机负荷最小值，P1为正向最大值螺旋桨螺距百分比控制命令或负向最大值螺旋桨螺距百分比控制命令，即P1 =±100%，A1为船舶主机满负荷的值；
[0014]上述公式I 中，已知 P。= O %, P1 = ± 100 % ；
[0015]得到，Ax= (A1-A0) I Px I +A0 (2)
[0016]由于AnAci为已知值，所以当输入实际螺距指令Px时，PLC中心处理单元计算得到船舶主机负荷的理想值Ax;
[0017]步骤5:所述PLC中心处理单元从船舶主机处得到船舶主机负荷实际值Ay，则通过如下关系式得到船舶主机负荷实际值Ay与船舶主机负荷理想值Ax的差值Αλ ；
[0018]ΑΛ= Ay-Ax ⑶
[0019]上述公式3中，Ay为船舶主机负荷实际值，Ax为船舶主机负荷理想值；
[0020]在PLC中心处理单元中将船舶主机负荷实际值Ay与船舶主机负荷理想值Ax的差值A△与预设的误差范围-δ~δ(δ>0)进行比较，当_δ≤A△≤δ时，船舶主机运行状态为理想状态；
[0021]当ΑΛ〈- δ时，船舶主机负荷的实际值小于船舶主机负荷的理想值，PLC中心处理单元通过调整主令模拟信号中的主机转速控制命令，来实现对船舶主机转速的调整，通过船舶主机转速的调整使船舶主机负荷实际值Ay满足-δ≤A△≤δ的要求，此时PLC中心处理单元记录下船舶主机转速的调整值νΔ，船舶主机转速的调整值νΔ即为船舶主机速度补偿值，此时船舶主机转速的调整值νΔ>ο，即船舶主机转速加速使主机负荷调整至理想值；
[0022]当Αλ> δ时，船舶主机负荷的实际值大于船舶主机负荷的理想值，PLC中心处理单元通过调整主令模拟信号中的主机转速控制命令，来实现对船舶主机转速的调整，通过船舶主机转速的调整使船舶主机负荷实际值Ay满足-δδ的要求，此时PLC中心处理单元记录下船舶主机转速的调整值νΔ，船舶主机转速的调整值νΔ即为船舶主机速度补偿值，此时船舶主机转速的调整值νΔ〈ο，即船舶主机转速减速使主机负荷调整理想值；
[0023]步骤6:所述PLC中心处理单元将船舶当前的主机转速值与船舶主机转速的调整值V△的和通过现有的模型预测控制方式得到经过预测控制的调整后船舶主机转速输入值Vy(η)；
[0024]步骤7 =PLC中心处理单元将经过预测控制的调整后船舶主机转速输入值Vy (η)输入到船舶主机来控制船舶主机的转速。
[0025]进一步地，所述步骤5中，预设的误差范围-δ~δ (δ>0)中δ的取值范围为船舶主机负荷理想值Ax的I %。
[0026]本发明的有益效果:
[0027]I)通过对船舶主机转速的控制，使船舶主机负荷从最低负荷至满负荷为平稳线性变化，且主机转速的控制方式采用预测补偿控制方式，减少了系统迟滞和网络时延对控制系统产生的不利影响。
[0028]2)本发明通过控制螺旋桨螺距和船舶主机转速，实现机桨联合控制模式，并且螺距与主机转速为线性匹配，提高了船舶航行操控的平顺性，减小了船舶航行过程中负荷变化不平顺对船舶主机造成的冲击。
[0029]3)本发明确定螺距和主机负荷的变化范围与特性，比较改变螺距时主机负荷的实际值与理想预计值，当主机负荷实际值与理想预计值的差值在误差范围以外时，通过主机转速补偿的方式使主机负荷达到理想预计值。
【专利附图】
【附图说明】
[0030]图1为恒转速模式下，CPP系统螺距与主机负荷变化趋势图；
[0031]图2为主机转速采用分级式设定，CPP系统螺距与主机负荷变化趋势图；
[0032]图3为理想的状态下，CPP系统螺距与主机负荷变化趋势图；
[0033]图4为采用预测补偿控制方式时，CPP螺距与主机负荷变化趋势图；
[0034]图5为现有CPP系统的结构示意图；
[0035]图1、图2、图3、图4中，Ay为船舶主机负荷实际值，P1为正向最大值螺旋桨螺距百分比控制命令或负向最大值螺旋桨螺距百分比控制命令，A1为主机输出额定功率(主机性能参数，为已知),A0为船舶主机负荷最小值，Ptl为零值螺旋桨螺距百分比控制命令，Px为船舶输出的实时螺旋桨螺距的控制百分比。
[0036]其中，I—主令手柄、2—螺距反馈装置、3—PLC数据米集模块、4一电位器、5—船舶主机、6 — PLC中心处理单元、7—机旁控制柜、8—比例阀。
【具体实施方式】
[0037]以下结合附图和具体实施例对本发明作进一步的详细说明:
[0038]一种机桨匹配的可调螺距桨主推控制方法，其特征在于，它包括如下步骤:
[0039]步骤1:控制船舶主机5输出主机转速最小值Vtl (主机性能参数，为已知)，同时螺旋桨螺距百分比控制命令Px为零值Ptl时(PLC中心处理单元6通过机旁控制柜7和比例阀8控制螺旋桨螺距，并且，螺距反馈装置2向PLC中心处理单元6反馈实际的螺旋桨螺距)，PLC中心处理单元6得到船舶主机负荷最小值A0 (由PLC中心处理单元6向船舶主机采集得到)；
[0040]步骤2:船舶在被操作人员控制的过程中，主令手柄I通过主令手柄I内部的电位器4输出包含螺旋桨螺距百分比控制命令Px和主机转速控制命令的主令模拟信号，该螺旋桨螺距百分比控制命令Px能控制船舶输出的螺旋桨螺距在螺旋桨螺距的正向最大值与负向最大值之间变化，该螺旋桨螺距百分比控制命令Px为船舶输出的实时螺旋桨螺距的控制百分比，即船舶螺旋桨螺距实际输出的值为船舶螺旋桨螺距的实际最大值乘以螺旋桨螺距百分比控制命令Px，上述主令模拟信号输入PLC数据采集模块3，该PLC数据采集模块3将主令模拟信号转换成主令数字信号；
[0041]步骤3:所述PLC数据采集模块3将主令数字信号通过CAN总线传输至中央控制箱的PLC中心处理单元6，PLC中心处理单元6将主令数字信号还原成主令模拟信号；
[0042]步骤4:所述PLC中心处理单元6通过如下关系式得到船舶主机负荷的理想值Ax:
[0043](Px-P0)/(Ax-A0) = (IP11-P0)Z(A1-A0) (I)
[0044]此公式中，船舶主机负荷理想值在螺距由Ptl到P1变化时同为线性比例增加，并且比例系数为常数，如图3所示，此公式对应了船舶航行较好的操控平顺性；
[0045]以上公式I中，Px为主令手柄I通过主令手柄I内部的电位器4输出的螺旋桨螺距控制命令，Ptl为零值螺旋桨螺距百分比控制命令，即Ptl = O%，Atl为船舶主机负荷最小值，P1为正向最大值螺旋桨螺距百分比控制命令或负向最大值螺旋桨螺距百分比控制命令，即P1 = ±100%，A1为船舶主机满负荷的值；
[0046]上述公式I 中，已知 P。= O %, P1 = ± 100 % ；
[0047]得到，Ax= (A1-A0) I Px I +A0 (2)
[0048]由于A1, Atl为已知值，所以当输入实际螺距指令Px时，PLC中心处理单元6计算得到船舶主机负荷的理想值Ax ；
[0049]步骤5:所述PLC中心处理单元6从船舶主机5处得到船舶主机负荷实际值Ay，则通过如下关系式得到船舶主机负荷实际值Ay与船舶主机负荷理想值Ax的差值Αλ ；
[0050]Αδ= Ay-Ax ⑶
[0051]上述公式3中，Ay为船舶主机负荷实际值，Ax为船舶主机负荷理想值；
[0052]在PLC中心处理单元6中将船舶主机负荷实际值Ay与船舶主机负荷理想值Ax的差值A△与预设的误差范围-δ~δ(δ>0)进行比较，当_δ≤A△≤δ时，船舶主机运行状态为理想状态；
[0053]当ΑΛ〈- δ时，船舶主机负荷的实际值小于船舶主机负荷的理想值，PLC中心处理单元6通过调整主令模拟信号中的主机转速控制命令，来实现对船舶主机转速的调整，通过船舶主机转速的调整使船舶主机负荷实际值Ay满足-δ≤A △≤δ的要求，此时PLC中心处理单元6记录下船舶主机转速的调整值νΔ，船舶主机转速的调整值νΔ即为船舶主机速度补偿值，此时船舶主机转速的调整值VΔ>0，即船舶主机转速加速使主机负荷调整至理想值；
[0054]当ΑΛ> δ时，船舶主机负荷的实际值大于船舶主机负荷的理想值，PLC中心处理单元6通过调整主令模拟信号中的主机转速控制命令，来实现对船舶主机转速的调整，通过船舶主机转速的调整使船舶主机负荷实际值Ay满足-δ≤A △≤δ的要求，此时PLC中心处理单元6记录下船舶主机转速的调整值νΔ，船舶主机转速的调整值νΔ即为船舶主机速度补偿值，此时船舶主机转速的调整值νΔ〈ο，即船舶主机转速减速使主机负荷调整理想值；
[0055]步骤6:所述PLC中心处理单元6将船舶当前的主机转速值与船舶主机转速的调整值νΔ的和通过现有的模型预测控制方式(参考文献:《基于广义预测控制的船舶可调浆网络控制系统研究》船舶工程总第31卷，2009年第五期，第33页，齐亮，俞孟蕻著，介绍了上述控制技术)得到经过预测控制的调整后船舶主机转速输入值Vy (η)，(考虑到系统迟滞与网络时延，控制方式加入预测控制，增强了系统的响应速度和操控性能，能够有效的补偿系统迟滞和网络时延对CPP控制系统产生的不利影响，如图4所示)；
[0056]步骤7 =PLC中心处理单元6将经过预测控制的调整后船舶主机转速输入值Vy (η)输入到船舶主机5来控制船舶主机的转速。
[0057]上述技术方案中，所述步骤5中，预设的误差范围-δ?δ (δ>0)中δ的取值范围为船舶主机负荷理想值Ax的I %。
[0058]本说明书未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。
【权利要求】
1.一种机桨匹配的可调螺距桨主推控制方法，其特征在于，它包括如下步骤: 步骤1:控制船舶主机(5)输出主机转速最小值Vtl，同时螺旋桨螺距百分比控制命令Px为零值Ptl时，PLC中心处理单元(6)得到船舶主机负荷最小值A0 ； 步骤2:船舶在被操作人员控制的过程中，主令手柄(I)通过主令手柄(I)内部的电位器(4)输出包含螺旋桨螺距百分比控制命令Pj^P主机转速控制命令的主令模拟信号，该螺旋桨螺距百分比控制命令Px能控制船舶输出的螺旋桨螺距在螺旋桨螺距的正向最大值与负向最大值之间变化，该螺旋桨螺距百分比控制命令Px为船舶输出的实时螺旋桨螺距的控制百分比，即船舶螺旋桨螺距实际输出的值为船舶螺旋桨螺距的实际最大值乘以螺旋桨螺距百分比控制命令Px，上述主令模拟信号输入PLC数据采集模块(3)，该PLC数据采集模块(3)将主令模拟信号转换成主令数字信号； 步骤3:所述PLC数据采集模块(3)将主令数字信号通过CAN总线传输至中央控制箱的PLC中心处理单元(6)，PLC中心处理单元(6)将主令数字信号还原成主令模拟信号；步骤4:所述PLC中心处理单元(6)通过如下关系式得到船舶主机负荷的理想值Ax:(Px-P0) / (Ax-A0) = (IP11 -P0) / (A1-A0) (I) 以上公式I中，Px为主令手柄(I)通过主令手柄(I)内部的电位器(4)输出的螺旋桨螺距控制命令，P0为零值螺旋桨螺距百分比控制命令，即Ptl = 0%，A0为船舶主机负荷最小值，P1为正向最大值螺旋桨螺距百分比控制命令或负向最大值螺旋桨螺距百分比控制命令，即P1 = ±100%，A1为船舶主机满负荷的值；
上述公式I中，已知P。= 0%, P1 = ±100% ；
得到，Ax = (A1-A0) I Px I +A0 (2) 由于A1, Atl为已知值，所以当输入实际螺距指令Px时，PLC中心处理单元(6)计算得到船舶主机负荷的理想值Ax; 步骤5:所述PLC中心处理单元(6)从船舶主机(5)处得到船舶主机负荷实际值Ay，则通过如下关系式得到船舶主机负荷实际值Ay与船舶主机负荷理想值Ax的差值Αλ ； Αλ= Ay_Ax (3) 上述公式3中，Ay为船舶主机负荷实际值，Ax为船舶主机负荷理想值； 在PLC中心处理单元(6)中将船舶主机负荷实际值Ay与船舶主机负荷理想值Ax的差值A△与预设的误差范围-δ~δ(δ>0)进行比较，当_δ≤A△≤δ时，船舶主机运行状态为理想状态； 当ΑΛ〈- δ时，船舶主机负荷的实际值小于船舶主机负荷的理想值，PLC中心处理单元(6)通过调整主令模拟信号中的主机转速控制命令，来实现对船舶主机转速的调整，通过船舶主机转速的调整使船舶主机负荷实际值Ay满足-δδ的要求，此时PLC中心处理单元(6)记录下船舶主机转速的调整值V△，船舶主机转速的调整值V△即为船舶主机速度补偿值，此时船舶主机转速的调整值νΔ>ο，即船舶主机转速加速使主机负荷调整至理想值； 当ΑΛ>δ时，船舶主机负荷的实际值大于船舶主机负荷的理想值，PLC中心处理单元(6)通过调整主令模拟信号中的主机转速控制命令，来实现对船舶主机转速的调整，通过船舶主机转速的调整使船舶主机负荷实际值Ay满足-δ≤A△≤δ的要求，此时PLC中心处理单元(6)记录下船舶主机转速的调整值卩八，船舶主机转速的调整值νΔ即为船舶主机速度补偿值，此时船舶主机转速的调整值νΔ〈O，即船舶主机转速减速使主机负荷调整理想值；步骤6:所述PLC中心处理单元(6)将船舶当前的主机转速值与船舶主机转速的调整值V△的和通过现有的模型预测控制方式得到经过预测控制的调整后船舶主机转速输入值Vy(η)； 步骤7:PLC中心处理单元(6)将经过预测控制的调整后船舶主机转速输入值Vy (η)输入到船舶主机(5)来控制船舶主机的转速。
2.根据权利要求1所述的机桨匹配的可调螺距桨主推控制方法，其特征在于:所述步骤5中，预设的误差范围-δ~δ (δ>0)中δ的取值范围为船舶主机负荷理想值Ax的.1%。
【文档编号】B63H3/00GK104076730SQ201410260338
【公开日】2014年10月1日 申请日期:2014年6月12日 优先权日:2014年6月12日
【发明者】邓智勇, 孔繁军, 戴金鹏, 杨诚, 张浩立, 潘婧, 戴晶, 田凡, 蹇安安, 田强 申请人:武汉海王机电工程技术公司