一种带燃料电池的双电机驱动的船舶控制方法与系统与流程

本发明涉及信息，具体涉及一种带燃料电池的双电机驱动的船舶控制方法与系统。

背景技术：

1、船舶操纵系统是用于控制船舶运动和方向的系统，通过操纵船舶的舵、推进器和其他关键组件，以实现安全、有效和精确的操纵。差速转向系统通过独立控制船舶不同推进器或舵的速度或角度来实现转向，实现更灵活的船舶操纵，这种系统可以实现对多个电机转速的快速而精确的调整，提高船舶的操控性，使得船舶能够进行非常精确的操控，让其更灵活地在狭窄水域、港口以及其他复杂环境中进行操纵。

2、但是，高频率的转速变化也带来了一系列的挑战。首先，频繁的转速调整可能会导致电机的加速磨损，为确保安全航行和避免突发故障，需要更频繁的维护以保证系统的正常运行，这无疑增加了船舶的维护复杂性和成本。其次，尽管在单个电机出现故障的情况下，另一个电机还能维持船舶的基本定位能力，这确保了一定水平上的冗余性和安全性，但双电机系统的引入同时也意味着比单电机系统更高的初始投资和运营成本。船舶公司在考虑是否引入双电机系统时，必须权衡这些优势和额外成本之间的关系。因此，差速转向技术的发展需要在快速准确的操控与系统可靠性、维护成本之间寻找平衡；电机耐用性的提高、维护成本的降低以及系统冗余性的设计都是实现这一平衡的关键因素。

技术实现思路

1、针对现有技术的不足，本发明提出一种带燃料电池的双电机驱动的船舶控制方法与系统，既能满足船舶精确操控的需求，又能保证长期的可靠性和经济效益。

2、本发明的技术方案是这样实现的：

3、一种带燃料电池的双电机驱动的船舶控制方法，包括以下步骤：

4、s1：获取船舶在各海况下双电机运行的操控性能参数，操控性能参数至少包括双电机的转速、响应时间和能耗数据；

5、s2：基于操控性能参数构建双电机运行下船舶行为与海况关系的模型，模型至少用于基于当前海况自动调整双电机的转向响应时间和精度；

6、s3：在单电机运行状态下，检测并判断转向时单电机是否正常运行，并报告性能下降的部件，若否，判断性能下降的部件能否即时修复，若否，则转换为双电机运行，若是，启动冗余电机，电机与冗余电机之间实时交换数据；

7、s4：分别获取并分析单电机运行数据和双电机运行数据，预测单电机运行和双电机运行下电机的寿命和维护周期；

8、s5：将单电机运行数据、双电机运行数据、船舶位置、速度和航向远程接入远程监控平台，远程监控平台实时监控船舶的运行状态，并提供调整建议或自动调整指令；

9、s6：基于海况模拟船舶的转向性能，分别评估单电机运行和双电机运行下的转向性能，获得转向性能评估结果。

10、优选的，步骤s2包括：

11、s21：基于操控性能参数，利用动力学方程建立船舶动力学模型，描述船舶在各种海况下的行为和响应；

12、s22：通过船舶动力学模型分析受当前海况影响的船舶行为；

13、s23：利用动力学模型分析当前海况对船舶操控的影响，若分析结果显示海况对船舶操控产生负面影响，则自动调整pid控制参数；

14、s24：结合响应时间和精度，对船舶模型进行调整，确保模型能够预测在不同海况下差速转向系统的性能需求；

15、s25：连续监控船舶位置、速度和航向，判断响应时间和精度是否符合预期，若不符合，再次调整模型参数或控制策略；

16、s26：获取安全因素数据，包括极限工况和故障管理信息，对模型进行安全校验。

17、优选的，步骤s3包括：

18、s31：在单电机运行状态下，持续检测单电机的实时参数，实时参数包括电流、电压、转速、扭矩、噪音以及效率；

19、s32：设定标准参数，标准参数包括标准电流、标准电压、标准转速、标准扭矩、标准噪音以及标准效率；

20、s33：判断单电机是否正常运行，通过对比实时参数是否超出对应的标准参数，若是，则判定单电机为非正常运行，并报告性能下降的部件；

21、s34：判断性能下降的部件能否即时修复，若否，自动转为双电机运行，若是，启动启动冗余电机；

22、s35：将实时参数、非正常运行的信息和性能下降的部件信息记录在历史数据库中，使用随机森林算法对历史数据库中的数据进行趋势分析，预测电机的剩余寿命，并在预测寿命低于预定阈值时生成维护提醒。

23、优选的，单电机运行转换为双电机运行时，调配电池能量的使用。

24、优选的，调配电池能量的使用包括以下步骤：

25、对单电机运行状态进行监测，获取电机的当前能耗和当前输出功率；

26、根据当前能耗和当前输出功率，预估在转换到双电机运行时所需的额外能量；

27、根据额外能量，调整电池的放电率，并监控电池的充电状态和温度；

28、调整变流器的转换率，并根据双电机的性能数据和当前船舶的行驶状况，调整两个电机的功率输出比例；

29、利用电机控制单元实时监测两个电机的温度、转速和扭矩，若检测到任一电机的温度超出设定阈值，激活散热管理系统，散热管理系统通过调整冷却流量或启动额外的冷却机制维持电机在最佳温度范围内运行；根据转速和扭矩，判断是否需要对电机控制单元进行动态调整，若需要，发送指令给电机控制单元，对电机的转速和扭矩进行实时调整；

30、持续分析电机的温度、速度和扭矩，识别任何可能的性能退化或潜在故障，并采取预防措施。

31、优选的，电机与冗余电机之间通过工业以太网或无线通信协议通信实时数据的交换。

32、优选的，步骤s4包括以下步骤：

33、s41：收集单电机运行模式和双电机运行模式下的电机运行数据，电机运行数据包括运行时间、负载情况、转速、温度、功率、能耗、扭矩和振动速度；

34、s42：获取单电机运行和双电机运行下电机的维护记录信息，整理维护日期、维护类型、维护结果以及故障历史；

35、s43：监测和记录设备健康状况指标，设备健康状况指标包括磨损指标、绝缘电阻、电流和电压波动，以及油液分析数据；

36、s44：调取环境监测数据，环境监测数据包括单电机运行和双电机运行下操作环境的温度、湿度和污染水平，考虑环境因素对电机性能和寿命的影响；

37、s45：搜集两个电机的参数信息，参数信息包括型号、额定参数、使用年限和设计寿命，作为预测模型的基础特征；

38、s46：分析操作和使用模式数据，记录使用频率、操作习惯和加载模式，分析其对双电机寿命和性能的潜在影响；

39、s47：根据步骤s41至s46收集到的数据进行特征工程，包括特征选择和特征提取，剔除噪声和无关数据；

40、s48：采用机器学习算法对提取的特征数据进行训练，建立预测模型，分析特征数据与电机寿命和维护周期之间的关系；

41、s49：验证和调优通过预测模型，最终得到一个能够准确预测电机及关键部件寿命和维护周期的预测系统，用于指导维护计划的制定。

42、优选的，步骤s5包括以下步骤：

43、s51：将单电机运行数据、双电机运行数据、船舶位置、速度和航向远程接入远程监控平台；

44、s52：远程监控平台根据船舶位置判断船舶是否按预定航线航行，若是，向船舶提供转向建议；

45、s53：远程监控平台根据船舶位置和航向计算转向角度，将转向角度与预定转向角度计算出实际转向效率，判断实际转向效率是否低于预定转向效率，若是，查询单电机运行数据、双电机运行数据，判断是否有电机性能下降或故障，若是，将电机性能下降或故障信息通过报警系统输送至技术人员端；

46、s54：远程监控平台判断能耗是否超出正常范围，若是，远程监控平台分析能耗异常的原因，并提出节能优化建议；

47、s55：远程监控平台根据节能优化建议发出自动调整指令，自动调整指令包括实施单电机或双电机的运行状态切换、调整转向角度、改变电机功率分配；

48、s56：对比调整前后的能耗数据，以验证节能优化建议的有效性。

49、优选的，步骤s6包括以下步骤：

50、s61：收集船舶动态响应数据，动态响应数据包括横摇、纵摇和垂荡响应，并基于动态响应数据模拟不同转速差异、单电机运行和双电机运行下船舶的转向半径，从而得到单电机运行和双电机运行下船舶在差速转向作用下的最优转向半径，并得到最优转向半径的运行模式；

51、s62：结合实时单电机运行和双电机运行下舵令输入数据和船舶响应数据，分析得到单电机运行和双电机运行下船舶从舵令输入到完成预定转向角度所需的转向时间，从而得到单电机运行和双电机运行下船舶在差速转向作用下的最优转向时间，并得到最优转向时间的运行模式；

52、s63：通过远程监控平台获取单电机运行和双电机运行下船舶转向时的能耗，计算实际功率消耗，对比得到单电机运行和双电机运行下船舶在差速转向作用下的最优实际功率消耗，并得到最优实际功率消耗的运行模式；

53、s64：汇总最优转向半径的运行模式、最优转向时间的运行模式和最优实际功率消耗的运行模式，形成转向性能评估结果。

54、本发明还提供一种双电机驱动的船舶控制系统，包括：

55、数据获取模块，用于获取船舶在各海况下双电机运行的操控性能参数，以及单电机运行模式和双电机运行模式下的电机运行数据；

56、模型构建模块，用于根据操控性能参数构建双电机运行下船舶行为与海况关系的模型；

57、故障检测和能源调配模块，用于检测并报告转向时单电机状态和性能下降的部件，并调配电池能量；

58、双电机协同工作模块，用于多台电机之间的数据交换，并在一个电机故障时立即接管；

59、数据分析和预测模块，用于分析电机运行数据，预测电机寿命和维护周期，以及提供数据支持；

60、远程监控和管理模块，用于将数据获取模块接入远程监控平台，并为船舶提供优化建议。

61、与现有技术相比，本发明的有益效果是：

62、(1)本发明公开了一种带燃料电池的双电机驱动的船舶控制方法，基于当前海况自动调整双电机的响应速度和精度，以适应不同的海洋环境，提高船舶的操控性能和安全性；

63、(2)为了减少人工巡检频率并提前预警潜在的维护需求，本船舶控制方法检测并报告转向电机状态和性能下降的部件，能保证船舶转向的长期可靠性，行和双电机运行下电机的寿命和维护周期，以减少非计划性停机时间，这有助于船舶运营商在合适的时间进行维护，而非在电机出现故障后紧急处理，能保经济效益；

64、(3)性能下降的部件不能即时修复时，冗余电机能够立即接管，避免停机时间过长影响船舶的运行，而且电机之间实时数据交换，能够保证转向精确控制；

65、(4)此外，船舶相关数据远程接入监控平台，实时监控船舶的运行状态，并提供调整建议或自动调整指令，使得远程操作人员可以实时响应船舶的状态变化，提高反应速度和操作效率；

66、(5)通过海况模拟测试船舶的转向性能，并对转向性能进行评估，转向性能评估结果可用于为升级系统提供数据支持，确保技术的持续改进和发展。