JP4934736B2

JP4934736B2 - 舶用エンジン制御装置および方法

Info

Publication number: JP4934736B2
Application number: JP2010082161A
Authority: JP
Inventors: 淳也宮田; 昭一稲見; 辻　　康之
Original assignee: Mitsui Engineering and Shipbuilding Co Ltd; Mitsui E&S Holdings Co Ltd
Current assignee: Mitsui Engineering and Shipbuilding Co Ltd; Mitsui E&S Co Ltd
Priority date: 2010-03-31
Filing date: 2010-03-31
Publication date: 2012-05-16
Anticipated expiration: 2030-03-31
Also published as: KR101301023B1; JP2011214467A; TW201200720A; WO2011122375A1; KR20130018257A; CN102803693A

Description

本発明は、船舶主機の運転を制御するエンジン制御装置に関する。

船舶主機のガバナ制御では、プロペラ回転数（主機回転数）を一定値に維持するＰＩＤ制御が広く採用される。また、レーシング時における過回転を防止するために機関のシミュレーションモデルに基づきＰＩＤ制御パラメータを変更する構成も知られている（特許文献１）。

特開平８−２００１３１号公報

特許文献１では、外乱による回転数変動をシミュレーションで予測しＰＩＤ制御パラメータを変更することは提案されているものの、経年的な船体抵抗の増加、プロペラ効率の低下、エンジン性能の劣化等に対応して制御を変更する構成は採られていない。

本発明は、船舶の経年変化に合わせた効率のよい主機の運転を行うことを目的としている。

本発明の舶用エンジン制御装置は、船舶の主機の運転を制御する制御部と、主機および船体を含む船舶を制御対象とし、制御部からの操作量を入力とするオブザーバと、制御対象の経年変化の影響を受ける物理量をオブザーバで推定し、物理量の経年変化前の値と経年変化後の値に基づいて制御部の制御パラメータを変更する補正手段とを備えたことを特徴としている。

補正手段は、物理量の経年変化前の値と、経年変化後の値に基づいてオブザーバのシミュレータを経年変化後の制御対象に対応した数値モデルに変更することが好ましい。これにより、より正確に制御対象の経年変化を推定できる。

また、船舶のエンジン制御装置は、物理量の経年変化前の値を記録するメモリを備えることが好ましく、補正手段は、このメモリに記録された物理量の値と、経年変化後に推定される物理量の値に基づいて制御パラメータの変更を行う。物理量は例えば船速であり、補正手段は経年変化前後の船速の差に対応して制御パラメータを変更する。制御部は例えばＰＩＤ制御を行い、補正手段は上記船速差が大きいほどＰゲインおよび／またはＤゲインを大きい値に変更する。また、補正手段は、例えば上記船速差が大きいほど、Ｉゲインを小さい値に変更する。またエンジン制御装置では、例えば主機の回転数が検出され、オブザーバにフィードバックされる。

本発明の船舶は、上記エンジン制御装置を備えたことを特徴としている。

本発明の舶用エンジン制御方法は、主機および船体を含む船舶を制御対象とし、主機の運転を制御する制御部からの操作量を入力とするオブザーバにおいて制御対象の経年変化の影響を受ける物理量を推定し、物理量の経年変化前の値と経年変化後の値に基づいて主機の運転を制御する制御部の制御パラメータを変更することを特徴としている。

本発明によれば、船舶の経年変化に合わせた効率のよい主機の運転を行うことができる。

本発明の実施形態であるエンジン制御装置の構成を示すブロック図である。制御対象とオブザーバの関係を示すブロック図である。

以下、本発明の実施形態について添付図面を参照して説明する。
図１は、本発明の一実施形態である舶用エンジン制御装置の構成を示す制御ブロック図である。

制御対象１０には、主機、プロペラ、船体などが含まれ、主機には制御部１１からガバナ指令ｕが与えられる。制御部１１は、例えば回転数一定とするＰＩＤ制御を行うガバナである。また、主機の出力軸（図示せず）には、主機の実回転数Ｎｅを計測するセンサ（図示せず）が設けられ、実回転数Ｎｅは制御部１１の入力側に負フィードバックされる。すなわち、制御部１１には目標回転数Ｎｏと実回転数Ｎｅの偏差が入力され、ＰＩＤ演算を経てガバナ指令ｕが出力される。

また、本実施形態のエンジン制御装置は、制御対象１０を数値モデル化したオブザーバ１２を備える。図２は、制御対象１０とオブザーバ１２の詳細な関係を示すブロック図である。図２に示されるように、オブザーバ１２は、ガバナ指令ｕを入力とし、回転数Ｎや船速（対水船速）Ｖなどを状態変数とする。本実施形態では、実回転数Ｎｅが計測されているので、オブザーバ１２では、実回転数Ｎｅとシミュレータの出力である回転数Ｎｍの差がシミュレータにフィードバックされて各状態変数が推定される。なお、図２のＡ、Ｂ、Ｃ、Ｋは各変数に作用する演算子である。

また、エンジン制御装置は、メモリ１３と補正演算部１４を備える。補正演算部１４はオブザーバ１２からの出力とメモリ１３に保存されたデータを用いて制御部１１の制御パラメータを実船の経年変化に対応して補正する補正量を算出する演算部である。本実施形態では、制御部１１がＰＩＤ制御を行うことから、補正対象となる制御パラメータは、ＰＩＤゲインであり、制御部１１のＰＩＤゲインは補正演算部１４で算出された補正量に基づいて更新される。

メモリ１３には、前回の制御パラメータ更新時にオブザーバ１２で算出された船速Ｖｍｏが記録されている。次に制御パラメータの更新を行うときには、船速Ｖｍｏが算出されたときと同じ条件の下、例えば回転数や燃料投入量を前回と同じ値にして船を航行させ、現在の船速Ｖｍをオブザーバで算出する。補正演算部１４には、オブザーバ１２で推定される現在の船速Ｖｍとメモリ１３に記憶されている過去の船速Ｖｍｏが入力され、これらの値に基づいて制御部１１の制御パラメータの補正量が算出される。

経年的に船体抵抗は増大し、プロペラ効率は低下するので、海象や燃料供給量が同一であっても、船速は前回の更新時（例えば新造時）よりも遅くなる。したがって、オブザーバ１２で推定される現在船速Ｖｍは、過去の船速Ｖｍｏよりも遅くなる。

補正演算部１４では、例えば過去の船速Ｖｍｏと現在の船速Ｖｍの差（Ｖｍｏ−Ｖｍ）が補正量として算出され、制御部１１では、（Ｖｍｏ−Ｖｍ）の値が大きいほどＰゲイン、Ｄゲインが大きく設定され、かつ／またはＩゲインは小さく設定される。すなわち、経年変化が起こると船体抵抗が増大しプロペラ効率が低下するので、新造時と同様の応答性を得るには、差（Ｖｍｏ−Ｖｍ）の値が大きいほどＰおよび／またはＤのゲインを大きく取る必要がある。例えばＰ、Ｄのゲインは（Ｖｍｏ−Ｖｍ）の増大に比例して増大され、Ｉゲインは逆比例して低減される。

また、このとき補正演算部１４では、入力されたＶｍｏ、Ｖｍに基づきオブザーバ１２における状態方程式についても制御対象の経年変化に合わせて補正が行われ、オブザーバ１２のシミュレータ（数値モデル）が現在の制御対象に対応するものに更新される。

例えば、（Ｎ，Ｖ）^ｔを回転数Ｎおよび速度Ｖを成分とする状態ベクトル（ｔは転置を表す）、（Ｎ’，Ｖ’）^ｔを（Ｎ，Ｖ）^ｔの時間に関する一階微分、ガバナ指令ｕを入力とするとともに、状態ベクトル（Ｎ，Ｖ）^ｔ、入力ｕにそれぞれ演算される２×２行列、２×１行列の要素を｛Ａ_ｉｊ｝，｛Ｂ_ｉ｝としてシステムの状態方程式（一部）を

と表すとき、Ａ_１２がプロペラ回転の抵抗を含む要素、Ａ_２２が船体抵抗を含む要素となる。このときＡ_１２およびＡ_２２は、例えばそれぞれＡ_１２・Ｖｍｏ／ＶｍおよびＡ_２２・Ｖｍｏ／Ｖｍに更新される。なお、その他の要素はそのままの値に維持される。また、上記状態方程式において主機等に関わる変数は省略されているが、主機バルブの劣化なども考慮する構成とすることもできる。

以上のように、本実施形態によれば、船速を実測することなく船体やプロペラ等の経年変化を推定し、これに合わせて制御パラメータを更新することができるので、船舶の経年変化に合わせた効率のよい主機の運転を常時行うことができる。また、これによりシーマージンを小さくすることができ、新造時の燃費も改善される。

なお、ガバナ指令ｕから経年変化前の船速が十分な精度でシミュレートできる場合には、メモリに保存された過去の船速ではなく、シミュレートされた経年変化前の船速と、本実施形態のオブザーバで推定される現在の船速を比較して制御部やオブザーバの更新を行うこともできる。

また、観測される状態変数は回転数に限定されず、例えばプロペラシャフトのトルクなどであってもよいし、複数の物理量であってもよい。また、経年変化を推定するための物理量として、本実施形態では船速の推定値を用いたが、例えばトルクやスラストをオブザーバで推定し、これに基づいて経年変化を推定して制御パラメータを更新することも可能である。

本実施形態ではＰＩＤ制御を例に説明を行ったが、それ以外の制御方式において、推定される船体やプロペラの経年変化に合わせて、経年変化前の応答性が得られるように制御パラメータを更新することも可能である。

１０制御対象
１１制御部（ＰＩＤ演算部）
１２オブザーバ
１３メモリ
１４補正演算部

Claims

船舶の主機の運転を制御する制御部と、
前記主機および船体を含む船舶を制御対象とし、前記制御部からの操作量を入力とするオブザーバと、
前記制御対象の経年変化の影響を受ける船速を前記オブザーバで推定し、前記船速の経年変化前の値と経年変化後の値に基づいて前記制御部の制御パラメータを変更する補正手段とを備え、
前記補正手段は、前記船速の経年変化前の値と、経年変化後の値に基づいて前記オブザーバのシミュレータを経年変化後の制御対象に対応した数値モデルに変更する
ことを特徴とする船舶のエンジン制御装置。
前記船速の経年変化前の値を記録するメモリを備え、前記補正手段は、前記メモリに記録された前記船速の値と、経年変化後に推定される前記船速の値に基づいて前記制御パラメータの変更を行うことを特徴とする請求項１に記載の船舶のエンジン制御装置。
前記補正手段が前記経年変化前後の船速の差に対応して前記制御パラメータを変更することを特徴とする請求項２に記載の船舶のエンジン制御装置。
前記制御部がＰＩＤ制御を行い、前記補正手段は前記差が大きいほど、Ｐゲインおよび／またはＤゲインを大きい値に変更することを特徴とする請求項３に記載の船舶のエンジン制御装置。
前記制御部がＰＩＤ制御を行い、前記補正手段は前記差が大きいほど、Ｉゲインを小さい値に変更することを特徴とする請求項２または請求項４の何れか一項に記載の船舶のエンジン制御装置。
前記主機の回転数が検出され、前記オブザーバにフィードバックされることを特徴とする請求項１〜５の何れか一項に記載の船舶のエンジン制御装置。
請求項１〜６の何れか一項に記載のエンジン制御装置を備えることを特徴とする船舶。
主機および船体を含む船舶を制御対象とし、前記主機の運転を制御する制御部からの操作量を入力とするオブザーバにおいて前記制御対象の経年変化の影響を受ける船速を推定し、前記船速の経年変化前の値と経年変化後の値に基づいて前記主機の運転を制御する制御部の制御パラメータを変更するとともに、前記船速の経年変化前の値と、経年変化後の値に基づいて前記オブザーバのシミュレータを経年変化後の制御対象に対応した数値モデルに変更することを特徴とする船舶のエンジン制御方法。