一种船舶的可调桨联合控制方法与流程

本发明涉及可调桨领域，尤其是一种船舶的可调桨联合控制方法。

背景技术：

可调桨系统由于具有技术可靠性、使用维护稳定性和价格优势，已经被广泛应用于公务船、调查船和货船等主流船舶上，现有的可调桨系统控制方式主要有独立控制方式、机桨联合控制方式和恒转速控制方式，其中机桨联合控制方式是较为智能且较为常用的控制方式。

目前传统的机桨联合控制方式为：在额定航速的50％以内对船速进行控制时，主机转速稳定在主机齿轮箱合排转速附近，通过调节螺旋桨螺距实现船速和航向的改变；在50％的额定航速至额定航速范围对船速进行控制时，将可调桨固定在最大螺距比，通过调节主机转速实现船速和航向的改变。但目前传统的机桨联合控制方式存在以下几个问题：(1)、只有在船舶设计工况下才能保证螺距角和主机转速的最佳匹配，一旦船舶航行状态改变或偏离设计航速，就很难保证它们之间的最佳匹配关系；(2)、在自然能源日益匮乏的现在，最大限度的降低船舶燃料消耗，尤其是主推机系统的燃油消耗成为了各类船舶发展的必然趋势，但可调桨系统作为主推机系统中的重要组成部分，目前却并没有考虑节省燃油消耗。

技术实现要素：

本发明人针对上述问题及技术需求，提出了一种船舶的可调桨联合控制方法，能够根据船舶航行工况的增多，自动寻找基于推进系统耗油量最低的不同航速下的螺距比和主机转速的组合关系，使得船舶在任一航速下推进系统燃油耗油量最低。

本发明的技术方案如下：

一种船舶的可调桨联合控制方法，该方法包括：

获取船舶在航行过程中的实时航行数据，实时航行数据包括船舶实时的航速、主机转速、螺距比和推进系统耗油量；

对获取到的各个实时航行数据进行数据分析，获取船舶在当前航行工况下的稳定航行数据，稳定航行数据包括船舶在当前航行工况的稳定阶段的航速、主机转速、螺距比以及推进系统耗油量；

不断改变航行工况，并在每个航行工况下再次执行对获取到的各个实时航行数据进行数据分析，获取船舶在当前航行工况下的稳定航行数据的步骤；

根据获取到的各组稳定航行数据得到船舶全航速下的耗油量关系，一个航速下的耗油量关系包括航速下的推进系统耗油量与主机转速和螺距比的对应关系；

不断改变航行工况并获取稳定航行数据，利用获取到的稳定航行数据对全航速下的耗油量关系进行修正得到全航速下的机桨匹配关系，一个航速下的机桨匹配关系包括航速下使得船舶的推进系统耗油量最小的主机转速和螺距比；

在船舶的航行过程中，控制船舶的可调桨按照全航速下的机桨匹配关系工作。

其进一步的技术方案为，利用获取到的稳定航行数据对全航速下的耗油量关系进行修正得到全航速下的机桨匹配关系，包括：

确定与获取到的稳定航行数据中的航速对应的耗油量关系中的推进系统耗油量；

若确定得到的耗油量关系中的推进系统耗油量大于获取到的稳定航行数据中的推进系统耗油量，则将获取到的稳定航行数据中的航速所对应的耗油量关系更新为获取到的稳定航行数据中的推进系统耗油量与主机转速和螺距比的对应关系。

其进一步的技术方案为，对获取到的各个实时航行数据进行数据分析，获取船舶在当前航行工况下的稳定航行数据，包括：

对第i个时刻至第j个时刻的连续时长内的航速、主机转速以及螺距比分别进行数据稳定性的评判，i和j均为参数，i的起始值为1，j的起始值为i+1；

若航速、主机转速以及螺距比在连续时长内均具有数据稳定性，则令j＝j+1，并再次执行对第i个时刻至第j个时刻的连续时长内的航速、主机转速以及螺距比分别进行数据稳定性的评判的步骤；

若航速、主机转速以及螺距比中存在至少一项在连续时长内不具有数据稳定性，则检测第i个时刻至第j-1个时刻的连续时长是否达到预设时长；

若未达到预设时长，则令i＝i+1，重新执行对第i个时刻至第j个时刻的连续时长内的航速、主机转速以及螺距比分别进行数据稳定性的评判的步骤；

若达到预设时长，则计算第i个时刻至第j-1个时刻的连续时长内的航速、主机转速、螺距比以及推进系统耗油量的平均值得到船舶在当前航行工况下的稳定航行数据。

其进一步的技术方案为，对第i个时刻至第j个时刻的连续时长内的航速、主机转速以及螺距比分别进行数据稳定性的评判，包括：

确定第i个时刻至第j个时刻的连续时长内的各个航速中的最大值和最小值、各个主机转速中的最大值和最小值、各个螺距比中的最大值和最小值；

根据确定得到的航速的最大值和最小值计算得到航速变化率，若航速变化率小于第一变化率阈值，则确定航速在连续时长内具有数据稳定性，否则确定航速在连续时长内不具有数据稳定性；

根据确定得到的主机转速的最大值和最小值计算得到主机转速变化率，若主机转速变化率小于第二变化率阈值，则确定主机转速在连续时长内具有数据稳定性，否则确定主机转速在连续时长内不具有数据稳定性；

根据确定得到的螺距比的最大值和最小值计算得到螺距比变化率，若螺距比变化率小于第三变化率阈值，则确定螺距比在连续时长内具有数据稳定性，否则确定螺距比在连续时长内不具有数据稳定性。

其进一步的技术方案为，对第i个时刻至第j个时刻的连续时长内的航速、主机转速以及螺距比分别进行数据稳定性的评判，包括：

根据各个实时航行数据得到航速相对于时间的航速曲线、主机转速相对于时间的主机转速曲线、螺距比相对于时间的螺距比曲线；

计算航速曲线在第i个时刻至第j个时刻的连续时长内的导数，若导数小于第一导数阈值，则确定航速在连续时长内具有数据稳定性，否则确定航速在连续时长内不具有数据稳定性；

计算主机转速曲线在第i个时刻至第j个时刻的连续时长内的导数，若导数小于第二导数阈值，则确定主机转速在连续时长内具有数据稳定性，否则确定主机转速在连续时长内不具有数据稳定性；

计算螺距比曲线在第i个时刻至第j个时刻的连续时长内的导数，若导数小于第三导数阈值，则确定螺距比在连续时长内具有数据稳定性，否则确定螺距比在连续时长内不具有数据稳定性。

本发明的有益技术效果是：

本申请公开了一种船舶的可调桨联合控制方法，该方法能够根据船舶实际航行工况的增多，自动寻找基于推进系统耗油量最低的不同航速下的可调桨的螺距比和主机转速的组合关系，然后在航行时可以任一航速下，按照这样的螺距比和主机转速的组合关系进行联合控制，从而实现任一航速下推进系统耗油量最低的目标。

附图说明

图1是采用幅值法判断航速、主机转速以及螺距比的数据稳定性的流程图。

图2是采用导数法判断航速、主机转速以及螺距比的数据稳定性的流程图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式做进一步说明。

本申请公开了一种船舶的可调桨联合控制方法，请参考图1，该方法包括如下步骤：

步骤s01，获取船舶在航行过程中的实时航行数据，实时航行数据包括船舶实时的航速vs、主机转速n、螺距比h/d和推进系统耗油量ge。船舶的实时航行数据通常利用各类传感器或设备测得，用于测量数据的传感器或数据可以是船舶自带的也可以是额外加装的，通常情况下航速vs和主机转速n可以由船舶的主推进遥控系统通过串口信号输出直接得到，而推进系统耗油量ge则可以通过在主机供回油管路中安装流量计而检测到。

步骤s02，对获取到的各个实时航行数据进行数据分析，获取船舶在当前航行工况下的稳定航行数据，稳定航行数据包括船舶在当前航行工况的稳定阶段的航速vs、主机转速n、螺距比h/d以及推进系统耗油量ge。具体的：

(1)、对第i个时刻至第j个时刻的连续时长内的航速vs、主机转速n以及螺距比h/d分别进行数据稳定性的评判，i和j均为参数，i的起始值为1，j的起始值为i+1。这里的第1个时刻具体是哪个时刻可以根据需要选择，每两个时刻之间的时间间隔也可以根据需要配置，本申请只是将每两个时刻之间的时间间隔作为一次运算的步长。参数的数据稳定性是指在一段连续时间内，参数的每一时刻瞬态变化率很小或者参数在较小幅度内变化，对于航速vs、主机转速n以及螺距比h/d的数据稳定性的评判主要有两种方法：幅值法和导数法：

第一种方法：幅值法，具体如下，请参考图1所示的步骤：

a、确定第i个时刻至第j个时刻的连续时长内的各个航速中的最大值vsmax和最小值vsmin、各个主机转速中的最大值nmax和最小值nmin、各个螺距比中的最大值h/dmax和最小值h/dmin。

b、根据确定得到的航速的最大值vsmax和最小值vsmin计算得到航速变化率，通常航速变化率的计算公式为(vsmax-vsmin)/vsmin。若航速变化率小于第一变化率阈值δ1，则确定航速在该第i个时刻至第j个时刻的连续时长内具有数据稳定性，否则确定航速在连续时长内不具有数据稳定性，其中第一变化率阈值δ1的具体取值可以自定义。

c、根据确定得到的主机转速的最大值nmax和最小值nmin计算得到主机转速变化率，通常主机转速变化率的计算公式为(nmax-nmin)/nmin。若主机转速变化率小于第二变化率阈值δ2，则确定主机转速在该第i个时刻至第j个时刻的连续时长内具有数据稳定性，否则确定主机转速在连续时长内不具有数据稳定性，同样的，第二变化率阈值δ2的具体取值可以自定义。

d、根据确定得到的螺距比的最大值h/dmax和最小值h/dmin计算得到螺距比变化率，通常螺距比变化率的计算公式为(h/dmax-h/dmin)/(h/dmin)。若螺距比变化率小于第三变化率阈值δ3，则确定螺距比在该第i个时刻至第j个时刻的连续时长内具有数据稳定性，否则确定螺距比在连续时长内不具有数据稳定性，同样的，第三变化率阈值δ3的具体取值可以自定义。

上述步骤b、c、d并没有先后顺序，是三个并列的步骤。

第二种方法：导数法，具体如下，请参考图2所示的步骤：

a、根据各个实时航行数据得到航速相对于时间的航速曲线vs(t)、主机转速相对于时间的主机转速曲线n(t)、螺距比相对于时间的螺距比曲线h/d(t)。以航速为例，直接连接各个航速得到的是航速相对于时间的锯齿形波形，则利用离散型傅里叶变换和小波分析等工具对该锯齿形波形进行滤波处理，就能得到光滑的航速曲线vs(t)，利用类似的方法可以处理得到主机转速曲线n(t)和螺距比曲线h/d(t)。

b、计算航速曲线vs(t)在第i个时刻至第j个时刻的连续时长内的导数vs′(t)，若该导数vs′(t)小于第一导数阈值β1，则确定航速在连续时长内具有数据稳定性，否则确定航速在连续时长内不具有数据稳定性，其中第一导数阈值β1的具体取值可以自定义。

c、计算主机转速曲线n(t)在第i个时刻至第j个时刻的连续时长内的导数n′(t)，若该导数n′(t)小于第二导数阈值β2，则确定主机转速在连续时长内具有数据稳定性，否则确定主机转速在连续时长内不具有数据稳定性，同样的第二导数阈值β2的具体取值可以自定义。

d、计算螺距比曲线h/d(t)在第i个时刻至第j个时刻的连续时长内的导数h/d′(t)，若该导数h/d′(t)小于第三导数阈值β3，则确定螺距比在连续时长内具有数据稳定性，否则确定螺距比在连续时长内不具有数据稳定性，同样的第三导数阈值β3的具体取值可以自定义。

上述步骤b、c、d并没有先后顺序，是三个并列的步骤。

无论采用上述哪一种方法，通常情况下，第i个时刻至第j个时刻的连续时长内会包括多个实时航行数据，但比较极端的情况是，该连续时长内仅包括一个实时航行数据，这样就无法计算变化率或得到曲线，此时可以直接令j＝j+1，并再次执行上述步骤(1)。

(2)、若航速vs、主机转速n以及螺距比h/d在第i个时刻至第j个时刻的连续时长内均具有数据稳定性，则令j＝j+1，并再次执行上述步骤(1)。

(3)、若航速vs、主机转速n以及螺距比h/d中存在至少一项在连续时长内不具有数据稳定性，则检测第i个时刻至第j-1个时刻的连续时长是否达到预设时长，该预设时长可以自定义。

(4)、若第i个时刻至第j-1个时刻的连续时长未达到预设时长，则令i＝i+1，重新执行上述步骤(1)，也即从下一个时刻开始继续循环计算。

(5)、若第i个时刻至第j-1个时刻的连续时长达到预设时长，则计算第i个时刻至第j-1个时刻的连续时长内的航速vs、主机转速n以及螺距比h/d以及推进系统耗油量ge的平均值得到船舶在当前航行工况下的稳定航行数据。

对应于上述第一种方法幅值法，该步骤在计算平均值的时候的做法为：计算第i个时刻至第j-1个时刻的连续时长内各个航速的和值∑vs，并利用如下计算公式(∑vs)/(j-i-1)计算得到航速vs在这段连续时长内的平均值。类似的，分别计算得到主机转速n以及螺距比h/d以及推进系统耗油量ge的平均值，这些平均值即为船舶在当前航行工况的稳定阶段的航速、主机转速、螺距比以及推进系统耗油量，由此得到了船舶在当前航行工况下的稳定航行数据。

对应于上述第二种方法导数法，该步骤在计算平均值的时候的做法为：计算航速曲线vs(t)在第i个时刻至第j-1个时刻的连续时长内的面积积分∫i^j-1vs(t)，并利用如下计算公式(∫i^j-1vs(t))/(j-i-1)计算得到航速vs在这段连续时长内的平均值。类似的，分别计算得到主机转速n以及螺距比h/d以及推进系统耗油量ge的平均值，这些平均值即为船舶在当前航行工况的稳定阶段的航速、主机转速、螺距比以及推进系统耗油量，由此得到了船舶在当前航行工况下的稳定航行数据。

为了便于理解，本申请以一个举例来说明，以采用幅值法为例，举例中以数组(vs、n、h/d)表示一个实时航行数据中的航速、主机转速以及螺距比，假设第1个时刻至第2个时刻之间具有3个实时航行数据分别为(10.0、756、1.529)、(10.2、795、1.421)以及(10.3、776、1.471)，第2个时刻至第3个时刻之间具有2个实时航行数据分别为(10.2、785、1.450)以及(10.4、800、1.400)，第3个时刻至第4个时刻之间具有2个实时航行数据为(11.5、873、1.415)以及(11.6、854、1.459)，同时假设三个变化量阈值均为10％。则起始状态时，先计算第1个时刻至第2个时刻之间的3个实时航行数据的航速变化率为3％、主机转速变化率为5.1％、螺距比变化率为7.6％，航速变化率、主机转速变化率和螺距比变化率在第1个时刻至第2个时刻之间均具有数据稳定性。则继续计算第1个至第3个时刻之间的5个实时航行数据的航速变化率为4％、主机转速变化率为5.8％、螺距比变化率为9.2％，航速变化率、主机转速变化率和螺距比变化率在第1个时刻至第3个时刻之间均具有数据稳定性。则继续计算第1个至第4个时刻之间的7个实时航行数据的航速变化率为16％，超出了变化率阈值，可确定航速在第1个至第4个时刻之间不具有数据稳定性。此时若判断具有数据稳定性的第1个至第3个时刻之间的连续时长达到连续时长，则计算第1个至第3个时刻之间的5个实时航行数据的平均值，从而得到稳定航行数据。

步骤s03，不断改变航行工况，并在每个航行工况下再次执行对获取到的各个实时航行数据进行数据分析，获取船舶在当前航行工况下的稳定航行数据的步骤，也即重复执行上述步骤s02，从而得到船舶在各个不同的航行工况下的各组稳定航行数据。航行工况的改变是船舶领域的公知常识，具体可以涉及到航速的变化、海况的变化、主机转速的变化、螺距比的变化中的至少一种。

步骤s04，根据获取到的各组稳定航行数据得到船舶全航速下的耗油量关系，一个航速下的耗油量关系包括航速下的推进系统耗油量ge与主机转速n和螺距比h/d的对应关系。具体做法可以是，对于各组稳定航行数据，以航速vs为横坐标，以推进系统耗油量ge、主机转速n以及螺距比h/d的组合作为纵坐标建立离散点，分别拟合得到推进系统耗油量ge相对于航速vs的曲线ge(vs)、主机转速n相对于航速vs的曲线n(vs)、螺距比h/d相对于航速vs的曲线h/d(vs)。进一步拟合得到全航速下的推进系统耗油量ge、主机转速n和螺距比h/d的数组对应关系，也即得到全航速下的耗油量关系。

步骤s05，不断改变航行工况并获取稳定航行数据，其做法与步骤s02相同。利用获取到的稳定航行数据对全航速下的耗油量关系进行修正得到全航速下的机桨匹配关系，具体的，包括如下两个步骤：

(1)、确定与再次获取到的稳定航行数据中的航速vs对应的耗油量关系中的推进系统耗油量ge。

(2)、若确定得到的耗油量关系中的推进系统耗油量ge大于再次获取到的稳定航行数据中的推进系统耗油量ge，则用再次获取到的稳定航行数据中的推进系统耗油量ge、主机转速n和螺距比h/d的数组替代原来同样航速vs下的关系，从而将获取到的稳定航行数据中的航速所对应的耗油量关系更新为获取到的稳定航行数据中的推进系统耗油量与主机转速和螺距比的对应关系。

不断改变航行工况并修正耗油量关系，可以得到全航速下的机桨匹配关系，一个航速下的机桨匹配关系包括该航速vs下使得船舶的推进系统耗油量ge最小的主机转速n和螺距比h/d。可以通过设定修正的次数来控制循环条件，同时在船舶的正常航行过程中也可以不断修正机桨匹配关系。

步骤s06，在船舶的航行过程中，控制船舶的可调桨按照全航速下的机桨匹配关系工作。实际工作时，可以利用独立的新的可调桨系统遥控手柄来遥控可调桨，并将各个航速vs下使得船舶的推进系统耗油量ge最小的主机转速n和螺距比h/d的关系标定在新的可调桨系统遥控手柄上，则这一新的可调桨系统遥控手柄可获得机桨控制权限，且独立于原遥控系统的联合操纵系统，采用本申请这一机桨匹配关系进行联合控制，可实现任一航速下推进系统耗油量最低的目标。

以上所述的仅是本申请的优选实施方式，本发明不限于以上实施例。可以理解，本领域技术人员在不脱离本发明的精神和构思的前提下直接导出或联想到的其他改进和变化，均应认为包含在本发明的保护范围之内。