燃料控制装置和舵控制装置的制作方法

本发明涉及一种燃料控制装置和舵控制装置。

背景技术：

以往，为了降低船舶的燃料消耗率而提出了各种技术(例如专利文献1)。在专利文献1中记载了以下内容：预测向可变螺距螺旋桨流入的海水的流入速度，基于预测结果来控制可变螺距螺旋桨的桨叶角。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：日本专利第6047923号公报

技术实现要素：

发明要解决的问题

本发明的目的在于提出一种通过与专利文献1不同的方法来抑制发动机的负荷的变动从而降低船舶的燃料消耗率的技术。

用于解决问题的方案

为了解决上述课题，燃料控制装置是用于控制向船舶的发动机喷射的燃料喷射量的控制装置，所述船舶具备：螺旋桨；所述发动机，其用于向所述螺旋桨传递旋转动力来推进所述船舶；以及舵机，其用于使所述船舶转弯，所述燃料控制装置具备：转弯指令部，其对所述舵机的目标舵角值进行指示以使所述船舶在指定航路上航行；预测部，其预测在所述船舶在所述指定航路上航行的期间中的规定时点由于干扰和按照所述目标舵角值对所述舵机进行控制而产生的所述发动机的负荷，计算所预测出的所述发动机的负荷相对于当前的发动机的负荷的负荷变动量；转数获取部，其获取所述发动机的目标转数和实际转数；调整部，其基于所述目标转数、所述实际转数及所述负荷变动量，调整所述规定时点的所述燃料喷射量以抑制所述发动机的转数的变动；以及发动机控制部，其基于调整后的所述燃料喷射量来向所述发动机喷射燃料。

附图说明

图1是第一实施方式的船舶的框图。

图2是示出干扰负荷变动量与经过时间的关系的曲线图。

图3是示出经过时间与目标舵角值的关系的曲线图。

图4是示出各经过时间的负荷变动量的合计值之间的关系的曲线图。

图5是示出控制装置的一系列动作的流程图。

图6是第二实施方式的船舶的框图。

图7是燃料消耗率等高线的一例。

图8示出用于在指定航路上航行的目标舵角值的经时变化。

图9示出预测负荷的经时变化。

图10示出校正后的目标舵角值。

图11是将图10的一部分放大得到的图。

图12示出根据舵角的变化量校正了校正量时的舵角的经时变化。

图13是示出由控制装置进行的一系列控制的流程图。

具体实施方式

下面，对本发明的实施方式进行说明。图1是第一实施方式的船舶的框图。

如图1所示，船舶100具备例如配置于船桥的电报机11和操舵部13。推进力发生装置15被电报机11输入输出指令值，推进力发生装置15产生与指令值相应的输出。由操作者向操舵部13输入舵机17的舵角指令值，在手动操作时按照舵角指令值来改变舵角。

推进力产生装置15具备发动机19和螺旋桨21，螺旋桨21被固定于发动机19的输出轴，通过从发动机19传递的旋转动力来驱动螺旋桨21进行旋转。以与从电报机11输入的输出指令值相应的转数来驱动发动机19。在自动航行控制时，以被输入的目标发动机转数来驱动发动机19。此外，可以将电报机11设为能够输入基于航速(对地航速或对水航速)的指令的设备，将输出指令值设为表示达到航速所需要的发动机转数的值。

船舶100具备：作为舵控制装置的控制装置23；以及燃料供给装置25，其在控制装置23的控制下向发动机19供给燃料。

控制装置23具备：预测部27，其预测受到了潮流、风等干扰时的发动机19的负荷变动量；舵角控制部29；信息获取部31，其获取与发动机19的控制条件有关的信息；以及燃料控制部33，其对从燃料供给装置25向发动机19供给的燃料的量进行控制。

预测部27获取潮流预报、波浪预报、风预报等干扰信息。预测部27预测的发动机负荷变动量(下面有时简称为“干扰负荷变动量”)是指相对于发动机19的基准负荷的变动量。发动机19的基准负荷是指在没有受到潮流、波浪以及风的影响且舵机17处于中立位置的状态中以固定转数驱动了发动机19时的发动机19的负荷。因而，干扰负荷变动量是指船舶100受到了干扰时的相对于基准负荷的变动量。预测部27获取包括潮流预报、波浪预报等海象信息、风预报等气象信息的干扰信息，以预测干扰负荷变动量。干扰信息可以为在船舶100上检测到的信息，也可以为从船外获取到的信息。预测部27通过已知的方法，基于干扰信息执行利用自回归模型的时间序列的分析来预测干扰，根据所预测出的干扰来预测发动机19因干扰而产生的负荷变动量(作为第一负荷变动量的干扰负荷变动量)。预测部27预测各时间的干扰负荷变动量，计算经过时间和负荷变动量的函数。在图2中示出干扰负荷变动量与经过时间的关系。预测部27将所预测出的发动机19的干扰负荷变动量向燃料控制部33输出。

返回到图1，舵角控制部29输出舵机17的控制值。舵机17的控制值是表示舵机17的实际角度的信号。舵机17的控制值可以是根据目标角度与实际角度的差异计算的舵角指示信号。舵角指示信号可以是为了在指定航路上航行而运算出的信号，该指定航路是为了进行自动航行控制而预先编程出的。当通过舵角控制部29使舵机17的角度从中立位置改变时，螺旋桨21所受到的阻力增加，发动机19的负荷增加。

信息获取部31根据输出指令值计算目标发动机转数、目标发动机负荷、目标燃料喷射量。信息获取部31监视发动机19的运转状态，获取包括发动机的实际转数在内的与发动机19的运转状态有关的信息。因而，信息获取部31作为转数获取部而发挥功能。

燃料控制部33基于目标发动机转数、目标发动机负荷、目标燃料喷射量、发动机实际转数等运转状态，来控制向发动机19供给的燃料的量。作为调整部的燃料控制部33在自动航行控制时，基于发动机目标转数、发动机实际转数、干扰负荷变动量以及后述的舵角负荷变动量来调整目标燃料喷射量。燃料控制部33基于调整结果来控制向发动机19供给的燃料的量。燃料控制部33的输出可以为表示燃料的量的信号，也可以为表示燃料供给装置25的控制台位置的信号。

对燃料控制部33调整目标燃料喷射量的控制进行说明。图3示出经过时间与目标舵角值的关系。

当调整目标燃料喷射量时，舵角控制部29首先根据与指定航路有关的信息来计算经过时间与目标舵角值的关系。燃料控制部33从舵角控制部29获取经过时间和目标舵角值，根据两者的关系计算经过时间与同目标舵角值相应的负荷变动量(作为第二负荷变动量的舵角负荷变动量)的关系。将舵机17设定于中立位置时的舵角值设为0度，在使舵机17向右弦侧转弯时角度增加，在使舵机17向左舷侧转弯时角度减少。也可以设为在使舵机17向左舷侧转弯时角度增加。如图3所示那样按每个经过时间来设定目标舵角值。在将舵机17的中立位置设为0度的情况下舵角负荷变动量为0，在使舵机17相对于中立位置移动了θ度时以及使舵机17相对于中立位置移动了-θ度时，舵角负荷变动量为相同的量。舵角负荷变动量随着目标舵角值的绝对值增加而增加。燃料控制部33根据经过时间与舵角负荷变动量的关系以及经过时间与干扰负荷变动量的关系，计算相同时点的负荷变动量的合计值。

图4示出各经过时间的负荷变动量的合计值之间的关系。如图4所示，负荷变动量的合计值为将经过时间与舵角负荷变动量的函数、以及经过时间与干扰负荷变动量的函数合计得到的函数。燃料控制部33计算负荷变动量的合计值，基于计算出的值来校正燃料喷射量以将发动机19的转数保持为目标转数。

具体地说，燃料控制部33参照δt秒后的负荷变动量的合计值，在发动机19的负荷相比于发动机19的当前的负荷增加的情况下，使燃料喷射量增加。在该情况下，燃料控制部33使燃料喷射量逐渐增加，来使发动机19的运转状态逐渐接近设为目标的运转状态。燃料控制部33参照δt秒后的负荷变动量的合计值，在发动机19的负荷相比于发动机19的当前的负荷降低的情况下，使燃料喷射量减少。在该情况下，燃料控制部33使燃料喷射量逐渐减少，使发动机19的运转状态逐渐接近设为目标的运转状态。燃料控制部33使用基于数字孪生(digitaltwin)的仿真来导出能够使发动机19的当前的运转状态转变为设为目标的运转状态的燃料喷射量和燃料喷射时点。燃料控制部33按照所导出的时点来校正燃料喷射方式、即燃料喷射量和时点。由此，在δt秒后，即使发动机19的负荷发生增减也能够维持目标转数。通过即使发动机19的负荷发生增减也维持目标转数，由此能够使发动机19的燃料消耗率减小、也就是说使燃料消耗量减少。

图5是示出控制装置的一系列动作的流程图。在步骤s1中，控制装置23基于所预测出的干扰来计算干扰负荷变动量。在步骤s2中，控制装置23根据舵机17的控制值来计算舵角负荷变动量。进行步骤s1和s2的顺序可以反过来也可以为同时。在步骤s3中，控制装置23基于干扰负荷变动量和舵角负荷变动量来校正目标燃料喷射量。在步骤s4中，控制装置23基于校正后的目标燃料喷射量来控制燃料供给装置25。控制装置23在航行中重复执行步骤s1～s4的控制。

作为其它方式，将干扰信息和目标舵角输入到预测部27，预测部27计算干扰负荷变动量。燃料控制部33基于干扰负荷变动量、实际转数以及目标转数来调整燃料喷射量。也可以不独立地计算基于干扰的负荷和基于目标舵角的负荷。

通过控制装置23，能够校正目标燃料喷射量以将发动机19的转数保持为目标转数。由此，能够改善燃料消耗率。特别是在因流入螺旋桨21的水的量减少等理由而发动机19的负荷降低时，使燃料喷射量减少，因此能够抑制燃料的消耗。在此，燃料消耗率是指以单位时间内的每单位输出的燃料消耗量来表示的发动机的燃料消耗率[g/kw·h]。

图6是第二实施方式的船舶的框图。对第一实施方式中已经说明过的地方标注与第一实施方式相同的标记，并省略详细的说明。

船舶200的控制装置23具备燃料消耗率计算部201、第二预测部203、舵角校正部205以及偏离量计算部209。此外，图6的第一预测部27具有与上述的预测部相同的结构，但是为了与第二预测部203相区分而标注有词语“第一”。

燃料消耗率计算部201基于搭载于船舶200的发动机19的燃料消耗率等高线来计算发动机19的燃料消耗率。在图7中示出燃料消耗率等高线的一例。在图7中，纵轴表示发动机负荷，横轴表示发动机转数。

第二预测部203预测因与目标舵角值相应的舵角的变化而产生的发动机19的负荷变动量。目标舵角值是按照指定航路航行时的舵角值。已知的是，当从中立位置变更了舵角时，舵机17或船舶200整体受到的水的阻力增加，与舵角的变化量相应地发动机19的负荷增加。为了预测因舵角的变化而产生的发动机19的负荷变动量，能够使用将舵角值与从主机功率计那样的发动机负荷的测量器获得的测量结果进行关联而得到的过去的信息。第二预测部203预先具有同舵角的变化量与发动机负荷变动量之间的关系有关的信息，根据该信息预测发动机负荷变动量，将预测结果作为舵角负荷变动量向舵角校正部205输出。

舵角校正部205除了基于燃料消耗率、第一预测部27的预测结果即干扰负荷变动量、以及第二预测部203的预测结果即舵角负荷变动量以外，还基于偏离量来校正目标舵角值。

舵角控制部29除了上述的结构以外，还基于由舵角校正部205校正后的目标舵角值来控制舵机17。

第二实施方式的船舶200如第一实施方式中所说明的那样对燃料喷射量进行校正，并且基于由舵角校正部205校正后的目标舵角值来控制舵机17。下面，说明由舵角校正部205进行的校正。

燃料消耗率计算部201基于当前的发动机转矩、发动机实际转数以及向发动机19喷射的燃料喷射量来计算当前的燃料消耗率。另外，燃料消耗率计算部201基于干扰负荷变动量来预测维持着发动机实际转数时的规定时点的燃料消耗率。燃料消耗率计算部201相当于燃料消耗率计算部和燃料消耗率预测部。

偏离量计算部209作为偏离量预测部或偏离量计算部而发挥功能，获取gps等的位置信息来计算航行中的航路与指定航路的偏离量。关于偏离量，例如将距构成指定航路的直线状航路的距离作为偏离量向舵角校正部205输出。

舵角校正部205基于燃料消耗率、干扰负荷变动量、舵角负荷变动量以及偏离量来校正目标舵角值。因而，在本实施方式中，第一预测部27、第二预测部203以及舵角校正部205作为预测部和校正部而发挥功能。舵角校正部205基于发动机19的燃料消耗率等高线来校正目标舵角值。

船舶200具备：舵控制部35，其基于由舵角校正部205校正后的目标舵角值来控制舵角；以及舵角指令输入部37，其接受来自操舵部13的指令。舵控制部35基于来自舵角校正部205或舵角指令输入部37的输入来控制舵角。例如，当在自动航行控制时对操舵部13进行了操作以进行紧急躲避等时，舵角指令输入部37检测对操舵部13的操作，并对舵控制部35输入与对操舵部13的操作量相应的舵角指令值。在该情况下，舵控制部35与来自舵角校正部205的输出无关地基于来自舵角指令输入部37的舵角指令值来控制舵角。

下面，说明由舵角校正部205进行的校正处理。

[基于干扰的舵角校正]

在一个实施方式中，舵角校正部205基于由第一预测部27预测出的干扰负荷变动量来校正目标舵角值。图8示出用于在指定航路上航行的目标舵角值的经时变化。在图示的例子中，使舵角在一个方向(例如右转弯方向)上进行增减，纵轴的原点表示舵机17的中立位置。另外，图9示出第一预测部27所预测出的干扰负荷变动量的经时变化。干扰负荷变动量包括使发动机负荷增加的负荷(为正值的负荷)和使发动机负荷减少的负荷(为负值的负荷)。舵角校正部205计算在预测到使发动机负荷增加的负荷的时点使发动机负荷减少、在预测到使发动机负荷减少的负荷的时点使发动机负荷增加的校正函数。换言之，舵角校正部205计算相位与干扰负荷变动量的波形相反的校正函数。在本方式中，校正函数在各时间的大小与在相同时刻的干扰负荷变动量的大小相同。因而，校正函数具有使干扰负荷变动量相对于横轴呈线对称的波形(在该图中用虚线表示)，用于消除干扰负荷变动量。舵角校正部205针对目标舵角值应用校正函数，来获得用于消除干扰负荷变动量的目标舵角值。在该情况下，不需要百分之百地消除干扰负荷变动量，只要能够将干扰负荷变动量减小到进入预先决定的固定范围内的程度即可。

图10示出校正后的目标舵角值。如图10所示，校正后的目标舵角值是针对校正前的目标舵角值应用与校正函数同样的波形而得到的值。

参照图9和图10，在时刻t1的干扰负荷变动量大于在时刻t2的干扰负荷变动量。对于此，如图10所示，在时刻t1的校正后的舵角小于在时刻t2的校正后的舵角。像这样，在干扰负荷变动量大的时点使舵角减小来使发动机负荷减少，在干扰负荷变动量小的时点使舵角增大来使发动机负荷增加。由此，能够消除干扰负荷变动量，使受到了干扰时的发动机19的负荷的变动接近于零(也就是说，接近于基准负荷)，从而使发动机19的负荷的变动减少。通过使发动机19的负荷的变动减少，能够使发动机19的燃料消耗率减小、也就是说能够使燃料消耗量减少。

可以直接使用上述得到的校正后的目标舵角值来进行操舵，也可以基于通过燃料消耗率、第二预测负荷以及偏离量得到的信息对校正后的目标舵角值进一步校正。

[基于燃料消耗率等高线的控制]

在一个实施方式中，舵角校正部205基于由燃料消耗率计算部201计算出的燃料消耗率来对校正后的目标舵角值进一步校正。在该情况下，在燃料消耗率变差的情况下，舵角校正部205使校正量增大来改善燃料消耗率，在燃料消耗率没有变差或微小地变差的情况下，使校正量为0或减小。使校正量为0是指将基于干扰负荷变动量校正后的目标舵角值恢复为校正前的目标舵角值。另外，使校正量减小是指将目标舵角值设为基于干扰负荷变动量校正后的目标舵角值与校正前的目标舵角值之间的任意值。

参照图7，点a表示当前的发动机状态。点b和点c分别表示与干扰负荷变动量对应地对目标舵角值进行了校正的情况下的规定时点的发动机19的状态。点a和点b位于燃料消耗率等高线上，表示相同的燃料消耗率。在尽管干扰负荷变动量被应用于发动机19但燃料消耗率未从当前的值变差那样的情况下(在发动机状态从点a转变为点b的情况下)，舵角校正部205将校正量校正为0、或者比与预测负荷对应的校正值少的值。另一方面，在施加了干扰负荷变动量时燃料消耗率从当前的值变差的情况下(在从点a转变为点c的情况下)，舵角校正部205对发动机转矩进行校正，来避免燃料消耗率变差。

[基于航路偏离量的控制]

在一个实施方式中，舵角校正部205基于由偏离量计算部209计算出的偏离量来对校正后的目标舵角值进一步校正。在该情况下，舵角校正部205参照当前位置，在偏离指定航路的偏离量为第一偏离阈值以上的情况下，使校正量减小来优先进行向指定航路的返回，在偏离指定航路的偏离量小于第一偏离阈值的情况下，基于校正量来消除干扰负荷变动量。根据干扰负荷变动量的值，使校正后的目标舵角值变小或变大。因而，还考虑到当基于校正后的目标舵角值持续航行时大幅地偏离指定航路的情形。在从指定航路偏离了预先指定的距离(偏离量阈值)以上的情况下，舵角校正部205使校正量减小，使校正量为0、或者将校正量设为比偏离量小于偏离量阈值时的校正量小的值。

另外，舵角校正部205也可以基于预测出的航路的偏离量来对目标舵角值的校正量进一步校正。偏离量计算部209基于位置信息来计算航行中的航路与指定航路的偏离量，预测以校正后的目标舵角值航行的情况下的规定时点的船舶的位置。偏离量计算部预测所预测出的船舶的位置相对于指定航路的偏离量。在偏离量为第二偏离量阈值以上的情况下，舵角校正部205优先进行向指定航路的返回而使目标舵角值的校正量减小，使校正量为0、或者将校正量设为比偏离量小于第二偏离量阈值时的校正量小的值。

[基于目标舵角值的变化量的控制]

在一个实施方式中，舵角校正部205基于目标舵角值的变化量来对校正后的目标舵角值进一步校正。在遵照指定航路的目标舵角值的变化量大(为舵角阈值以上)的情况下，认为船舶200被要求急转弯且遵照指定航路的优先级高。在目标舵角值的变化量为舵角阈值以上的情况下，舵角校正部205使校正后的目标舵角值的校正量减小。此外，能够基于船舶的转弯性能等适当地决定舵角阈值的值。另外，也可以在目标舵角值大的情况下，使校正量减小。

图11是将图10的一部分放大得到的图。在图11中，在时刻t3和t4，目标舵角值的变化量变大，设该变化量为舵角阈值以上。在该情况下，舵角校正部205使紧接着时刻t3和时刻t4之后的校正量减小以接近目标舵角值。也可以在舵角大幅地变化之后经过规定时间后，使校正量复原。

[基于舵角的预测变化量的控制]

在一个实施方式中，舵角校正部205基于第二预测部203的预测结果来对校正后的目标舵角值进一步校正。在该情况下，舵角校正部205考虑由第一预测部27预测出的基于干扰的干扰负荷变动量和由第二预测部203预测出的舵角负荷变动量来对目标舵角值进一步校正。

图12示出根据舵角量校正了校正量时的舵角的经时变化。在图12中，实线表示与图10相关联地说明的校正后的目标舵角值，虚线表示根据舵角对校正后的目标舵角值进一步校正而得到的舵角值。像这样，通过基于第二预测部203的预测结果使校正后的目标舵角值进一步减小，由此使发动机负荷的增减量减少。

图13是示出控制装置23的一系列控制的流程图。当开启自动航行控制时，控制装置23开始一系列处理。在步骤s11中，控制装置23判断当前的发动机输出是否小于输出阈值。能够根据燃料投入量、发动机转数、主机功率计的测量结果来获取发动机19的输出。在发动机19的输出少的情况下，船舶200针对舵角的控制的转弯性低。另一方面，如果发动机输出为固定量以上，则船舶200针对舵角的控制的转弯性变高。负荷阈值是考虑船舶200的转弯性而预先决定的。在发动机19的输出小于负荷阈值的情况下(步骤s11：“是”)，不对目标舵角值进行校正，在步骤s12中，控制装置23按照目标舵角值来控制舵角。

在发动机19的输出为阈值以上的情况下(步骤s11：“否”)，在步骤s13中，控制装置23基于第一预测部27的预测结果来预测干扰负荷变动量。在步骤s14中，控制装置23基于步骤s11的预测结果来校正目标舵角值。在步骤s14中，可以采用基于第一预测部27的预测结果获取到的校正后的目标舵角值、以及基于通过燃料消耗率计算部201等获得的信息进一步校正后的目标舵角值中的任一个。在步骤s15中，控制装置23按照校正后的目标舵角值来控制舵角。

在进行上述一系列处理的期间存在来自舵角指令输入部37的输入的情况下，基于舵角指令输入值来控制舵角。此外，步骤s11中的处理可以在任意的时点进行。

像这样，控制装置23能够基于由第一预测部27得到的干扰负荷变动量来校正目标舵角值。由此，抑制因干扰的影响而引起的发动机19的负荷的变动，使发动机19的负荷保持恒定从而能够降低燃料消耗率。

另外，通过使用如消除干扰负荷变动量那样的校正函数，能够使发动机19的负荷变动微小或为零。

另外，在干扰负荷变动量小于负荷阈值的情况下，不对目标舵角值进行校正，通过按照目标舵角值来控制舵角，能够减少相对于指定航路的偏离。

另外，通过根据目标舵角值的变化量对校正量进一步校正，由此能够在要求急转弯时优先进行船舶200的转弯。

另外，通过使用燃料消耗率计算部201的计算结果，能够进一步降低燃料消耗率。

另外，通过使用偏离量计算部209的计算结果，能够减少相对于指定航路的偏离。

另外，通过使用第二预测部203的预测结果，能够使发动机19的转数更加保持恒定，从而进一步降低燃料消耗率。

另外，通过使用舵角指令输入部37的输入，能够可靠地执行紧急躲避等。

本发明并不限定于上述的实施方式，实施方式的各结构能够在不脱离本发明的宗旨的范围内适当地变更。

在实施方式中，设为控制装置23进行使燃料消耗率[g/kw·h]减小来避免燃料消耗率变差那样的控制。然而，也可以代替燃料消耗率，控制装置23进行基于表示每单位时间的燃料消耗量的燃料消耗量[m³/h]使燃料消耗量减少来避免燃料消耗率变差那样的控制。

可以在预先计算基于干扰的舵角校正的校正函数时加入舵角的预测变化量。