专利名称：船速控制方法
技术领域：
本发明涉及根据权利要求1的前序部分的船速控制方法。
技术背景内河船舶驱动系统的驱动功率主要取决于吃水深度、水位高度和行 船速度。驾船者根据路程点来设定航线并控制期望抵达时间。于是，设 备控制器结合设定值计算出稳定不变的预期平均速度。为了在燃料消耗尽量少的情况下遵守由驾船者规定的时间计划，DE3230621C2提出，借助级联的控制回路来监测船速，在此控制回路中， 船速控制回路构成外控回路。船速控制回路的被调参数同时是一个下级 的发动机转速内控回路的主导参数。作为船速控制回路的被调参数，测 量对地行驶。使船速控制回路的主导参数即额定船速适应于外界影响， 例如借助雷达发射接收装置获得的河岸全景扫描图的轮廓或者上行或 下行。在此控制回路结构中，在船体下方的水很少的情况下的船吸导致 较低的实际船速，进而造成相应的船速控制偏差。船速控制装置对此做 出反应，即它提高额定转速。提高的额定转速又导致更多的燃料消耗， 结果，控制系统还是无法在所有的运行状态下达到最佳。发明内容因此，本发明的任务是在燃料消耗方面进一步优化上述方法。通过具有权利要求1的特征的船速控制方法来完成该任务。在从属 权利要求中指出了多个实施方案。通过本发明，将使船速适应于水下地貌，其做法是依据水道地貌来 修正作为船速控制回路的主导参数的额定船速。水下地貌以电子河道地 图形式保存在设备控制器中。或者，电子河道地图也可以保存在电子发 动机控制装置中。在水位渐深时，额定船速将被提高，而在水位渐浅时， 额定船速将被降低。本发明的中心构想是有预见性的控制计划，其中在考虑水下地貌的 情况下，在路程点之间有预见性地规定不同的额定船速。因此，如此得到期望平均速度，即在水浅情况下规定较低的额定船速，而在水深情况 下规定较高的额定船速。结果，得到燃料消耗的进一步降低，这是因为 可以明确地使船吸作用对应于浅水区。同样有利的是，4吏船速自动适应 某些法律规定，例如在某些河道段中的船速限制，因为这减轻了驾船者 的负担。
为了更好地评估状况，向驾船者显示备用时间。可允许的备用时间 意味着，在燃料消耗最佳地运行情况下，将在期望抵达时间到达目的地。 不允许的备用时间表明，无法按照所调节出的设定值完成抵达时间，因 而驾船者应该修正设定值。如此计算备用时间，在第一步骤中，结合期 望抵达时间和路程点来计算距离并由此计算出期望平均速度。接着在第 二步骤中，针对在两个路程点之间的航道段计算出额定船速并根据水下 地貌加以修正。在第三步骤中，针对另一个航道段重复进行上述步骤。 接着在第四步骤中，经过修正的额定船速被相加，将总和与期望平均速 度关联起来。
如此得到一种能自适应学习的方法，即经过修正的额定船速、理论 计算出的燃料消耗和实际燃料消耗与水下地貌相关地被存储起来，当再 次经过同一航道段时，所学到的值适当参与到额定船速的确定中。也可 以测量和存储其它影响燃耗的参数如风速，并将其用于预见工作的细 化。总之，使该系统更精确地适应存在的状况是有利的。
附图示出了一个优选实施例，其中
图1是系统概览图2表示级联的控制回路；
图3表示针对行程的额定船速；
图4表示针对行程的水下地貌/水深；
图5表示关于船速的发动机功率曲线图6表示图5的曲线图的一部分。
具体实施例方式
图1表示船舶驱动系统的系统概览图，该船舶驱动系统以机械组件 的形式包括内燃机1、传动装置4、从动轴5和推进器6如可调螺旋桨推进器。在所示的内燃机l中，燃料通过共轨系统被喷入，该共轨系统 的功能性和结构是已知的。内燃机1的工作点由一个电子发动机控制器
2(ECU)根据关于相应调节信号如标志喷油开始/喷油结束的信号ve的输 入参数EIN来定。电子发动机控制器2通过信号线路Sl与设备控制器 7通讯。在设备控制器7上设有图形界面，驾船者借此输入其要求并得 以显示知晓所有信息。驾船者尤其结合路程点、水位、路程点之间的预 期流速、和预期风速来规定吃水深度/纵倾、航行数据或期望抵达时间、 里程。作为其它参数，设备控制器通过GPS系统得到实际位置，通过回 波测距仪得到实际水深。这些数据在整个运行过程中被具体落实。抵达 时间和里程在设备控制器7中被进一步处理。在设备控制器7中存储有 用于不同的水位、载货状态的P/V曲线以及关于已行驶的路程的历史数 据。如果在设备控制器7中存储有关于水下地貌的电子河道地图，则设 备控制器7通过信号线路S1向电子发动机控制器2发送额定船速。
电子传动装置控制器3(GS)通过信号线路S3确定传动装置4的工作 状态，例如前进/倒行或者回转。通过同一信号线路S3，传动装置4的 操纵机构-传感器信号被报告给电子传动装置控制器3。电子传动装置控 制器3通过信号线路S2与设备控制器7通讯。
图2表示级联的控制回路，其包括作为外控回路的船速控制回路8 和作为下级内控回路的发动机转速控制回路9。级联控制回路的特点在 于，外控回路的调节参数同时是内控回路的主导参数。控制回路的输入 参数是水下地貌TOPO、实际位置POS、自适应参数ADAP和期望平均 速度vWD。水下地貌TOPO作为电子河道地图被存储在设备控制器或 电子发动机控制器中。实际位置POS将结合GPS信号在设备控制器中 接受处理。自适应参数ADAP对应于在同一^:道段上过去行驶时所学到 的额定船速。期望平均速度vWD本身由抵达时间和总行程算出。控制 回路的输出参数是发动机转速原始值nMOT、和通过航速仪获得的船速 原始值vS。结合输入参数，额定值设定装置10确定额定船速vSL。在 点A上，该额定船速与实际船速vIST做比较，由此得到船速控制偏差 dv。具有至少PI特性的船速控制器U由船速控制偏差dv来确定调节参 数，在这里是额定转速nSL。额定转速nSL是发动机转速控制回路9的 主导参数。在点B，额定转速nSL与实际转速nIST做比较。这对应于 转速控制偏差dn,该转速控制偏差通过转速控制器12被转换为调节参数ve。通常，转速控制器12以PIDT1控制器的形式构成。调节参数ve 是用于被控系统的输入参数，被控系统如图所示是总被控系统13。总被 控系统13因而包括内燃机1、传动装置4、从动轴5和推进器6。
发动机转速原始值nMOT是总被控系统13的众多输出参数中的一 个，在级联控制回路中相当于副被调参数。通过过滤器如2-旋转过滤器， 发动机转速原始值nMOT被过滤并且作为实际转速nIST被反馈至点B。 借此，内控回路被接通。船速原始值vS是总被控系统13的第二输出参 数，在级联控制回路中相当于被调参数。通过过滤器15,船速原始值 vS被过滤并作为实际船速vIST被反馈至点A。借此，外控制环路也被 接通。
在图3中，以曲线图形式表示关于4亍程s的额定船速。图4对应于 图3，但图4以曲线图形式关于同一行程s示出了水下地貌TOPO和进 而也示出了船下水深。对于这两幅图的其它说明是相同的。在图3中， 以虚线形式表示例如为12.5公里/小时的期望平均速度vWD,其表示上 述控制回路的众多输入参数中的一个。本发明的中心构想是，依据水下 地貌TOPO来4奮正额定船速vSL。在水4交浅的即具有所谓浅水区的航道 段中，额定船速vSL将被降低。在水较深的即具有所谓深水区的航道段 中，额定船速vSL将被提高。
在行程s的笫一航道段A中(区域0至IO公里)，水深只有3.5米。 通过额定值设定装置，图2中的标记10,将结合水下地貌TOPO将额定 船速vSL修正为较小的额定船速vSL,在这里是ll公里/小时。在笫一 航道段A中，额定船速vSL低于期望平均速度vWD。在水深5米的第 二航道段B中(区域10至17公里)，额定船速vSL将被降低，在这里是
12公里/小时。只是在第三航道段c(超过n公里的区域)中，额定船速
vSL被提高超过期望平均速度vWD,这是因为从现在起有足够的水深， 在这里是7米，因而不会再出现船吸。
如这两幅图清楚所示，依据电子河道地图认识水下地貌对减少燃料 消耗是相当重要的。电子河道地图开创了有预见性地调节船速的可能 性，其做法是在浅水区的较低航速通过在深水区的较高航速来补偿。因 为发动机功率此时保持不变，所以与现有技术相比，进一步减少燃料消 耗。
为了更好地评估状况，为驾船者显示出备用时间。可允许的备用时
6间意味着，在燃料消耗最佳地运行下在期望抵达时间到达目的地。不允 许的备用时间表明，无法按照所调节出的设定值完成抵达时间，因此驾 船者应该修正设定值。如此计算备用时间，即在第一步骤中，结合期望 抵达时间和路程点来计算距离并由此计算期望平均速度。接着在第二步 骤中，针对两个路程点之间的4元道段来计算额定船速并且根据水下地貌 加以修正。在第三步骤中，针对另一个航道段重复进行上述步骤。接着 在第四步骤中，经过修正的额定船速被相加，并且将总和与期望平均速 度关联起来。
图5以曲线图表示与船速vS相关的且依据船舶吃水深度和水深的 发动机功率P。第一条线16表示吃水深度为x0且水深为y0时的船舶功 率要求。第二条线17表示水深为yl时(吃水深度不变)的同一船舶。第 二条线17与第一条线16的区别在于水深变化，其中y1々0。第三条线 18表示吃水深度为xl而水深为y0时的船舶功率要求。第四条线19表 示水深为yl时(吃水深度不变)的同一船舶。第四条线19与第三条线18 的区别在于水深变化，其中yl〉y0。对于吃水深度，xl〈x0。从特征线 中，例如从相对第二条线17的第一条线16,可以定性地推导出以下结 论，在水深较大时，为了获得同一船速vS而需要较小的发动机功率P。
图6表示图5所示的局部，但在这里，船舶吃水深度将保持不变。
按照现有技术的方法如下进行在工作点A,船舶以稳定不变的船速v2
航行。工作点A通过配对值v2/Pl来限定并且位于针对第一水深的线Ll
上。船速控制回路的额定值保持不变。较浅的水造成船吸，导致递减的
实际船速。由此出现了递增的船速控制偏差，船速控制器对此做出反应，
即它增大其调节参数，就是说额定发动机转速。发动机转速控制器通过 提高其调节参数而响应于增大的额定发动机转速，结果，最佳将喷入更
多燃^K工作点A因此朝向工作点B方向改变，工作点B通过配对值 v2/P2来限定。工作点B位于其水深小于线Ll的线L2上。由此出现更 高的功率要求，其造成更高的燃料消耗。
按照本发明的方法如下进行设备控制器结合水下地貌识别递减的 水深。较浅的水在此也造成船吸。但由于存储有电子河道地图，所以额 定船速通过额定值设定装置，图2中的标记18，被降低，结果，在发动 机功率不变的情况下，在这里是Pl,船速vS从工作点A转变向工作点 C。工作点C通过配对值vl/Pl来限定并且位于针对比Ll浅的水深的线L2上。如果设备控制器发现深水区，线L3，则额定船速vS又被提高， 结果，船速vS在发动机功率不变的情况下递增。工作点C因而向工作 点D转变，工作点D由配对^直v3/Pl来限定。
结合工作点的这两种方法的对照表明了 ，认识水下地貌对减少燃料 消耗有着重大意义，这是因为在浅水区的较低航速将通过在深水区的较 高航速被补偿，而且这是在发动机功率不变的情况下完成的。这种节约 潜能在图6中用标记dP表示。
此方法的突出优点在于，通过电子河道地图来知晓针对前方河道賴: 的水下地貌，因而可以将船速的有预见性调节用于燃料消耗的优化。1 -内燃机；
2 -电子发动机控制器(ECU);
3- 电子传动装置控制器(GS);
4- 传动装置； 5 -从动轴；
6- 推进器；
7- 设备控制器；
8 -船速控制回路(外控回路)；
9- 发动机转速控制回路(内控回路);
10- 额定速度设定装置； 11 -船速控制器；
12- 转速控制器；
13- #:控系统，总的；
14- 过滤器(转速)；
15- 过滤器(速度)；
16- 第一条线(x0，y0);
17- 第二条线(x0,yl);
18- 第三条线(xl,y0);
19- 第四条线(xl,yl)。
权利要求
1.一种船速控制方法，其中通过作为内控回路的发动机转速控制回路(9)控制发动机转速(nMOT)，通过作为外控回路的船速控制回路(8)控制船速(vS)，并且额定船速(vSL)作为船速控制回路(16)的主导参数依据外信号源被调节，其特征是，额定船速(vSL)依据水下地貌(TOPO)被修正。
2. 根据权利要求1所述的方法，其特征是，额定船速(vSL)随着递 增的水深被提高，或者随着递减的水深;陂降^f氐。
3. 根据权利要求2所述的方法，其特征是，如此计算备用时间，在 笫一步骤中，结合期望抵达时间和距离来计算期望平均速度(vWD),在 第二步骤中，计算两个路程点之间的额定船速(vSL)并根据水下地貌 (TOPO)加以修正，在第三步骤中，按照第二步骤针对另一个局部航段来 计算额定船速，在第四步骤中，经过修正的额定船速被相加，在第五步 骤中，将总和与期望平均速度(vWD)关联起来。
4. 根据权利要求3所述的方法，其特征是，在不允许的备用时间情 况下，要求驾船者进行4氐达时间的修正。
5. 根据权利要求1至4之一所述的方法，其特征是，经过修正的额 定船速(vSL)依据水下地貌(TOPO)被存储起来，并且在再次经过同一4元 道段时，实际的额定船速(vSL)通过与地貌相关的额定船速(ADAP)的存 储值被调节。
6. 根据权利要求1至5之一所述的方法，其特征是，水下地貌(TOPO) 才艮据实际水位高度净皮修正。
7. 根据权利要求1至6之一所述的方法，其特征是，额定流速相对 实际流速的偏差被确定，和/或确定额定水深相对实际水深的偏差并且椐 此修正额定船速(vSL)。
全文摘要
本发明涉及船速控制方法，其中通过作为内控回路的发动机转速控制回路(17)来控制发动机转速(nMOT)，通过作为外控回路的船速控制回路(16)来控制船速(vS)，并且额定船速(vSL)作为船速控制回路(16)的主导参数依据一个外信号源被调节。本发明的特征是，额定船速(vSL)依据水下地貌(TOPO)被修正。
文档编号B63H23/00GK101624093SQ20091014022
公开日2010年1月13日 申请日期2009年7月9日 优先权日2008年7月9日
发明者H·-G·弗赖森, M·赫尔, O·卡默汤斯 申请人:Mtu腓特烈港有限责任公司