一种船舶智能节油装置及其控制方法与流程

本技术属于船舶推进系统智能控制，更具体地，涉及一种船舶智能节油装置及其控制方法。

背景技术：

1、船舶推进系统通常由柴油主机与可调螺距螺旋桨（cpp）组成，主机转速与螺旋桨螺距的匹配状态直接决定推进效率与燃油消耗。在实际航行中，受限于人工操作能力，驾驶员难以依据实时海况同时精准调节转速与螺距，推进系统常处于高转速、低螺距的非经济工况，导致轴功率利用率低、燃油消耗偏高。

2、现有的节能控制方法通常依据预先建立的离线工况图谱，在固定工况点查表输出控制指令，转速调节与螺距调节之间缺乏相互独立的闭环控制通道，两路调节信号相互耦合，在海况发生变化时易产生控制干扰，且无法根据风浪、吃水等环境参数的实时变化动态分配两路通道的调节优先级，难以保证推进系统在变工况下持续运行于最优效率点。此外，现有节能装置通常需要对原船控制系统进行较大改造，安装实施难度较高，不利于在役船舶的推广应用。

技术实现思路

1、本技术的目的在于提供一种船舶智能节油装置及其控制方法，以解决现有技术中存在的驾驶员手动操控难以同时精准匹配主机转速与螺旋桨螺距导致推进系统长期处于非经济工况、燃油消耗偏高的技术问题，以及现有节能控制方法采用离线工况图谱查表、转速调节与螺距调节相互耦合干扰、无法根据海况变化动态分配双通道调节优先级、现有节能装置需对原船控制系统进行较大改造的技术问题。

2、为了实现上述目的，本技术采用如下技术方案：

3、一种船舶智能节油装置，包括信号采集输入层、智能决策控制层、指令执行层和监控反馈层。所述信号采集输入层用于采集航行参数、环境参数、设备参数和推进参数，为后续优化计算提供全面的实时数据支撑。所述智能决策控制层与所述信号采集输入层连接，用于接收目标航速、恒功率或节油模式指令，基于采集的参数实时迭代计算最优主机转速与螺旋桨螺距组合，并在安全约束范围内生成标准化控制信号；所述智能决策控制层包含上层全局优化器，所述上层全局优化器根据推力需求与油耗目标统一协调转速控制通道与螺距控制通道的输出指令，并根据海况阻力变化动态分配所述转速控制通道与所述螺距控制通道的调节优先级，确保推进系统在变工况下始终运行于最优效率点。所述指令执行层与所述智能决策控制层连接，包括转速控制通道和螺距控制通道，所述转速控制通道与螺距控制通道相互独立、完全解耦，所述转速控制通道通过pid闭环控制向主机遥控系统发送转速调节指令，所述螺距控制通道通过pi闭环控制向可调桨螺距控制系统发送螺距调节指令，两路通道独立执行消除了相互耦合干扰。所述监控反馈层与所述信号采集输入层及所述智能决策控制层连接，用于实时显示航行状态参数、存储航行数据及能耗数据、输出节油报表，并在主机功率、排温、转速或螺距中任一参数超出预设安全边界时，触发安全联锁并自动切换至手动控制模式，同步发出报警提示。

4、进一步地，所述信号采集输入层采集的航行参数包括gps航速、计程仪速度、船舶吃水和纵倾状态；所述环境参数包括风速、风向、浪高、海流速度与方向；所述设备参数包括主机转速、燃油喷射量、排温、缸压、轴功率和扭矩；所述推进参数包括螺距反馈值、螺旋桨运行状态和主机遥控系统信号，多维度参数的全面采集为全局优化寻优提供了充分的输入依据。

5、进一步地，所述智能决策控制层的安全约束包括主机功率上下限、排温上限、主机转速上下限和螺距上下限，所述上层全局优化器在所述安全约束范围内实时迭代计算，迭代周期不超过1秒，遍历主机转速与螺距的组合以搜索最小燃油消耗配对，在保证设备安全的前提下实现燃油消耗最优化。

6、进一步地，所述转速控制通道的pid控制器的比例、积分、微分参数根据柴油机负荷特性曲线自适应调整；所述螺距控制通道的pi控制器的参数根据螺旋桨进速系数自适应调整，参数自适应调整机制使控制器能够在不同工况下保持最优控制性能。

7、进一步地，所述监控反馈层还包括报表输出模块，所述报表输出模块用于按预设统计周期或航次自动生成节油报表及能效分析报告，为船舶运营管理提供量化数据支撑。

8、在一些实施例中，所述船舶智能节油装置还包括与原船推进控制系统连接的标准化接口模块，所述标准化接口模块以叠加方式接入原船主机遥控系统和可调桨螺距执行器，无需改造原船控制系统，并支持随时切回原船控制系统运行，大幅降低了在役船舶的安装改造难度。

9、在一些实施例中，所述船舶智能节油装置还包括驾驶台操作面板，所述驾驶台操作面板通过标准化通信接口与所述智能决策控制层连接，所述驾驶台操作面板设有目标设定开关和模式选择开关，所述模式选择开关包括自动节油模式、恒功率模式和手动模式三种工作模式的切换功能，并实时显示系统运行工况，操作简便直观。

10、在一些实施例中，所述信号采集输入层包括设置于驾驶室的采集箱和设置于集控室的采集箱，所述智能决策控制层包括设置于驾驶室的控制箱和设置于集控室的控制箱，所述集控室采集箱设有接入主机遥控系统、螺距执行器和船舶自动化系统的接口，分布式硬件部署方式与船舶实际布局相适应，便于安装实施。

11、本技术还提供一种船舶智能节油控制方法，包括以下步骤：步骤s1，参数采集，通过多物理量传感模块采集航行参数、环境参数、设备参数和推进参数；步骤s2，推力需求计算，根据设定航速与实际对地航速之差得到航速偏差，结合风浪、吃水阻力参数计算船舶当前所需总螺旋桨推力，并将推力需求转化为轴功率需求；步骤s3，全局优化寻优，构建柴油机比油耗模型和螺旋桨敞水效率模型，在主机安全区间、可调桨机械极限及空化安全边界内遍历主机转速与螺距组合，以燃油消耗量为目标函数，采用迭代寻优算法计算得到最优主机转速rpm_opt和最优螺距pitch_opt，当相邻两次迭代的燃油消耗量变化量低于预设收敛阈值时，确定当前最优配对；步骤s4，双通道解耦执行，转速控制通道通过pid闭环控制驱动主机调速机构执行最优主机转速指令，螺距控制通道通过pi闭环控制驱动可调桨液压调距伺服系统执行最优螺距指令，两通道相互独立执行，上层全局优化器统一协调两路输出以满足推力需求；步骤s5，海况自适应优先级调整，根据风浪、吃水等环境参数的实时变化，动态分配所述转速控制通道与所述螺距控制通道的调节优先级；步骤s6，闭环迭代优化，将执行结果反馈至步骤s1，循环执行步骤s1至步骤s5，实时适配海况变化，保持推进系统持续运行于最优工况点。

12、进一步地，步骤s3中，所述最优主机转速rpm_opt的确定方式为：优先在柴油机最低比油耗工作区间内锁定最优主机转速；所述最优螺距pitch_opt的确定方式为：在已确定的最优主机转速下，通过匹配螺旋桨进速系数使螺旋桨敞水效率最高，该分步确定策略兼顾了主机经济性与螺旋桨推进效率的协同最优。

13、进一步地，步骤s5中，当海况阻力变化量超过预设阈值时，提高所述螺距控制通道的调节优先级以快速响应推力变化；当主机负荷达到额定功率的85%以上时，提高所述转速控制通道的调节优先级以优先保护主机安全，动态优先级分配机制使系统能够在节能与安全之间自动寻优平衡。

14、进一步地，所述控制方法还包括安全联锁步骤：实时监测主机功率、排温、转速和螺距是否超出预设安全边界，当任一参数超出安全边界时，自动暂停优化寻优指令输出，触发安全联锁并切换至手动控制模式，同步发出报警提示，为推进系统提供可靠的安全兜底保障。

15、进一步地，步骤s1中，通过与船舶自动化系统的接口获取主机运行参数，通过传感器获取燃油舱液位及四角吃水，通过导航系统获取风速、船位、船速和水深信息，通过燃油检测系统计量燃油消耗参数，多途径参数采集确保了输入数据的全面性与准确性。

16、进一步地，步骤s1中，通过设置于驾驶室的采集箱采集gps航速、计程仪速度和风速信息，通过设置于集控室的采集箱采集主机运行参数、轴功率和螺距反馈信号，所述集控室采集箱通过接口接入主机遥控系统、螺距执行器和船舶自动化系统。

17、进一步地，步骤s6中，还包括数据记录步骤：全程存储航行数据、能耗数据和设备运行参数，并根据存储数据自动生成节油率统计结果，用于评估推进系统优化效果并指导后续航次的节能策略调整。

18、与现有技术相比，本技术具有如下有益效果：

19、（1）通过构建包含上层全局优化器的智能决策控制层，在主机安全区间、可调桨机械极限及空化安全边界内以每秒迭代的频率实时遍历转速与螺距组合，以燃油消耗量为目标函数在线寻优，替代了传统离线图谱查表方式，使推进系统能够实时跟踪最优工况点，显著降低燃油消耗，节油效果随海况变化持续有效。

20、（2）通过将转速控制通道（pid闭环）与螺距控制通道（pi闭环）设计为相互独立、完全解耦的两条控制通路，消除了现有技术中两路调节信号相互耦合引起的控制干扰，各通道独立响应、精准执行，使主机柴油机稳定工作于最低比油耗区间，螺旋桨持续运行于最高敞水效率工作点，轴功率利用率显著提升，同时减少了转速与螺距的频繁波动，降低了主机热负荷和机械磨损。

21、（3）通过上层全局优化器根据海况阻力变化动态分配转速控制通道与螺距控制通道的调节优先级，在海况阻力突变时优先提高螺距通道响应速度以快速匹配推力需求，在主机高负荷时优先提高转速通道优先级以保护主机安全，实现了节能目标与设备安全的自动协调平衡，提高了系统在复杂变工况下的适应能力。

22、（4）通过标准化接口模块以叠加方式接入原船主机遥控系统和可调桨螺距执行器，无需对原船控制系统进行改造，安装实施便捷，支持随时切回原船控制系统运行，显著降低了在役船舶加装节油装置的工程难度和改造成本，有利于在现役船队中广泛推广应用。

23、（5）通过监控反馈层的安全联锁机制，实时监测主机功率、排温、转速和螺距等关键参数，一旦任一参数超出预设安全边界即自动暂停优化指令、切换手动模式并发出报警，为推进系统提供了可靠的安全兜底保障，有效规避了自动优化控制过程中的设备过载风险。