水上交通工具的推进系统的控制方法及推进系统与流程

1.本发明涉及水上交通工具的推进系统的控制方法和推进系统。


背景技术：

2.水上交通工具可以在来自推进系统的推力下相对于围绕其的水移动，该推进系统包括一个或更多个旋转箔片轮，旋转箔片轮具有竖直向下延伸的可单独控制的箔片。在单独的箔片俯仰控制的情况下，推进系统通常以相对高的效率工作。该效率基于使用次摆线路径或由可变偏心率和三角函数描述的路径对箔片的俯仰角的优化，次摆线路径取决于具有箔片轮的旋转角和恒定偏心率作为自变量的函数，可变偏心率和三角函数具有箔片轮的旋转角作为自变量。
3.然而，由于现有技术仅执行参数优化，而没有适当地考虑真实世界条件，因此仅针对诸如仅速度或推力的单个操作点获得优化的模型系数的结果。如果需要另一个操作点，则需要再次优化模型系数以获得最佳性能。这是一个冗长的过程，并且最终将需要所有模型系数的数字映射来覆盖整个操作范围。总而言之，这样的过程是不切实际的或者甚至是不可能的，这可能最终会导致效率和推力降低、推进系统的磨损以及高燃料消耗，这进而可能增加污染甚至健康风险。
4.因此，改进将是受欢迎的。
5.简要说明
6.本发明寻求提供控制的改进。
7.本发明由独立权利要求限定。在从属权利要求中限定了实施方式。
8.附图列表
9.下面将参照附图仅以示例的方式描述本发明的示例实施方式，在附图中：
10.图1示出了水上交通工具的示例；
11.图2示出了推进系统的示例；
12.图3示出了对称平滑方波和非对称平滑方波的示例；
13.图4示出了在任意箔片位置处以角速度旋转的箔片的示例；
14.图5示出了邻近至少一个箔片定位计算探头或传感器的示例；
15.图6示出了瞬时箔片效率、目标攻角和实际攻角的示例；
16.图7示出了箔片相对于箔片轮的旋转角的俯仰角轨迹的示例；以及
17.图8示出了控制方法的流程图的示例。
具体实施方式
18.以下实施方式仅是示例。尽管说明书可能在若干位置引用“一个”实施方式，但这不一定意味着每个这样的引用是指相同的实施方式，或者该特征仅适用于单个实施方式。不同实施方式的单个特征也可以被组合以提供其他实施方式。此外，词语“包括”和“包含”应被理解为不将所描述的实施方式限制为仅由已经提及的这些特征组成，并且这样的实施
方式还可以包含未具体提及的特征/结构。如果实施方式的所有组合不导致结构或逻辑矛盾，则认为它们的组合是可能的。
19.应当注意，虽然附图示出了各种实施方式，但是它们是仅示出一些结构和/或功能实体的简化图。图中所示的连接可以指逻辑或物理连接。对于本领域技术人员明显的是，所描述的装置和/或系统还可以包括除附图和文本中所描述的功能和结构之外的其他功能和结构。应当理解，用于测量和/或控制的一些功能、结构和信令的细节与实际发明无关。因此，此处不需要更详细地讨论它们。
20.图1示出了具有推进系统102的水上交通工具100(在图1中仅部分地示出水上交通工具)的示例，推进系统102包括两个推进子系统104、104'。通常，推进系统102可以包括一个或更多个推进子系统104、104'。水上交通工具可以包括运输船和客船。运输船可以包括例如货船和集装箱。另外，水上交通工具可以指渔船、如拖轮和供应船的勤务船、以及军舰。此外，水上交通工具可以用作渡船和潜艇。
21.推进子系统104、104'分别包括箔片轮106、106'。箔片轮106、106'分别又包括至少一个箔片108、108'。箔片108、108'是从箔片轮106、106'向下延伸的叶片。箔片108、108'中的至少一个是单独可控制的并且以可旋转的方式与箔片轮106、106'附接。通常，所有箔片108、108'以相对于箔片轮106、106'可旋转的方式单独可控制。
22.如图1的示例所示，轮发动机系统120可以通过机械动力传输而为多个推进子系统104、104'所共用。
23.图2示出了推进系统102包括一个箔片轮106的示例。也就是说，推进系统102可以对应于推进子系统104、104'中的一个。另外，推进系统102包括致动器装置110和控制器112。控制器112可以为所有推进子系统104、104'所共用(参见图1)，或者控制器112可以包括用于多个推进子系统104、104'中的每一个的子控制器(这种可能性在图2中示出，尽管图2中的控制器112也可以用于多个箔片轮)。
24.控制器112包括一个或更多个处理器114以及包括计算机程序代码的一个或更多个存储器116。一个或更多个存储器116和计算机程序代码使控制器112与一个或更多个处理器114一起基于与至少一个箔片108机械连接的箔片轮106的旋转角θ以及角度可变的尾流场w来形成关于至少一个箔片108的俯仰角γ(θ，t)的数据，该角度可变的尾流场w自然地还取决于时间并且影响至少一个箔片108，角度相关性来自于箔片轮106的旋转角θ。这可以在数学上表达为：γ(θ(t))＝j(θ(t)，w(θ(t))或更短γ(θ)＝j(θ，w(θ))，其中j是对箔片108、108'的俯仰角γ(θ)建模的函数或运算，t是时间，并且箔片轮106的旋转角θ和w(θ(t))(即时间上可变的尾流场w)是其自变量。
25.箔片的俯仰角γ(θ)也可以称为箔片俯仰轨迹，因为其是箔片轮的旋转角θ的函数并且其形成曲线(参见图3)。尾流场w可以被确定为水相对于水上交通工具100的速度场。尾流场w可以被认为是指水的层流场或湍流场。尾流场w可以由相同或不同的箔片轮106的至少一个箔片108、一个或更多个箔片108、108'和/或水上交通工具100的船体引起。另外，尾流场w可以由水中的水流引起，水流具有不同于水上交通工具100本身的来源。水中的水流可以由河流、潮汐、其他水上交通工具和/或风产生。由于水下的底部形状，水中的水流也可以变化并引起可变的尾流场w，尽管这不是水流的来源。在现有技术中，用于控制俯仰角γ(θ)的模型与基础物理没有直接联系。通过在模型中结合尾流场w，可以找到对推进系统102
的任何箔片的更实际的控制。
26.然后，控制器112将关于俯仰角γ(θ)的数据传送至致动器装置110，致动器装置110基于由控制器112形成的数据以俯仰角γ(θ)设置至少一个箔片108。数据可以包括俯仰角的参数和/或俯仰角的至少一个值。致动器装置110可以包括用于至少一个箔片108中的每一个的电动马达装置ar。电动马达装置ar可以包括调节器和电动马达，该电动马达根据来自调节器的俯仰角γ(θ)使与其机械连接的箔片转动，该调节器从控制器112接收关于俯仰角γ(θ)的数据。针对图2的箔片轮106和箔片108所说明的内容也可以相应地应用于图1中的箔片轮106'和箔片108'。
27.代替每个操作点的若干cfd(计算流体动力学)模拟和所有模型系数的数值映射的冗长过程，最佳俯仰角可以在直行操作中同时产生高效率和小(与推力相比)侧向力。也就是说，可以一起解决这两个问题。这个新的例程在船的尾流中产生箔片的最佳俯仰角，这与现有技术的仅局限于开放水条件的参数优化不同。
28.控制器112还可以控制轮发动机系统120的驱动器118。轮发动机系统120可以包括发动机，该发动机可以包括电动发动机；诸如柴油发动机、汽油发动机或燃气发动机的燃烧发动机；以及可能的机械变速箱。控制器112可以向驱动器118发送命令，驱动器118然后可以控制轮马达120的旋转速度和/或旋转方向。轮发动机系统120直接或通过变速箱使箔片轮106旋转。然而，轮发动机系统120的这些类型的细节与实际的发明不太相关，并且本领域技术人员熟悉各种轮发动机系统120本身。因此，此处不对它们进行更详细的讨论。如图2的示例所示，推进子系统104、104'中的每一个可以具有其自己的轮发动机系统120。
29.在实施方式中，控制器112可以与至少一个传感器122连接，当水上交通工具100例如在海、河或湖上运行时，至少一个传感器测量水中的尾流场w。然后，至少一个传感器122可以以有线方式或无线方式将关于尾流场w的数据传送至控制器112。至少一个传感器122相对于至少一个箔片108适当地定位，以测量作为时间和位置的函数的、影响至少一个箔片108中的每一个的尾流场w(还参见图5及其描述)。控制器112可以基于由至少一个传感器122测量的值形成对在至少一个箔片处和/或与至少一个箔邻近的尾流场w的估计。
30.在实施方式中，尾流场w可以基于对由水中的推进系统102引起的围绕并影响至少一个箔片108的水运动的模拟(也参见图5及其描述)。因此，尾流场w可以基于对由一个或更多个箔片108、108'引起的围绕并影响至少一个箔片108的水运动的模拟。
31.如已经说明的，水上交通工具100的推进系统102可以由控制器112控制，控制器112基于箔片轮106的旋转角θ和影响至少一个箔片108、108'的时间可变尾流场w形成关于至少一个箔片108、108'的俯仰角γ(θ)的数据。除了时间依赖性之外，影响至少一个箔片108、108'的尾流场w的强度是位置依赖性的，这就是为什么控制器112重复地或连续地提供关于俯仰角γ(θ)的新数据以调整至少一个箔片108、108'的俯仰角的原因。当箔片轮106旋转时，箔片轮106的旋转角θ也随时间变化。
32.在实施方式中，控制器112可以在至少部分地由推进系统102的推进引起的尾流场w的影响下形成关于至少一个箔片108、108'的俯仰角γ(θ)的数据。尾流场w可能由箔片108、108'和/或箔片轮106、106'引起。
33.在实施方式中，控制器112可以在至少部分地由至少一个其他箔片引起的尾流场w的影响下形成关于箔片的俯仰角γ(θ)的数据。在该示例中，至少一个其他箔片和针对其形
成关于俯仰角γ(θ)的数据的箔片108附接至相同的箔片轮106。此处，至少一个其他箔片是与针对其形成关于俯仰角γ(θ)的数据的箔片不同的箔片。
34.在实施方式中，控制器112可以在至少部分地由水上交通工具100的船体引起的尾流场w的影响下形成关于至少一个箔片108的俯仰角γ(θ)的数据。即，水上交通工具100的运动也引起水的运动，例如围绕和邻近水上交通工具100的水流或溪流。
35.在实施方式中，控制器112可以在至少部分地由水上交通工具100的环境引起的尾流场w的影响下形成关于至少一个箔片的俯仰角γ(θ)的数据。该环境可以包括以下中的至少一个：河流、潮汐、至少一个其他水上交通工具、风和/或水下的底部形状。虽然风不直接引起尾流场w的一部分，但是风会使水作为可以在尾流场w中考虑的水流或溪流移动。
36.在实施方式中，控制器112可以形成关于多个箔片108中的每一个的俯仰角γ(θ)的数据，这些箔片是单独可控制的并且以可旋转的方式附接至箔片轮106。也就是说，可以控制推进系统102的所有箔片108、108'。
37.在实施方式中，控制器112可以在至少部分地由推进系统102的多个推进子系统104、104'引起的尾流场w的影响下形成关于至少一个箔片108的俯仰角γ(θ)的数据，推进子系统104、104'包括与之附接的箔片108、108'，包括至少一个箔片。
38.在实施方式中，控制器112可以形成关于至少一个箔片108的俯仰角γ(θ)的数据，同时针对箔片轮106的最大化旋转长度将至少一个箔片108的绝对攻角α保持为在公差内恒定。术语绝对值(也可以称为模量)是指攻角α的非负值，而与其符号无关。在数学上，攻角α的绝对值可以写为|α|。该公差又可以是预定的。该公差可以替选地或附加地取决于数据处理的分辨率、机械设置和/或可允许的机械限制或限制的变化。例如，该公差可以是这些的任意组合等。在实施方式中，控制器112可以形成关于至少一个箔片108的俯仰角γ(θ)的数据，同时针对箔片轮106的最大化旋转长度将至少一个箔片108的攻角α保持在替选常数，这些常数具有相反的符号。例如，该攻角可以应用于对称方波目标。攻角α可以是由模型形成的估计，或者攻角α可以是测量值。
39.在现有技术中，箔片的基本俯仰角已经由用于控制箔片的俯仰角的次摆线路径来描述其中atan()是正切函数的反函数，γ是相对于x轴(行进方向，参见图3)的箔片俯仰角，θ是从x轴逆时针测量的箔片轮旋转角，并且r
+
是偏心率(在这种现有技术示例中是常数)。假定箔片轮106、106'以角速度ω在正θ方向上旋转。利用次摆线箔片俯仰轨迹获得的计算(利用cfd)效率约为η＝0.8。在另一现有技术示例中，箔片的俯仰角具有作为箔片轮旋转角θ的函数的变化的偏心率r
+
，并且在假定的函数形式中找到最优系数r
+
、a1、a2、α1和α2。通过这种优化，未对所产生的推力设置限制。该模型的箔片的改进俯仰角不遵循次摆线公式，而是直接作为一系列三角函数来给出箔片俯仰角：在给定的推力目标的情况下，振幅cn和相位角被优化以用于最佳效率。因此，该方法比先前的用于单个箔片的方法更通用。然而，上述优化方法和现有技术的优化两者通常具有相同的限制：与基础物理没有直接联系，因此它们不考虑尾流场w，现在可以以下面的方式考虑尾流场w。
40.可以认为相对于入射流横向运动的箔片轮廓具有产生峰效率的单个攻角。因此，在这样的实施方式中，如图3所示，对于攻角α的平滑方波目标函数，可以以允许角度符号交替的方式形成关于至少一个箔片108、108
′
的俯仰角γ(θ)的数据，同时针对最大化旋转长度保持至少一个箔片108、108
′
的攻角α接近该最优恒定值。在实施方式中，针对最大化的旋转长度将至少一个箔片108、108
′
的攻角α保持在最优恒定值。在实施方式中，针对最大化旋转长度，将至少一个箔片108、108
′
的攻角α保持在距最优恒定值的预定范围内。长度的最大化可以包括在模型函数中，或者最大化可以由执行模型函数的最大化的最大化算子引起。具有恒定的附接角的箔片轮106、106的
′
旋转长度的最大化本身是现有技术。
41.在实施方式中，最优攻角α可以致使峰效率高达η＝0.9，并且随着角度更小和更大，效率逐渐减小。另一方面，攻角α在箔片轮106、106
′
的整个箔片旋转(360
°
)上不能明显恒定，但是为了产生正推力，攻角α在箔片108、108
′
沿正y方向(前侧)移动时为正，在箔片108、108
′
沿负y方向(后侧)移动时为负。针对目标攻角α
target
的基础形状提出平滑方波ssw：
[0042][0043]
其中，ssw是在图3中使用虚曲线呈现了具有示例性振幅a＝14
°
和b＝1
°
的轮廓。可以在实施方式中详细说明将这种非对称平滑方波用于侧向力调整(参见图6及其相关的描述)。图3中的实线是指对称的ssw，a＝15
°
，b＝0
°
的示例。
[0044]
图4示出了箔片108在任意箔片位置以角速度ω旋转示例，该任意箔片位置表达为箔片轮106的旋转角θ的函数。可以形成关于箔片108、108
′
的俯仰角γ(θ)的数据，使得尽可能接近地获得目标攻角α(具有选择的振幅)。在数学上，该情况可以以下述方式表征，例如：
[0045]
vr＝vin-ωr
[0046]
vr，x＝vx-ωrx＝vx+ωr*sin(θ)
[0047]
vr，y＝vy-ωry＝vy-ωr*cos(θ)
[0048]
β(θ)＝atan(vr，y/vr,x)
[0049]
γ(θ)＝β(θ)-α(θ)，
[0050]
其中，atan()是反正切函数(也称为弧正切函数)，α(θ)是攻角，β(θ)是相对速度角，γ(θ)是箔片的俯仰角，vr是相对速度，vin是水的空间可变流入速度(即尾流场w)，ωr是箔片速度，ω是箔片轮的角速度，并且r是箔片轮的半径。相对于箔片轮的流入速度vin和箔片围绕箔片轮的旋转速度ωr构成朝向箔片的相对速度vr＝vin-ωr。注意，由于来自水上交通工具的外部尾流场w和/或由箔片本身引起的尾流场w，可以假设vin和因此的vr都随箔片轮的旋转角θ而变化。该相对速度与x轴形成角β(θ)。当箔片的俯仰角为γ(θ)时，流相对于箔片的角(即攻角)变为α(θ)＝β(θ)-γ(θ)，其等于等式γ(θ)＝β(θ)-α(θ)。写出相对速度流角β(θ)和(对称的)目标攻角α(θ)，可以将箔片108、108
′
的俯仰角γ(θ)写为
[0051][0052]
或者更方便地，通过用箔片轮旋转速度ωr缩放(scale)相对速度分量(缩放是可
选的)：
[0053][0054]
其中，和是沿坐标系x和y方向的尾流场w的流入速度vin的缩放贡献或分量。例如，可以经由粒子图像测速(piv)从实际装置获得尾流场w的贡献。
[0055]
尽管可以利用至少一个传感器122进行测量，但是不仅需要作为θ函数的尾流场w，而且恰好在同一时刻还需要箔片轮106、106
′
的角度θ的事实可能使其具有挑战性。在实施方式中，可以从cfd模拟中记录尾流场w的贡献。这可以通过邻近箔片108、108
′
放置计算探头500使其跟随箔片轮106、106
′
的旋转来实现。在实施方式中，计算探头没有箔片俯仰，并且可以相对于计算探头跟随的箔片的枢轴点保持静止。在该实施方式中，从枢轴点指向探头的矢量总是平行于x轴。在图5中示出了将计算探头500定位在不同箔片位置的示例。
[0056]
探头500和与其邻近的相应箔片108之间的距离dd可以使得探头500不太靠近箔片108，从而箔片自身过多地干扰与其邻近的流并且不太远，使得在探头500和与其邻近的箔片处的水运动速度之间的相关性保持较高。在实施方式中，合适的距离dd可以是枢轴点前方的约3/4弦长。更一般地，距离dd的范围例如可以为约0.5弦长到约1弦长。原则上，尾流场w应该表示在箔片的跨度上(z方向上的平均值)，但是为了简单起见，可以假设约中间的单个点就足够了。在测量尾流场w的情况下，可以将至少一个传感器122放置在与计算探头500对应的位置。
[0057]
尾流场w贡献可以具有相当复杂的形状。
[0058]
在实施方式中，可以在cfd模拟中连续地迭代尾流场w的贡献。控制系统，特别是pid(比例积分微分)控制系统，需要具有至少一个连续微分的连续分析函数。如果从cfd模拟或从由至少一个传感器122执行的测量在δθ＝1
°
的间隔处(即在箔片轮106、106
′
的360
°
旋转的每一度处)收集尾流场w，则可以利用离散傅立叶变换来形成基于连续三角函数的良好模型，对于每个尾流贡献具有总共360(全旋转)项。
[0059]
然而，将关于尾流场w的这种数据量馈送到真实机器的控制系统可能是不切实际的。此外，真实的尾流场w可能在所有细节上与模拟不相似。因此，在实施方式中，可以仅保留来自尾流场贡献的傅立叶级数表示的恒定平均项和/或几个最低频率正弦项和余弦项。例如，三个最低频率正弦项和余弦项可能就足够了。然后，例如，可以在控制器112中根据式(2a)或式(2b)来处理这些截断函数。基于这种算法，控制器112可以在新的cfd模拟中形成关于箔片的俯仰角的数据。由于尾流场w还取决于箔片的俯仰角，因此这可以在实施方式中迭代地进行。迭代过程可以如下执行：
[0060]
1)用和初始化式(2b)中的箔片的俯仰角
[0061]
2)获得收敛的cfd解并且记录实际和
[0062]
3)通过保持常数和仅几个正弦项和余弦项形成傅立叶级数表示
[0063]
4)将截断的傅立叶级数表示和馈送到式(1)
[0064]
5)获得新的收敛cfd解并且记录新的实际和
[0065]
6)形成新的截断的傅立叶级数表示和
[0066]
7)通过与前一轮和求平均来降低松弛度以避免过冲
[0067]
8)返回至步骤4)。
[0068]
在步骤7)中，应该避免太大的变化(即过冲)，因为新的迭代俯仰函数也会改变测量的和并且大的过冲将减慢或甚至阻止迭代过程的收敛。在实施方式中，只有步骤1)至步骤8)的两轮迭代可能是足够的，因为超过该轮，变化通常变成临界的。在图6及其解释中呈现了截断的尾流场w的贡献与实际尾流场w的贡献的比较。
[0069]
在实施方式中，尽管攻角α(θ)对于围绕箔片轮106、106
′
的旋转的最大化长度保持恒定，并且关于俯仰角γ(θ)的数据被迭代到单个设计点(速度和rpm)，但是尾流场w的贡献和在式(1)中可以是固定的，其确定箔片108、108
′
的俯仰角γ(θ)。然后，无论速度和rpm(每分钟的旋转)如何，箔片的俯仰轨迹都是固定的，并且箔片轮106、106
′
的作用类似于固定俯仰螺旋桨(或具有恒定偏心率的次摆线箔片轮)。如果假设rpm是恒定的，则在低速时，实际攻角α(θ)大，并且获得具有降低的效率的高推力。当速度向设计(design)速度增加时，实际攻角α(θ)接近目标行为，并且恢复了高效率。
[0070]
然而，在实施方式中也可以改善这种行为。现在将缩放的尾流场分解为和
[0071][0072]
其中，缩放的尾流场被表达为在没有箔片轮106、106
′
的情况下的未受干扰的贡献(其为在水上交通工具100处于自推进情况下的真实的或模拟的贡献)与由箔片108、108
′
引起的额外的贡献之和。
[0073]
由于容易获得未受干扰的速度和rpm，所以可以直接获得尾流场的未受干扰的贡献在实施方式中，可以假设尾流场w的引起的尺寸贡献v
xy，ind
的速度局部地(在任何给定θ处)与轮旋转速度ωr成正比。可以合理地假设所引起的速度实际上与引起其的速度成比例。在这种假设下，尾流场w的缩放引起贡献是局部恒定的(locally constant)，但是相对于箔片轮106的旋转角θ仍然是可变的：
[0074][0075]
这意味着对于围绕箔片轮106的旋转轴的每次旋转，尾流场w的缩放引起贡献周期地相同。因此，通过确定在设计速度和rpm下的缩放的尾流场，可以使用式(3)和式(4)来重构在任何其他操作点处的尾流场w的合理估计。式(4)是近似的，但是总体上重构的尾流场w将在任意操作点处给出与目标攻角α(θ)的接近匹配。利用重构的尾流场w，可以在宽范围的操作点上获得高效率。
[0076]
尽管攻角α(θ)沿箔片轮106、106'的最大化旋转长度是恒定的，但是箔片的俯仰角可以减小侧向力。在实施方式中，可以修改目标攻角α(θ)，以将侧向力调整为零或较大的值。在实施方式中，可以将侧向力调整到较大值，以引导水上交通工具100转向。然而，从转向的角度来看，可能期望推进系统102在直行条件下具有零或仅具有弱的侧向力。瞬时推力和侧向力二者都取决于相应的攻角α(θ)。远低于失速角时，较大的攻角α(θ)使二者都增大。
[0077]
例如，在恒定
±
15
°
攻角的情况下，净侧向力是正的，并且通过增大前侧(约θ＝0/360
°
)攻角或减小后侧(约θ＝180
°
)攻角，正的净侧向力将减小。为此，可以将非对称恒定攻角(式(1))插入到式(2a)或式(2b)中以代替对称恒定攻角，并且例如设置a＝14
°
和b＝1
°
。可以获得非对称平滑方波，其在前侧具有近似恒定的值+15
°
，在后侧具有近似恒定的值-13
°
(参见图3)。为了补偿由于后侧上较小的攻角引起的推力损失，可以增加旋转速率。利用这些设置，重复用于获得近似尾流场w的迭代过程。在图6中呈现了所得到的实际攻角α(θ)与目标攻角α(θ)
target
以及瞬时箔片效率的示例。同样，实际攻角α(θ)非常好地跟随目标攻角α(θ)
target
，并且保持了高效率水平。性能结果表现如预期。在该优化示例中，与现有技术相比，效率进一步提高并且侧向力减小，但是推力略微减小。可以通过旋转速率的进一步增加或通过稍微向下调整非对称性来补偿减小的推力，比方说a＝14.1和b＝0.9
°
。表1列出了该+15
°
/-13
°
非对称恒定攻角情况的中心性能数据。作为参考，表2列出了对称+15
°
/-15
°
恒定攻角情况的相应性能数据。
[0078]
表1.非对称恒定攻角(+15
°
/-13
°
)的示例的性能
[0079]
p(mw)fx(kn)fy(kn)ηd(m)rpmα(
°
)1.838164.2-7.00.8503.038.14+15/-13
[0080]
在表1和表2中，p表示功率，fx和fy是在正交轴x和y的方向上的力，η表示推进系统的效率，d表示箔片轮的直径，rpm表示箔片轮的每分钟转数并且α表示攻角。
[0081]
表2.恒定攻角(
±
15
°
)箔片俯仰轨迹情况的性能
[0082]
p[mw]fx[kn]fy[kn]ηd[m]rpmα1.933172.328.50.8493.037.14
±
15
°
[0083]
通过用尾流场w优化俯仰角γ(θ)，在直行传播时产生高效率和小侧向力。
[0084]
包括局部可变尾流场w使得能够实现甚至非常高的约85％的效率。除了恒定攻角公式之外，还可以通过将俯仰函数γ(θ)表示为一系列周期函数并且通过使用局部可变尾流场w作为优化的输入来优化系数来实现类似的效率水平。以这种方式，基础物理可以更广泛地与优化相关联，从而使得能够更普遍地达到高效率。
[0085]
作为俯仰角γ(θ)的优化的示例，它可以以下面的方式用数学形式表达。用x＝(x1，...，xn)表示俯仰函数参数，其可以被认为是与俯仰角相关的数据，用e表示目标函数，用c表示约束函数。当控制器112执行该算法时，参数x、目标函数e和约束函数c可以被认为是矢量。可以如下描述优化问题：
[0086]
使用max运算符max e(x)使目标函数最大化或对目标函数进行优化。约束函数受到cu≥c(x)≥c
l
的限制，其中，cu和c
l
分别是c的上限和下限。
[0087]
俯仰函数参数可能具有以下限制：x
l
≤x≤xu，其中，x
l
和xu分别是x的下限和上限。
[0088]
此处，目标函数e和约束函数c涉及箔片轮性能变量，例如推力、侧向力和效率。优化目标可以通过对推力的约束(c)使效率(e)最大化；或者以大于设置值的效率(c)使推力
(e)最大化。
[0089]
可以从俯仰函数参数x计算俯仰角γ(θ)：γ(θ)＝f(x)，其中f(x)是具有k个连续导数的角位置的周期函数，其中k≥2，以具有平滑曲线并且考虑到叶片马达的力矩限制而避免叶片取向的快速变化。例如，可以使用至少一个样条函数来表达周期函数f(x)。样条函数是可以由多项式以分段方式定义的函数。周期函数f(x)可以包括至少一个初等函数，至少一个初等函数例如是至少两倍可导出的。
[0090]
当在优化中包括尾流场w时，可以如下执行优化问题。使用max运算符max e(x，w)使目标函数e最大化或对目标函数e进行优化。约束函数受到cu≥c(x)≥c
l
的限制，其中cu和c
l
分别是c的上限和下限，cu≥c(x)≥c
l
，其中cu和c
l
分别是c的上限和下限。对俯仰函数参数的限制取决于最终的运算条件和应用。例如，对于正常的次摆线式运算，得出的攻角应当根据失速模式进行限制。
[0091]
在实施方式中，在具有或不具有运算要求和/或约束的情况下，控制器112可以通过优化由俯仰角γ(θ)的一组二阶连续周期函数形成的模型的效率和/或推力来形成关于俯仰角γ(θ)的数据，该俯仰角γ(θ)的一组二阶连续周期函数具有攻角α和尾流场w作为其自变量。二阶连续周期函数是指具有一阶导数和二阶导数的函数。
[0092]
在实施方式中，控制器112可以通过使由俯仰角γ(θ)的一组二阶连续周期函数形成的模型的效率和/或推力最大化来形成关于俯仰角γ(θ)的数据。
[0093]
在实施方式中，控制器112可以接收或具有关于例如水上运输工具100的位置、其他水上运输工具、风力状况和/或潮汐的可用数据，并且控制器112可以在俯仰角γ(θ)的形成中利用所接收的数据。关于位置的数据可以包括关于由该位置附近的一条或多条河流引起的水流的信息和/或该位置的底部的地图，并且控制器112可以基于它们中的至少一个来估计尾流场w。控制器112可以另外地或替选地基于风力状况和/或潮汐状况来估计尾流场w。
[0094]
当以上面说明的方式形成俯仰角γ(θ)时，俯仰角γ(θ)变得非传统的，并且可以实现最佳的流体动力学性能。图7以任意但通用的比例示出了箔片相对于箔片轮的旋转角的俯仰角轨迹的示例。x轴表示箔片轮的旋转角θ，y轴表示俯仰角γ。可以看出，在该文献中说明的新方法可能产生与常规的摆线箔片俯仰轨迹不同的轨迹。
[0095]
图8是控制方法的流程图。在步骤800中，由控制器112基于箔片轮106、106
′
的旋转角θ和影响至少一个箔片108、108
′
的角度可变尾流场w(θ)，形成关于至少一个箔片108、108
′
的俯仰角γ(θ)的数据，至少一个箔片108、108
′
是单独可控制的并且以可旋转的方式与箔片轮106、106
′
附接。在步骤802中，通过接收来自控制器112的数据的致动器装置110，基于该数据以俯仰角γ(θ)设置至少一个箔片108、108
′
。
[0096]
图7所示的方法可以实现为逻辑电路解决方案或计算机程序。计算机程序可以被放置在用于其分发的计算机程序分发装置上。计算机程序分发装置可由数据处理装置读取，并且其对计算机程序命令进行编码，执行测量，并且可选地基于测量来控制过程。
[0097]
可以使用分发介质来分发计算机程序，该分发介质可以是控制器可读的任何介质。该介质可以是程序存储介质、存储器、软件分发包或压缩软件包。在一些情况下，可以使用以下中的至少一个来执行分发：近场通信信号、短距离信号和电信信号。
[0098]
作为尾流场w的函数的箔片轨迹的俯仰角的形成的改进和益处可以如下。在形成
俯仰角期间，对于箔片轮的最大化旋转长度，攻角可以保持恒定或在恒定范围内。
[0099]
1)高达η＝0.85的高效率增益；
[0100]
2)与物理(尾流场)的直接关联允许在整个工作范围上利用设计点参数，这与参数优化的俯仰轨迹不同；
[0101]
3)参数优化轨迹的最优性能被限制在开放水条件下，而当从cfd模拟或测量中记录所利用的尾流场时，附着轨迹的恒定角对于水上交通工具变得最优；
[0102]
4)在直行操作中将侧向力调整到零而不损失效率(具有非对称攻角α
target
)的能力；
[0103]
5)避免推力和效率(攻角控制)中的流动分离/失速诱导损失；
[0104]
6)简单地通过增加攻角α
target
的振幅(不超过失速角)来获得“高推力”模式。
[0105]
对于本领域技术人员明显的是，随着技术的进步，本发明的构思可以以各种方式实现。本发明及其实施方式不限于上述示例实施方式，并且可以在权利要求的范围内变化。

技术特征：
1.一种控制水上交通工具(100)的推进系统(102)的方法，其特征在于，由控制器(112)基于箔片轮(106，106')的旋转角(θ)和影响至少一个箔片(108，108')的角度可变的尾流场(w(θ))来形成(800)关于所述至少一个箔片(108，108')的俯仰角(γ(θ))的数据，所述至少一个箔片(108，108')是单独可控制的并且以可旋转的方式与所述箔片轮(106，106')附接；以及通过接收来自所述控制器(112)的数据的致动器装置(110)，基于所述数据以所述俯仰角(γ(θ))设置(802)所述至少一个箔片(108，108')。2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在由所述推进系统(102)的推进引起的尾流场(w)的影响下形成关于所述至少一个箔片(108，108')的所述俯仰角(γ(θ))的数据。3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，在由至少一个其他箔片(108)引起的尾流场(w)的影响下形成关于所述至少一个箔片(108)中的箔片的所述俯仰角(γ(θ))的数据，所述至少一个其他箔片(108)与针对其形成关于所述俯仰角的数据的所述箔片不同，所述至少一个箔片(108)附接至所述箔片轮(106)，所述箔片轮(106)还附接至针对其形成关于所述俯仰角的数据的所述箔片。4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在由所述水上交通工具(100)的船体引起的所述尾流场(w)的影响下形成关于所述至少一个箔片(108)的所述俯仰角(γ(θ))的数据。5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在由所述水上交通工具(100)的环境引起的所述尾流场(w)的影响下，形成关于所述至少一个箔片(108)的所述俯仰角(γ(θ))的数据。6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，形成关于单独可控制并且以可旋转的方式与所述箔片轮(106)附接的多个箔片(108)中的每一个的所述俯仰角(γ(θ))的数据。7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在由所述推进系统(102)的多个推进子系统(104，104')引起的所述尾流场(w)的影响下形成关于所述至少一个箔片(108，108')的所述俯仰角(γ(θ))的数据，所述推进子系统(104，104')包括与之附接的箔片(108，108')，包括所述至少一个箔片(108，108')。8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述尾流场(w)基于所述推进系统(102)在水中的模拟。9.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，当所述水上交通工具(100)在水中时，利用至少一个传感器(122)测量所述尾流场(w)，并且将关于所述尾流场(w)的数据传送至所述控制器(112)。10.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，形成关于所述至少一个箔片(108，108')的所述俯仰角(γ(θ))的数据，同时针对所述箔片轮(106，106')的最大化旋转长度将所述至少一个箔片(108，108')的绝对攻角(α)保持为在公差内恒定。11.根据权利要求1或10所述的方法，其特征在于，形成关于所述至少一个箔片(108，108')的俯仰角(γ(θ))的数据，同时针对所述箔片轮(106，106')的最大化旋转长度将所述至少一个箔片(108，108')的攻角(α)保持为公差内的两个替选常数，所述常数具有相反的符号。12.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，将缩放的尾流场分解成未受干扰的贡献
()和由所述箔片(108，108')引起的额外贡献之和；将由每个箔片(108，108')引起的引起缩放贡献设置为恒定的；以及基于局部恒定的所述引起缩放贡献来确定所述尾流场(w)的近似。13.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，通过在具有或不具有运算要求和/或约束的情况下优化由所述俯仰角(γ(θ))、攻角(α)和所述尾流场(w)的一组二阶连续周期函数形成的模型的效率和/或推力来形成关于所述俯仰角(γ(θ))的数据。14.一种水上交通工具(100)的推进系统(102)，其特征在于，所述推进系统(102)包括箔片轮(106，106')、至少一个箔片(108，108')、致动器装置(110)和控制器(112)，所述至少一个箔片(108，108')是单独可控制的并且以可旋转的方式与所述箔片轮(106，106')附接；所述控制器(112)包括一个或更多个处理器(114)以及包括计算机程序代码的一个或更多个存储器(116)；所述一个或更多个存储器(116)和所述计算机程序代码被配置成与所述一个或更多个处理器(114)一起使至少所述控制器(112)基于所述箔片轮(106，106')的旋转角(θ)和影响所述至少一个箔片(108，108')的角度可变的尾流场(w(θ))来形成关于所述至少一个箔片(108，108')的俯仰角(γ(θ))的数据，并且将关于所述俯仰角(γ(θ))的数据传送至所述致动器装置(110)，所述致动器装置(110)被配置成基于所述数据以所述俯仰角(γ(θ))设置所述至少一个箔片(108，108')。15.一种水上交通工具(100)，其特征在于，所述水上交通工具(100)包括权利要求14所述的推进系统。

技术总结
一种通过控制器(112)控制水上交通工具(100)的推进系统(102)的方法，该控制器基于箔片轮(106，106')的旋转角(θ)和影响至少一个箔片(108，108')的角度可变的尾流场(W(θ))形成关于至少一个箔片(108，108')的俯仰角(γ(θ))的数据。接收来自控制器(112)的数据的致动器装置(110)基于该数据以俯仰角(γ(θ))设置至少一个箔片(108，108')。108')。108')。


技术研发人员：米卡
受保护的技术使用者：ABB公司
技术研发日：2020.06.11
技术公布日：2023/5/9