一种混合动力船舶模式切换过程波动抑制方法

1.本发明涉及混合动力船舶机电控制技术领域，具体涉及一种混合动力船舶模式切换过程波动抑制方法。


背景技术：

2.混合动力船舶是指船舶动力系统采用主发动机和电动机共同作为动力源的船舶，有主发动机直接推进、轴带发电推进、电机推进和混合推进四种推进模式。近年来，混合动力系统被认为是拖船、游船、内河散货船等负载变化频率高的船舶降低油耗和排放的有效解决方案，在排放限制区可以发挥零排放的优势。但船舶混合动力系统在模式切换过程中常常需要离合器启闭，从而导致动力发生间断，还容易引起艉轴转矩、转速突变，容易造成传递效率低和轴系波动；剧烈且长时间的摩擦会减少离合器寿命。目前，模式切换能同时兼顾模式切换时间、艉轴动力连续性、离合器摩擦损失的研究较少，也缺乏相应的波动抑制方法。


技术实现要素：

3.本发明要解决的技术问题在于针对上述现有技术存在的船舶混合动力系统模式切换过程中艉轴转速波动大和离合器摩擦损失大的问题，提供一种混合动力船舶模式切换过程波动抑制方法，通过进行轴带电机转矩和轴带电机离合器油压控制参数规划，保证船舶混合动力模式切换时同时兼顾模式切换时间、艉轴动力连续性、离合器摩擦损失。
4.本发明为解决上述提出的技术问题所采用的技术方案为：
5.一种混合动力船舶模式切换过程波动抑制方法，用于船舶混合动力系统由主发动机推进模式切换至混合动力推进模式或轴带发电推进模式的过程中，包括以下步骤：
6.步骤1、根据船舶混合动力系统各组成部件物理参数、传动原理和船舶运动学建立混合动力系统数值模型；
7.步骤2、利用群体智能优化算法，以包含轴带电机离合器滑摩功、艉轴转速超调率和艉轴旋转波动的综合平顺性指标最小为优化目标，针对不同的模式切换初始物理条件，计算混合动力系统数值模型在模式切换发生时间段内对应的轴带电机转矩、轴带电机离合器油压的最优控制规划曲线；
8.步骤3、整理所计算出的所有最优控制规划曲线为模式切换过程控制指令集合，并通过串口通信将指令集合融入能量管理系统的自身运行逻辑中；
9.步骤4、在船舶实际航行过程中，能量管理系统根据外界环境传感器、动力系统状态传感器和需求航速，判断是否从主发动机推进模式切换为混合动力推进模式或轴带发电推进模式，若是则进入步骤5，否则重复4；
10.步骤5、能量管理系统接收到主发动机推进模式切换至混合动力推进模式或轴带发电推进模式的指令后，能量管理系统发送轴带电机加速指令、主发动机保持当前转速指令和轴带电机离合器保持分离状态指令，直至轴带电机转速与轴带电机离合器输出端转速
相差在设定模式切换阈值以内，同时查询当前主发动机转速和转矩、轴带电机转速和转矩下模式切换过程控制指令集合对应的轴带电机转矩、轴带电机离合器油压规划曲线，第一层本地控制轴带电机转矩、离合器油压按指令集合查询结果分别改变转矩和油压，直至轴带电机转矩达到指定转矩、轴带电机离合器油压达到指定油压，以抑制模式切换波动；
11.步骤6、轴带电机转矩和轴带电机离合器油压达到指定值，模式切换结束。
12.上述方案中，所述船舶混合动力系统包括主发动机、轴带电机、主机离合器、轴带电机离合器、齿轮箱、艉轴和推进装置；所述主发动机和轴带电机通过并联的方式分别通过主机离合器和电机离合器与齿轮箱的输入端相连；齿轮箱的输出端与艉轴相连，艉轴与推进装置相连。
13.上述方案中，所述船舶混合动力系统包括发动机推进、轴带发电推进、轴带电机推进和混合动力推进四种推进模式。
14.上述方案中，所述船舶混合动力系统的控制包括第一层本地控制、第二层功率控制和第三层能量管理控制；所述本地控制直接控制所述船舶混合动力系统的各组成设备；所述功率控制控制主发动机、轴带电机和发电设备功率；所述能量管理控制根据自身运行逻辑对各组成设备发出需求功率或需求状态指令。
15.上述方案中，步骤2中，所述轴带电机离合器滑摩功为：
[0016][0017]
其中，w为轴带电机离合器滑摩功；t
start
、t
end
分别表示轴带电机离合器开始接合和锁死的时间；t
slip
为轴带电机离合器转矩；ω
e_2
为轴带电机离合器输出端转速；ωm为轴带电机转速；t表示时间，t1＝t
end-t
star
。
[0018]
上述方案中，步骤2中，所述艉轴转速超调率为：
[0019][0020]
其中，θ
os
为艉轴转速超调率；ω
s,ext
为模式切换期间内艉轴转速极值，ω
ss
为艉轴在模式切换后稳定转速值。
[0021]
上述方案中，步骤2中，所述艉轴旋转波动为：
[0022][0023]
其中，js为艉轴旋转波动函数；js为艉轴旋转波动值，是|js|函数最大值；ωs为艉轴转速；t表示时间。
[0024]
上述方案中，步骤2中，所述综合平顺性指标为离合器滑摩功、艉轴转速超调率和艉轴旋转波动三个指标经归一化后的加权值之和：
[0025][0026]
其中，o为综合平顺性指标；α、β和χ为常数，α+β+χ＝1；i为智能群体优化算法中的第i代；wi、θ
os,i
和j
s,i
分别为智能群体优化算法第i代局部最优的轴带电机离合器滑摩功、艉
轴转速超调率和艉轴旋转波动；w
min
、θ
os,min
和j
s,min
分别为轴带电机离合器滑摩功、艉轴转速超调率和艉轴旋转波动的最小值；w
max
、θ
os,max
和j
s,max
分别为轴带电机离合器滑摩功、艉轴转速超调率和艉轴旋转波动的最大值。
[0027]
上述方案中，步骤2中，不同的模式切换初始物理条件包括主发动机转速和主发动机转矩。
[0028]
上述方案中，步骤4中，所述外界环境传感器包括gps、流速仪、风速仪；所述动力系统状态传感器包括主发动机转速转矩传感器、轴带电机转速转矩传感器和艉轴转速转矩传感器。
[0029]
本发明的有益效果在于：
[0030]
1、本发明方法首先通过离线过程的群体智能优化算法得到模式切换过程中轴带电机转矩和轴带电机离合器油压控制指令，作为在线控制的调控指令，能够有效抑制模式切换过程中主发动机、轴带电机和轴带电机离合器转矩波动对艉轴转速的影响，保证船舶混合动力模式切换时艉轴动力的连续性。经验证，通过本发明的优化过程，艉轴动力连续性指标可达：艉轴转速超调率、艉轴旋转波动分别抑制86.32％和52.01％。
[0031]
2、本发明方法能够有效减少模式切换时间，从而有效减缓离合器元件的磨损，提高离合器寿命，同时保证船舶的机动性能。经验证，通过本发明的优化过程，离合器摩擦损失指标可达：轴带电机离合器滑摩功抑制24.91％；模式切换时间减少1/3。
[0032]
3、本发明方法通过离线优化得到的模式切换过程控制指令集合，能够避免能量管理系统在线优化运算过程，提升能量管理系统在线控制的执行速度，达到减少通讯延迟的目的，还能减少能量管理系统算力成本。
附图说明
[0033]
下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：
[0034]
图1是本发明方法中船舶混合动力系统的结构示意图；
[0035]
图2是本发明方法中船舶混合动力系统的控制框架；
[0036]
图3是本发明混合动力船舶模式切换过程波动抑制方法的整体流程图；
[0037]
图4是本发明混合动力船舶模式切换过程波动抑制方法的模式切换流程图；
[0038]
图5是本发明实施例中最优轴带电机转矩、轴带电机离合器油压曲线，其中，5a)为轴带电机转矩补偿曲线，5b)为轴带电机离合器油压与总油压比值曲线；
[0039]
图6是本发明实施例中实船设计原型和改进粒子群优化算法的主发动机转矩、轴带电机转矩、艉轴转矩、艉轴转速效果对比，其中6a)为优化前后主发动机转矩效果对比，6b)为优化前后轴带电机转矩效果对比，6c)为优化前后艉轴转矩效果对比，6d)为优化前后艉轴转速效果对比。
[0040]
图中：10、主发动机；20、轴带电机；30、主机离合器；40、轴带电机离合器；50、齿轮箱；60、艉轴；70、推进装置。
具体实施方式
[0041]
为了对本发明的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，现对照附图详细说明本发明的具体实施方式。
[0042]
本发明为了解决船舶混合动力系统模式切换过程中艉轴转速波动大和离合器摩擦损失大的问题，提出了一种混合动力船舶模式切换过程波动抑制方法，用于船舶混合动力系统由主发动机推进模式切换至混合动力推进模式或轴带发电推进模式的过程中，旨在抑制船舶混合动力系统模式切换的艉轴转速波动，延长轴带电机离合器使用寿命。
[0043]
在对本发明方法展开详细描述之前，先对本发明方法适用的船舶混合动力系统的核心设备及控制框架进行简单说明。
[0044]
如图1所示，所述船舶混合动力系统的设备包括主发动机10、轴带电机20、主机离合器30、轴带电机离合器40、齿轮箱50、艉轴60和推进装置70；主发动机和轴带电机通过并联的方式分别通过主机离合器和轴带电机离合器与齿轮箱的输入端相连；齿轮箱的输出端与艉轴相连，艉轴与推进装置相连。除此之外，船舶混合动力系统还包括主发动机的本地控制单元(调速喷油系统)、轴带电机变频控制系统、主发动机转速转矩传感器、轴带电机转速转矩传感器、艉轴转速转矩传感器、流速仪、风速仪、gps等。
[0045]
基于上述形式的船舶混合动力系统包括发动机推进、轴带发电推进、轴带电机推进和混合动力推进四种推进模式。两种不同的推进模式可以通过控制船舶主发动机、轴带电机、主机离合器和轴带电机离合器的启闭以实现切换。
[0046]
如图2所示，船舶混合动力系统的控制包括第一层本地控制、第二层功率控制和第三层能量管理控制。所述本地控制直接控制所述船舶混合动力系统的各组成设备；所述功率控制控制主发动机、轴带电机和发电设备功率；所述能量管理控制根据自身运行逻辑对各组成设备发出需求功率或需求状态指令。以现有的主发动机推进至混合动力推进模式切换过程为例，具体包括主发动机推进模式、轴带电机启动过程、轴带电机离合器油压控制和轴带电机转矩控制过程、混合动力推进模式四个阶段。具体表现为，主发动机推进行驶时，整船由主发动机单独驱动，主发动机以转速闭环控制方式工作，期间主发动机输出端离合器(即主机离合器)合排，轴带电机输出端离合器(即轴带电机离合器)脱排；当船舶能量管理系统发出切换至混合动力推进模式的指令之后，第一层控制轴带电机空载启动，并基于当前模式切换条件寻找所制成的模式切换轴带电机转矩、轴带电机离合器油压控制参考曲线分别对轴带电机转矩和轴带电机离合器油压进行控制；当轴带电机离合器完全合排、轴带电机转矩上升到制定转矩时，系统进入混合动力模式。该切换过程中存在艉轴转速波动大和轴带电机离合器摩擦损失大的问题。
[0047]
为了解决上述问题，本发明的混合动力船舶模式切换过程波动抑制方法主要包括离线优化过程和在线控制过程，如图3所示。所述离线优化，是通过群体智能优化算法，针对不同模式切换初始物理条件，计算出模式切换发生时间段内对应轴带电机转矩、轴带电机离合器油压的最优控制规划曲线；然后，整理所计算出的最优控制规划曲线为模式切换过程控制指令集合。所述在线控制，是在船舶能量管理系统确定模式切换意图后，能量管理系统根据船舶混合动力系统初始条件的物理参数查询模式切换过程控制指令集合并得到轴带电机和轴带电机离合器控制的两组结果，将指令结果分别发送至电机控制单元和离合器控制单元控制轴带电机和轴带电机离合器，待控制达到指定值后完成模式切换。本发明混合动力船舶模式切换过程波动抑制方法进行轴带电机转矩和轴带电机离合器油压控制时，可保证船舶混合动力模式切换时轴系的平顺性，该方法具体包括以下步骤：
[0048]
步骤1、根据船舶混合动力系统各组成部件物理参数、传动原理和船舶运动学建立
混合动力系统数值模型；
[0049]
步骤2、利用群体智能优化算法，以包含轴带电机离合器滑摩功、艉轴转速超调率和艉轴旋转波动的综合平顺性指标最小为优化目标，针对不同的模式切换初始物理条件，计算混合动力系统数值模型在模式切换发生时间段内对应的轴带电机转矩、轴带电机离合器油压的最优控制规划曲线；
[0050]
步骤3、整理所计算出的所有最优控制规划曲线为模式切换过程控制指令集合，并通过串口通信将指令集合融入能量管理系统的自身运行逻辑中；
[0051]
步骤4、在船舶实际航行过程中，能量管理系统根据外界环境传感器、动力系统状态传感器和需求航速，判断是否从主发动机推进模式切换为混合动力推进模式或轴带发电推进模式，若是则进入步骤5，否则重复4；
[0052]
步骤5、能量管理系统接收到主发动机推进模式切换至混合动力推进模式或轴带发电推进模式的指令后，能量管理系统发送轴带电机加速指令、主发动机保持当前转速指令和轴带电机离合器保持分离状态指令，直至轴带电机转速与轴带电机离合器输出端转速相差在设定模式切换阈值(如本实施例中取10rpm)以内，同时查询当前主发动机转速和转矩、轴带电机转速和转矩下模式切换过程控制指令集合对应的轴带电机转矩、轴带电机离合器油压规划曲线，第一层本地控制轴带电机转矩、离合器油压按指令集合查询结果分别改变转矩和油压，直至轴带电机转矩达到指定转矩、轴带电机离合器油压达到指定油压，以抑制模式切换波动；模式切换流程可参见图4。
[0053]
步骤6、轴带电机转矩和轴带电机离合器油压达到指定值，模式切换结束。
[0054]
进一步优化，步骤2中，所述轴带电机离合器滑摩功为：
[0055][0056]
其中，w为轴带电机离合器滑摩功；t
start
、t
end
分别表示轴带电机离合器开始接合和锁死的时间；t
slip
为轴带电机离合器转矩；ω
e_2
为轴带电机离合器输出端转速；ωm为轴带电机转速；t表示时间，t1＝t
end-t
star
。
[0057]
所述艉轴转速超调率为：
[0058][0059]
其中，θ
os
为艉轴转速超调率；ω
s,ext
为模式切换期间内艉轴转速极值，ω
ss
为艉轴在模式切换后稳定转速值。
[0060]
所述艉轴旋转波动为：
[0061][0062]
其中，js为艉轴旋转波动函数；js为艉轴旋转波动值，是|js|函数最大值；ωs为艉轴转速；t表示时间。
[0063]
所述综合平顺性指标为离合器滑摩功、艉轴转速超调率和艉轴旋转波动三个指标经归一化后的加权值之和：
[0064][0065]
其中，o为综合平顺性指标；α、β和χ为常数，α+β+χ＝1；i为智能群体优化算法中的第i代；wi、θ
os,i
和j
s,i
分别为智能群体优化算法第i代局部最优的轴带电机离合器滑摩功、艉轴转速超调率和艉轴旋转波动；w
min
、θ
os,min
和j
s,min
分别为轴带电机离合器滑摩功、艉轴转速超调率和艉轴旋转波动的最小值；w
max
、θ
os,max
和j
s,max
分别为轴带电机离合器滑摩功、艉轴转速超调率和艉轴旋转波动的最大值。
[0066]
进一步优化，步骤2中，不同的模式切换初始物理条件包括主发动机转速和主发动机转矩。
[0067]
进一步优化，步骤3中，能量管理系统的自身运行逻辑为可编程的能量管理策略。
[0068]
进一步优化，步骤4中，所述外界环境传感器包括gps、流速仪、风速仪；所述动力系统状态传感器包括主发动机转速转矩传感器、轴带电机转速转矩传感器和艉轴转速转矩传感器。
[0069]
根据本发明混合动力船舶模式切换过程波动抑制方法，还是以主发动机推进至混合动力推进模式切换过程为例进行优化，如图5所示，图5a)、图5b)分别为针对某一模式切换初始物理条件离线优化得到的轴带电机转矩、轴带电机离合器油压控制参考。如图6所示的实船设计原型和改进粒子群优化算法的主发动机、轴带电机、艉轴转矩、转速效果对比，通过该过程优化，艉轴动力连续性指标：艉轴转速超调率、艉轴旋转波动分别抑制86.32％和52.01％，离合器摩擦损失指标：轴带电机离合器滑摩功抑制24.91％，另外模式切换时间由3s减小到2.1s，模式切换时间减少1/3。由此可见，本发明方法可以有效抑制船舶混合动力模式切换时同时兼顾模式切换时间、艉轴动力连续性、离合器摩擦损失三个方面。
[0070]
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。
[0071]
上面结合附图对本发明的实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可做出很多形式，这些均属于本发明的保护之内。

技术特征：
1.一种混合动力船舶模式切换过程波动抑制方法，其特征在于，用于船舶混合动力系统由主发动机推进模式切换至混合动力推进模式或轴带发电推进模式的过程中，包括以下步骤：步骤1、根据船舶混合动力系统各组成部件物理参数、传动原理和船舶运动学建立混合动力系统数值模型；步骤2、利用群体智能优化算法，以包含轴带电机离合器滑摩功、艉轴转速超调率和艉轴旋转波动的综合平顺性指标最小为优化目标，针对不同的模式切换初始物理条件，计算混合动力系统数值模型在模式切换发生时间段内对应的轴带电机转矩、轴带电机离合器油压的最优控制规划曲线；步骤3、整理所计算出的所有最优控制规划曲线为模式切换过程控制指令集合，并通过串口通信将指令集合融入能量管理系统的自身运行逻辑中；步骤4、在船舶实际航行过程中，能量管理系统根据外界环境传感器、动力系统状态传感器和需求航速，判断是否从主发动机推进模式切换为混合动力推进模式或轴带发电推进模式，若是则进入步骤5，否则重复4；步骤5、能量管理系统接收到主发动机推进模式切换至混合动力推进模式或轴带发电推进模式的指令后，能量管理系统发送轴带电机加速指令、主发动机保持当前转速指令和轴带电机离合器保持分离状态指令，直至轴带电机转速与轴带电机离合器输出端转速相差在设定模式切换阈值以内，同时查询当前主发动机转速和转矩、轴带电机转速和转矩下模式切换过程控制指令集合对应的轴带电机转矩、轴带电机离合器油压规划曲线，第一层本地控制轴带电机转矩、离合器油压按指令集合查询结果分别改变转矩和油压，直至轴带电机转矩达到指定转矩、轴带电机离合器油压达到指定油压，以抑制模式切换波动；步骤6、轴带电机转矩和轴带电机离合器油压达到指定值，模式切换结束。2.根据权利要求1所述的混合动力船舶模式切换过程波动抑制方法，其特征在于，所述船舶混合动力系统包括主发动机、轴带电机、主机离合器、轴带电机离合器、齿轮箱、艉轴和推进装置；所述主发动机和轴带电机通过并联的方式分别通过主机离合器和电机离合器与齿轮箱的输入端相连；齿轮箱的输出端与艉轴相连，艉轴与推进装置相连。3.根据权利要求1所述的混合动力船舶模式切换过程波动抑制方法，其特征在于，所述船舶混合动力系统包括发动机推进、轴带发电推进、轴带电机推进和混合动力推进四种推进模式。4.根据权利要求1所述的混合动力船舶模式切换过程波动抑制方法，其特征在于，所述船舶混合动力系统的控制包括第一层本地控制、第二层功率控制和第三层能量管理控制；所述本地控制直接控制所述船舶混合动力系统的各组成设备；所述功率控制控制主发动机、轴带电机和发电设备功率；所述能量管理控制根据自身运行逻辑对各组成设备发出需求功率或需求状态指令。5.根据权利要求1所述的混合动力船舶模式切换过程波动抑制方法，其特征在于，步骤2中，所述轴带电机离合器滑摩功为：其中，w为轴带电机离合器滑摩功；t
start
、t
end
分别表示轴带电机离合器开始接合和锁死
的时间；t
slip
为轴带电机离合器转矩；ω
e_2
为轴带电机离合器输出端转速；ω
m
为轴带电机转速；t表示时间，t1＝t
end-t
star
。6.根据权利要求1所述的混合动力船舶模式切换过程波动抑制方法，其特征在于，步骤2中，所述艉轴转速超调率为：其中，θ
os
为艉轴转速超调率；ω
s,ext
为模式切换期间内艉轴转速极值，ω
ss
为艉轴在模式切换后稳定转速值。7.根据权利要求1所述的混合动力船舶模式切换过程波动抑制方法，其特征在于，步骤2中，所述艉轴旋转波动为：其中，j
s
为艉轴旋转波动函数；j
s
为艉轴旋转波动值，是|j
s
|函数最大值；ω
s
为艉轴转速；t表示时间。8.根据权利要求1所述的混合动力船舶模式切换过程波动抑制方法，其特征在于，步骤2中，所述综合平顺性指标为离合器滑摩功、艉轴转速超调率和艉轴旋转波动三个指标经归一化后的加权值之和：其中，o为综合平顺性指标；α、β和χ为常数，α+β+χ＝1；i为智能群体优化算法中的第i代；w
i
、θ
os,i
和j
s,i
分别为智能群体优化算法第i代局部最优的轴带电机离合器滑摩功、艉轴转速超调率和艉轴旋转波动；w
min
、θ
os,min
和j
s,min
分别为轴带电机离合器滑摩功、艉轴转速超调率和艉轴旋转波动的最小值；w
max
、θ
os,max
和j
s,max
分别为轴带电机离合器滑摩功、艉轴转速超调率和艉轴旋转波动的最大值。9.根据权利要求1所述的混合动力船舶模式切换过程波动抑制方法，其特征在于，步骤2中，不同的模式切换初始物理条件包括主发动机转速和主发动机转矩。10.根据权利要求1所述的混合动力船舶模式切换过程波动抑制方法，其特征在于，步骤4中，所述外界环境传感器包括gps、流速仪、风速仪；所述动力系统状态传感器包括主发动机转速转矩传感器、轴带电机转速转矩传感器和艉轴转速转矩传感器。

技术总结
本发明涉及一种混合动力船舶模式切换过程波动抑制方法，包括：建立混合动力系统数值模型；通过群体智能优化算法，针对不同模式切换初始物理条件，计算出模式切换发生时间段内对应轴带电机转矩、轴带电机离合器油压的最优控制规划曲线；并整理为模式切换过程控制指令集合；在船舶能量管理系统确定模式切换意图后，根据船舶混合动力系统初始条件的物理参数查询模式切换过程控制指令集合并得到轴带电机和轴带电机离合器控制的两组结果，将指令结果分别发送至电机控制单元和离合器控制单元控制轴带电机和轴带电机离合器，待控制达到指定值后完成模式切换。本发明可保证船舶混合动力模式切换时同时兼顾模式切换时间、艉轴动力连续性、离合器摩擦损失。离合器摩擦损失。离合器摩擦损失。


技术研发人员：范爱龙 田智齐 刘汉有 李永平 邱皓
受保护的技术使用者：武汉理工大学
技术研发日：2023.05.29
技术公布日：2023/8/2