船舶四机双桨混合动力推进系统能量优化与控制方法技术方案

本发明专利技术公开了一种船舶四机双桨混合动力推进系统能量优化与控制方法，用于对四机双桨混合动力推进系统进行能量优化控制，以对8种工况模式进行选择与切换，它包括航行工况识别过程、载荷状态识别过程和动态能量控制过程，航行工况识别过程采用模糊神经元网络方法得出当前的航行工况R；载荷状态识别过程将当前载荷与轻载荷、中载荷和重载荷三种状态进行比较以得出当前的载荷状态L；动态能量控制过程是根据航行工况R和载荷状态L对部件的控制参数进行初步选择，然后采用基于动态规划法的能量管理对系统能量进行优化分配并切换到优化的航行工况，从而实现能量的最优化管理控制，在确保船舶动力系统性能的同时最大限度地降低了燃油消耗和尾气排放。

【技术实现步骤摘要】
船舶四机双桨混合动力推进系统能量优化与控制方法
本专利技术涉及一种船舶四机双桨混合动力推进系统，特别是指一种船舶四机双桨混合动力推进系统能量优化与控制方法。
技术介绍
与传统船舶机械推进系统和纯电力推进系统的能量传递与管理过程相比较而言，由于柴-电混合的船舶动力推进系统具有多种运营工况，其能量传递较多，能量管理与控制更为复杂。随着国际海事组织(IMO)针对船舶排放和噪声制定了越来越严格的要求，为实现船舶的节能减排和减振降噪，船舶混合动力推进系统应运而生。船舶混合动力推进系统最大限度地降低了燃油消耗和尾气排放；具有更小的重量，节约更多的船上空间；极大降低噪声振动和维护成本。其原因在于船舶混合动力推进系统具有多种运营工况，在船舶航行时根据船舶实际需要对推进系统部件控制单元进行切换与控制，使各部件协调运行，从而提高燃油效率、降低排放。目前，混合动力推进系统在船舶上的应用处于起步阶段，可选择的运行工况相对较少，特别在PTI模式下运行需要额外借助外界柴油发电机供电驱动推进系统运行；同时不论是柴-电混合电力推进系统还是纯电力推进系统的能量管理方法主要是对系统部件进行监控，将数据通过网络传输至数据库与数据库中各部件所设置的负载容量占发电机总容量的比重极值或功率极值等参数相比较，从而对系统部件执行切换命令。其能量管理未能体现混合动力推进系统能量最优。现有技术存在以下缺点：可选择的运行工况相对较少，能量管理基于对系统部件进行监控并与数据库进行比较，未能充分优化混合动力推进系统能量。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种适应工况多、混合动力推进系统能量得到充分优化的四机双桨混合动力推进系统能量优化管理与控制方法。为实现上述目的，本专利技术所提供的船舶四机双桨混合动力推进系统能量优化与控制方法，用于对包括两台大柴油机、两台小柴油机、一台PTO轴带发电机和一台PTI电动机、两个螺旋桨、2台减速齿轮箱在内的四机双桨混合动力推进系统进行能量优化控制，以对“大柴油机-减速齿轮箱-螺旋桨运营模式”、“小柴油机-减速齿轮箱-螺旋桨运营模式”、“大柴油机-减速齿轮箱-螺旋桨-PTO轴带发电机运营模式”、“小柴油机-减速齿轮箱-螺旋桨-PTO轴带发电机运营模式”、“大/小柴油机-减速齿轮箱-螺旋桨运营模式”、“大/小柴油机-减速齿轮箱-螺旋桨-PTO轴带发电机运营模式”、“大柴油机-减速齿轮箱-螺旋桨-PTO轴带发电机-PTI电动机运营模式”、“小柴油机-减速齿轮箱-螺旋桨-螺旋桨-PTO轴带发电机-PTI电动机运营模式”共8种工况模式进行选择与切换，它包括航行工况识别过程、载荷状态识别过程和动态能量控制过程，所述航行工况识别过程采用模糊神经元网络分别对船舶航行的8种工况模式和当前工况的状态特征参数集进行处理，并将当前工况与各个工况下处理得到的结果进行比较以得出当前的航行工况R；所述载荷状态识别过程将当前载荷与轻载荷、中载荷和重载荷三种状态进行比较以得出当前的载荷状态L；所述动态能量控制过程根据航行工况R和载荷状态L对部件的控制参数进行初步选择并采用基于动态规划法的能量管理对系统能量进行优化分配并切换到优化的航行工况。所述初步选择的判断依据如下：1)当载荷处于轻载荷时，选择大柴油机-减速齿轮箱-螺旋桨-PTO轴带发电机运营模式和小柴油机-减速齿轮箱-螺旋桨-PTO轴带发电机运营模式；2)当载荷状态处于中载荷时，选择小柴油机-减速齿轮箱-螺旋桨运营模式和大柴油机-减速齿轮箱-螺旋桨运营模式；3)当载荷状态处于重载荷状态时，选择大/小柴油机-减速齿轮箱-螺旋桨-PTO轴带发电机和大/小柴油机-减速齿轮箱-螺旋桨运营模式；4)轴带发电机包括PTO、PTI两种模式，PTO模式下作为发电机发电输出功率；PTI模式下轴带发电机当电机用，需输入功率。本专利技术为方便说明各模式下的能量流特点，将工作于PTO模式下的轴带发电机称为PTO轴带发电机，将工作于PTI模式下的轴带发电机称为PTI电动机，实际上二者是可以互相切换的。进一步的，所述状态特征参数集包括平均航速V、航速标准差бv、平均加速度a、加速度标准差бa、航速大于V的时间百分比εv和平均加速度大于a的时间百分比εa一共6个最优子集。进一步的，所述航行工况识别过程中所采用的模糊神经元网络包括输入层、模糊层、隐含层和输出层；所述输入层将所述状态特征参数集进行归一化处理后得到特征参数样本并将所述特征参数样本传递给模糊层；所述模糊层将计算特征参数输入分量属于各模糊集合隶属度函数其中:0＜n≤6，k为第k个时刻，θin和бin分别是第n个特征值在第i类状态中的均值和方差，并将的计算结果传递给输出层；所述隐含层计算模糊规则的适应度其中为权值，为权值的模糊计算函数，并将的计算结果传递给输出层；所述输出层根据得出模糊函数计算结果，并将与船舶航行的8种工况模式所对应的模糊函数计算结果进行比较以得出当前的航行工况R。进一步的，所述载荷状态识别过程采用如下方法识别船舶当前的载荷状态L，即将船舶加速阶段总推力Fa与船舶质量av之间的关系估算值与轻载荷、中载荷和重载荷3种载荷阈值进行比较，当G＜G1时，可知当前载荷状态处于轻载荷工况；当G1≤G＜G2时，可知当前载荷状态处于中载荷工况；当G2≤G＜G3时，可知当前载荷状态处于重载荷工况，其中G1、G2和G3的取值分别是该推进系统所在的船舶总吨位的25％、50％和100％。进一步的，所述动态能量控制过程采用基于动态规划法的能量管理将整体的动态化问题分解成为一系列的最小化子问题并采用向后法求解得到最优控制策略。进一步的，在所述动态能量控制过程中，采用动态规划法基于Bellman原理将整体的动态优化问题分解为一系列的最小化子问题，将单位时间划分为N等份，0＜k≤N，并通过如下递归公式求解，第N步为第k步为其中，代价函数L(x(k),u(k))＝Lfuel(k)+αLems(k)+βLgs(k)，Lfuel(k)和Lems(k)为燃油消耗和排放代价函数，Lgs(k)为减速齿轮箱内离合器换挡指令和频率附加代价函数，加权后得到优化的目标是求得使累积的代价函数最小的控制向量u(k)；通过所述递归公式采用向后法求解得到混合动力推进系统中两台大柴油机扭矩与两台小柴油机扭矩与PTO轴带发电机扭矩PTI电动机扭矩和减速齿轮箱内的各离合器状态K*的最优控制策略，并作为大柴油机、小柴油机、PTO轴带发电机、PTI电动机和离合器状态控制单元执行相应动作的依据。本专利技术的有益效果是：(1)采用基于神经网络的船舶航行工况识别和载荷状态识别方法对能量进行初步分配，在此基础之上采用基于动态规划法的能量管理进行优化，从而实现对四机双桨混合动力推进系统的能量最优化管理控制；(2)适用于8种工况模式，在PTI模式下运行无需要额外借助外界柴油发电机供电而是推进系统本身的柴油机经轴带发电机发电驱动推进系统运行；(3)通过能量优化分配，在确保船舶动力系统性能的同时最大限度地降低了燃油消耗和尾气排放；(4)本专利技术也适用于其他类型混合动力推进系统。附图说明图1是改进船舶四机双桨混合动力推进系统能量优化与控制方法流程图图2是船舶四机双桨混合动力推进系统示意图图3是小柴油机-减速齿轮箱-螺旋桨运营模式能量流示意图图4是大柴油机-减本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种船舶四机双桨混合动力推进系统能量优化与控制方法，用于对包括两台大柴油机(1)、两台小柴油机(5)、一台PTO轴带发电机(8)和一台PTI电动机(7)、两个螺旋桨(4)、2台减速齿轮箱(2)在内的四机双桨混合动力推进系统进行能量优化控制，以对“大柴油机‑减速齿轮箱‑螺旋桨运营模式”、“小柴油机‑减速齿轮箱‑螺旋桨运营模式”、“大柴油机‑减速齿轮箱‑螺旋桨‑PTO轴带发电机运营模式”、“小柴油机‑减速齿轮箱‑螺旋桨‑PTO轴带发电机运营模式”、“大/小柴油机‑减速齿轮箱‑螺旋桨运营模式”、“大/小柴油机‑减速齿轮箱‑螺旋桨‑PTO轴带发电机运营模式”、“大柴油机‑减速齿轮箱‑螺旋桨‑PTO轴带发电机‑PTI电动机运营模式”、“小柴油机‑减速齿轮箱‑螺旋桨‑PTO轴带发电机‑PTI电动机运营模式”共8种工况模式进行选择与切换，它包括航行工况识别过程、载荷状态识别过程和动态能量控制过程，其特征在于：所述航行工况识别过程采用模糊神经元网络分别对船舶航行的8种工况模式和当前工况的状态特征参数集进行处理，并将当前工况与各个工况下处理得到的结果进行比较以得出当前的航行工况R；所述载荷状态识别过程将当前载荷与轻载荷、中载荷和重载荷三种状态进行比较以得出当前的载荷状态L；所述动态能量控制过程根据航行工况R和载荷状态L对部件的控制参数进行初步选择，然后在此基础之上采用基于动态规划法的能量管理对系统能量进行优化分配并切换到优化的航行工况。...

【技术特征摘要】
1.一种船舶四机双桨混合动力推进系统能量优化与控制方法，用于对包括两台大柴油机(1)、两台小柴油机(5)、一台PTO轴带发电机(8)和一台PTI电动机(7)、两个螺旋桨(4)、2台减速齿轮箱(2)在内的四机双桨混合动力推进系统进行能量优化控制，以对“大柴油机-减速齿轮箱-螺旋桨运营模式”、“小柴油机-减速齿轮箱-螺旋桨运营模式”、“大柴油机-减速齿轮箱-螺旋桨-PTO轴带发电机运营模式”、“小柴油机-减速齿轮箱-螺旋桨-PTO轴带发电机运营模式”、“大/小柴油机-减速齿轮箱-螺旋桨运营模式”、“大/小柴油机-减速齿轮箱-螺旋桨-PTO轴带发电机运营模式”、“大柴油机-减速齿轮箱-螺旋桨-PTO轴带发电机-PTI电动机运营模式”、“小柴油机-减速齿轮箱-螺旋桨-PTO轴带发电机-PTI电动机运营模式”共8种工况模式进行选择与切换，它包括航行工况识别过程、载荷状态识别过程和动态能量控制过程，其特征在于：所述航行工况识别过程采用模糊神经元网络分别对船舶航行的8种工况模式和当前工况的状态特征参数集进行处理，并将当前工况与各个工况下处理得到的结果进行比较以得出当前的航行工况R；所述载荷状态识别过程将当前载荷与轻载荷、中载荷和重载荷三种状态进行比较以得出当前的载荷状态L；所述动态能量控制过程根据航行工况R和载荷状态L对部件的控制参数进行初步选择，然后在此基础之上采用基于动态规划法的能量管理对系统能量进行优化分配并切换到优化的航行工况。2.根据权利要求1所述船舶四机双桨混合动力推进系统能量优化与控制方法，其特征在于：所述状态特征参数集包括平均航速V、航速标准差бv、平均加速度a、加速度标准差бa、航速大于V的时间百分比εv和平均加速度大于a的时间百分比εa一共6个最优子集。3.根...

【专利技术属性】
技术研发人员：周瑞平，肖能齐，林晞晨，雷俊松，李健，王正兴，
申请(专利权)人：武汉理工大学，
类型：发明
国别省市：湖北;42