一种混合动力船舶模式切换过程波动抑制方法技术

本发明专利技术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。本发明专利技术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。

【技术实现步骤摘要】
一种混合动力船舶模式切换过程波动抑制方法


[0001]本专利技术涉及混合动力船舶机电控制
，具体涉及一种混合动力船舶模式切换过程波动抑制方法。

技术介绍

[0002]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。

技术实现思路

[0003]本专利技术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。
[0004]本专利技术为解决上述提出的技术问题所采用的技术方案为：
[0005]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：
[0006]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；
[0007]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；
[0008]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；
[0009]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；
[0010]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；
[0011]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。
[0012]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。
[0013]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。
[0014]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。
[0015]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；ω
m
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，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。
[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；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。
[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]本专利技术的有益效果在于：
[0030]1、本专利技术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，通过本专利技术的优化过程，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、本专利技术本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
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...

【专利技术属性】
技术研发人员：范爱龙，田智齐，刘汉有，李永平，邱皓，
申请(专利权)人：武汉理工大学，
类型：发明
国别省市：