CN117755453A - 一种船舶柴电联合推进模糊协调控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明是一种船舶柴电联合推进模糊协调控制方法。本发明涉及船舶柴油机与轴带电机的智能决策技术领域，本发明调节柴油机、轴带电机转矩变化，实现***不同工作模式的平滑过渡。在所设计控制策略作用下，切换过程中功率变化稳定平滑，且船舶能耗有效降低，可实现船舶的稳定运行与能耗降低。本发明考虑柴电联合推进船舶在运行过程中存在的富余功率难以回收的问题，分析柴电联合推进***能量流向，为***增加轴带电机‑储能元件结构进行能量回收。

Description

一种船舶柴电联合推进模糊协调控制方法

技术领域

本发明涉及船舶柴油机与轴带电机的智能决策技术领域，是一种船舶柴电联合推进模糊协调控制方法。

背景技术

自21世纪以来，随着科技的高速发展推动社会的进步，节能绿色的理念逐渐走进人们的视野。严重的环境问题、能源耗竭问题和严格的排放法规，迫切驱使船舶动力推进控制***的推进装置的选型和整体控制***设计的全面升级优化。通过轴带电机和柴油机实现船舶柴电联合推进装置来代替传统的柴油机推进装置，可以在一定程度上弥补柴油机最优工况区范围小的缺点，提高推进效率，降低***能耗的同时，降低船舶推进过程中的二氧化碳排放量，减少环境污染。针对船舶柴电联合推进节能控制***，如何让通过柴油机和轴带发电机/电动机的协调工作实现船舶的联合推进，以降低柴油机的功率，提高船舶推进***的推进效率，提高燃油利用率并降低船舶航行过程中的能耗，是行业内亟待解决的问题。

发明内容

本发明根据上述提出的柴电混合动力推进***，本发明提供一种柴电混合动力推进***模糊控制策略，用于船舶柴油机与轴带电机的智能决策，实现***的平稳过渡，实现船舶节能的目标。基于此，本发明提出一种船舶柴电联合推进模糊协调控制方法。

需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。

本发明提供了一种船舶柴电联合推进模糊协调控制方法，本发明提供了以下技术方案：

一种船舶柴电联合推进模糊协调控制方法，所述方法包括以下步骤：

步骤1：建立柴电混合动力***的并联式结构，柴油机和电动机/发电机通过齿轮箱进行二者的转矩调节，实现柴油机和电动机分别的单独推进模式，也可实现协同推进模式；

步骤2：建立船舶柴电联合推进***数学模型，进行模糊控制策略设计；

步骤3：基于模糊控制策略，蓄电池剩余电量和船舶匀速航行所需转矩作为模糊控制策略的输入，将柴油机的目标转矩和电机目标转矩作为模糊控制策略的输出。

优选地，所述步骤1具体为：

当船舶航行所需转矩低于柴油机最优工况区范围时，可保持柴油机在最优工况区范围内进行调节；考虑柴油机转矩高于船舶航行所需转矩，通过调整电机工作模式由电动机转换为发电机，并通过以蓄电池为基础的储能装置，以发电机模式吸收柴油机传动至轴系上的富余功率，并通过轴带电机所产生电能为蓄电池进行充电，实现能量回收；当船舶所需推进转矩高于柴油机最优工况区范围时，调整电机模式为电动机，通过蓄电池为电机提供能量，进行带动电动机工作，进行船舶的联合推进；并联式柴电联合推进***通过调节电机模式以及柴油机与轴带电机转矩的合成，实现船舶柴电联合推进。

优选地，所述步骤2具体为：

根据柴油机动力学特性，根据柴油机在轴系上的转矩输入输出关系，同时考虑摩擦阻力矩的作用，柴油机的转矩平衡方程有：

其中，T_d是柴油机输出扭矩，单位N m，T_L是螺旋桨的扭矩，单位N m，T_f为摩擦阻力矩，单位N m，J_s为柴油机及推进***的转动惯量，单位kg m³；

柴油机在运行过程中功率与转速关系公式如下：

其中，n_d是柴油机转速，单位r/min，T_d是柴油机输出扭矩，单位N m，P_d是输出功率，单位kW；

柴油机的热效率η_e求取通过下式表示：

η_e＝3600P_d/(G_TH_u)

其中，τ为行程系数；G_T为柴油机每小时的耗油量，单位kg/h；n_d为柴油机转速，单位r/min；H_u为燃油热值，单位KJ/Kg；为每循环燃油供油量，单位Kg/s；

将上述热效率公式代入柴油机转速功率关系公式中，柴油机输出转矩公式通过下式表示：

燃油消耗率的公式表达如下：

其中，η_i为指示热效率，η_m为柴油机机械效率；

根据轴带电机内部平衡方程建立转矩方程：

其中，T为电机输出转矩，s为电机转差率，U₁为电源电压，R₂为转子电阻，K为转矩系数，X₂₀为转子电感；

定子相对于转子的转差率s通过下式表示：

其中，n_N为电机转子转速，n₁为定子转速，转差率s表示定子对于转子的滞后情况；

应对三相同步电机的功率进行分析，电机的功率P_N通过下述公式表示：

其中：U_N为额定电压，I_N为额定电流，功率因数，η_N为电机效率；

同时，轴带电机在额定转速下运行，电机转轴的输出扭矩与额定输出功率P_N的关系如下：

从而得到轴带电机输出转矩、输出功率及输出转速的关系，即

其中Ω_N为角速度；

对电机仿真建立电机仿真模型，需要将电机的ABC坐标系转化到dpn坐标系下，则有电机运动方程：

优选地，所述步骤3具体为：

定义蓄电池剩余电量和船舶匀速航行所需转矩作为模糊控制策略的输入，将柴油机的目标转矩和电机目标转矩作为模糊控制策略的输出；将输入变量从包含其实际变化范围基本论域转化为能够使用模糊语言进行量化的模糊集合，定义的模糊控制策略输入信号储能***剩余电量与总目标转矩为E_SOC,T_req，输出信号柴油机目标转矩与电机目标转矩T_d,T_e，并建立各输入输出的模糊集合；

将蓄电池剩余电量和船舶运行的总需求转矩均划分为7个等级，将柴油机目标转矩和电机目标转矩均划分为9个等级；则蓄电池剩余电量E_SOC的模糊子集为{XS,S,PS,M,PB,B,XB}，船舶运行的总需求转矩T_req的模糊子集：{XS,S,PS,M,PB,B,XB}，柴油输出转矩T_e的模糊子集：{XS,S,PS,MS,M,MB,PB,B,XB}；

定义各个变量对应隶属度函数，分别为储能***剩余电量、船舶目标总转矩、柴油机目标转矩、电机目标转矩的模糊集合及隶属度函数；其中，XS表示极小，S表示小，PS表示较小，MS表示中小，M表示中等，MB表示中大，PB表示较大，B表示大，XB表示极大。

优选地，当蓄电池剩余电量不足时，柴油机的输出转矩应高于船舶运行的总需求转矩，柴油机运行时产生的富余功率送给轴带发电机，轴带发电机发电给蓄电池和船舶电网供电。

优选地，当蓄电池剩余电量较为充足时，柴油机输出转矩应足以提供船舶运行的总需求转矩，这种情况下使柴油机在较高效率区工作，即为运行柴油机模式；

当蓄电池剩余电量充足时，柴油机应该工作在最佳工作点附近，船舶运行的总需求转矩与柴油机的输出转矩的差值由电动机来进行补偿；

当蓄电池剩余电量高时，使用柴油机作为主动力，电动机作为辅助动力进行混合推进。

优选地，柴油机的输出转矩应在最优转矩以内，转矩超过最优转矩。

一种船舶柴电联合推进模糊协调控制***，所述***包括：

结构搭建模块，所述结构搭建模块建立柴电混合动力***的并联式结构，柴油机和电动机/发电机通过齿轮箱进行二者的转矩调节，实现柴油机和电动机分别的单独推进模式，也可实现协同推进模式；

控制策略模块，所述控制策略模块建立船舶柴电联合推进***数学模型，进行模糊控制策略设计；

控制模块，所述控制模块基于模糊控制策略，蓄电池剩余电量和船舶匀速航行所需转矩作为模糊控制策略的输入，将柴油机的目标转矩和电机目标转矩作为模糊控制策略的输出。

一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该程序被处理器执行，以用于实现一种船舶柴电联合推进模糊协调控制方法。

一种计算机设备，包括存储器和处理器，所述存储器存储有计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现一种船舶柴电联合推进模糊协调控制方法。

本发明具有以下有益效果：

本发明与现有技术相比：

本发明针对传统柴油机推进船舶存在能量效率低、污染排放严重的缺点，本发明柴电联合推进船舶通过柴油机与电机的协同工作，可有效实现船舶节能，并弥补柴油机在最优工况区外的低性能缺陷。针对船舶柴电联合推进的协调工作目标，对柴电联合推进***并联传动式传动结构展开研究。考虑柴电联合推进船舶在运行过程中存在的富余功率难以回收的问题，分析柴电联合推进***能量流向，为***增加轴带电机-储能元件结构进行能量回收。考虑柴电联合推进对两种动力源的切换原则难以确定的问题，提出基于柴油机最优工况区与储能***剩余电量建立切换原则。考虑切换过程逻辑难以确定问题，提出了一种基于模糊控制的协调策略，调节柴油机、轴带电机转矩变化，实现***不同工作模式的平滑过渡。在所设计控制策略作用下，切换过程中功率变化稳定平滑，且船舶能耗有效降低，可实现船舶的稳定运行与能耗降低。

附图说明

为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1船舶柴电联合推进模糊协调控制***结构图；

图2蓄电池剩余电量的隶属度函数曲线；

图3船舶运行的总需求转矩隶属度函数曲线；

图4柴油机输出转矩隶属度函数曲线；

图5电机输出转矩隶属度函数曲线；

图6柴油机目标转矩模糊规则曲面图；

图7轴带电机目标转矩模糊规则曲面图；

图8柴油机燃油消耗map图；

图9电机工作效率map图；

图10船舶航速高于额定航速状态控制性能验证；

图11船舶航速低于额定航速状态控制性能验证；

图12燃油消耗率验证；

图13柴油机目标转矩模糊控制规则表；

图14轴带电机目标转矩模糊控制规则表。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

此外，下面所描述的本发明不同实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互结合。

以下结合具体实施例，对本发明进行了详细说明。

具体实施例一：

根据图1至图14所示，本发明为解决上述技术问题采取的具体优化技术方案是：本发明涉及一种船舶柴电联合推进模糊协调控制方法。

一种船舶柴电联合推进模糊协调控制方法，所述方法包括以下步骤：

步骤1：建立柴电混合动力***的并联式结构，柴油机和电动机/发电机通过齿轮箱进行二者的转矩调节，实现柴油机和电动机分别的单独推进模式，也可实现协同推进模式；

所述步骤1具体为：

当船舶航行所需转矩低于柴油机最优工况区范围时，可保持柴油机在最优工况区范围内进行调节；考虑柴油机转矩高于船舶航行所需转矩，通过调整电机工作模式由电动机转换为发电机，并通过以蓄电池为基础的储能装置，以发电机模式吸收柴油机传动至轴系上的富余功率，并通过轴带电机所产生电能为蓄电池进行充电，实现能量回收；当船舶所需推进转矩高于柴油机最优工况区范围时，调整电机模式为电动机，通过蓄电池为电机提供能量，进行带动电动机工作，进行船舶的联合推进；并联式柴电联合推进***通过调节电机模式以及柴油机与轴带电机转矩的合成，实现船舶柴电联合推进。

步骤2：建立船舶柴电联合推进***数学模型，进行模糊控制策略设计；

所述步骤2具体为：

根据柴油机动力学特性，根据柴油机在轴系上的转矩输入输出关系，同时考虑摩擦阻力矩的作用，柴油机的转矩平衡方程有：

其中，T_d是柴油机输出扭矩，单位N m，T_L是螺旋桨的扭矩，单位N m，T_f为摩擦阻力矩，单位N m，J_s为柴油机及推进***的转动惯量，单位kg m³；

柴油机在运行过程中功率与转速关系公式如下：

其中，n_d是柴油机转速，单位r/min，T_d是柴油机输出扭矩，单位N m，P_d是输出功率，单位kW；

柴油机的热效率η_e求取通过下式表示：

η_e＝3600P_d/(G_TH_u)

其中，τ为行程系数；G_T为柴油机每小时的耗油量，单位kg/h；n_d为柴油机转速，单位r/min；H_u为燃油热值，单位KJ/Kg；为每循环燃油供油量，单位Kg/s；

将上述热效率公式代入柴油机转速功率关系公式中，柴油机输出转矩公式通过下式表示：

燃油消耗率的公式表达如下：

其中，η_i为指示热效率，η_m为柴油机机械效率；

根据轴带电机内部平衡方程建立转矩方程：

其中，T为电机输出转矩，s为电机转差率，U₁为电源电压，R₂为转子电阻，K为转矩系数，X₂₀为转子电感；

定子相对于转子的转差率s通过下式表示：

其中，n_N为电机转子转速，n₁为定子转速，转差率s表示定子对于转子的滞后情况；

应对三相同步电机的功率进行分析，电机的功率P_N通过下述公式表示：

其中：U_N为额定电压，I_N为额定电流，功率因数，η_N为电机效率；

同时，轴带电机在额定转速下运行，电机转轴的输出扭矩与额定输出功率P_N的关系如下：

从而得到轴带电机输出转矩、输出功率及输出转速的关系，即

其中Ω_N为角速度；

对电机仿真建立电机仿真模型，需要将电机的ABC坐标系转化到dpn坐标系下，则有电机运动方程：

步骤3：基于模糊控制策略，蓄电池剩余电量和船舶匀速航行所需转矩作为模糊控制策略的输入，将柴油机的目标转矩和电机目标转矩作为模糊控制策略的输出。

所述步骤3具体为：

定义蓄电池剩余电量和船舶匀速航行所需转矩作为模糊控制策略的输入，将柴油机的目标转矩和电机目标转矩作为模糊控制策略的输出；将输入变量从包含其实际变化范围基本论域转化为能够使用模糊语言进行量化的模糊集合，定义的模糊控制策略输入信号储能***剩余电量与总目标转矩为E_SOC,T_req，输出信号柴油机目标转矩与电机目标转矩T_d,T_e，并建立各输入输出的模糊集合；

将蓄电池剩余电量和船舶运行的总需求转矩均划分为7个等级，将柴油机目标转矩和电机目标转矩均划分为9个等级；则蓄电池剩余电量E_SOC的模糊子集为{XS,S,PS,M,PB,B,XB}，船舶运行的总需求转矩T_req的模糊子集：{XS,S,PS,M,PB,B,XB}，柴油输出转矩T_e的模糊子集：{XS,S,PS,MS,M,MB,PB,B,XB}；

定义各个变量对应隶属度函数，分别为储能***剩余电量、船舶目标总转矩、柴油机目标转矩、电机目标转矩的模糊集合及隶属度函数；其中，XS表示极小，S表示小，PS表示较小，MS表示中小，M表示中等，MB表示中大，PB表示较大，B表示大，XB表示极大。

，当蓄电池剩余电量不足时，柴油机的输出转矩应高于船舶运行的总需求转矩，柴油机运行时产生的富余功率送给轴带发电机，轴带发电机发电给蓄电池和船舶电网供电。

当蓄电池剩余电量较为充足时，柴油机输出转矩应足以提供船舶运行的总需求转矩，这种情况下使柴油机在较高效率区工作，即为运行柴油机模式；

当蓄电池剩余电量充足时，柴油机应该工作在最佳工作点附近，船舶运行的总需求转矩与柴油机的输出转矩的差值由电动机来进行补偿；

当蓄电池剩余电量高时，使用柴油机作为主动力，电动机作为辅助动力进行混合推进。

柴油机的输出转矩应在最优转矩以内，转矩超过最优转矩。

一种船舶柴电联合推进模糊协调控制***，所述***包括：

结构搭建模块，所述结构搭建模块建立柴电混合动力***的并联式结构，柴油机和电动机/发电机通过齿轮箱进行二者的转矩调节，实现柴油机和电动机分别的单独推进模式，也可实现协同推进模式；

控制策略模块，所述控制策略模块建立船舶柴电联合推进***数学模型，进行模糊控制策略设计；

控制模块，所述控制模块基于模糊控制策略，蓄电池剩余电量和船舶匀速航行所需转矩作为模糊控制策略的输入，将柴油机的目标转矩和电机目标转矩作为模糊控制策略的输出。

具体实施例二：

本申请实施例二与实施例一的区别仅在于：

本发明提供了一种船舶柴电联合动力推进节能控制***。包括***体系结构设计、***工作模式设计、柴/电联合推进动力学模型建立、柴/电混合推进模糊控制器设计、***节能性仿真验证。考虑联合推进船舶通过柴油机和电机同时进行推进，通过设计模糊控制策略来对柴油机和轴带发电机/电动机的工作状态进行合理分配，实现协调控制，并通过模糊逻辑提示信号过渡的平滑性。***结构如图1所示，考虑主要影响因素，定义蓄电池剩余电量和船舶匀速航行所需转矩作为模糊控制策略的输入，将柴油机的目标转矩和电机目标转矩作为模糊控制策略的输出。

除此之外，本发明以通过柴电混合动力***实现能源节约、降低燃料消耗率为目的，同时满足柴油机输出转矩足以满足船舶按既定航速航行，故在柴油机建模的过程中，主要考虑使柴油机的燃料消耗率处在最优状态，并从而实现节约能源目的，同时考虑柴油机输出转矩特性。对柴油机的部分参数带来的影响进行忽略，包括柴油机内部结构带来的影响、本体燃烧特性等。柴油机在保持油门开度不变的情况下，通过改变柴油机所带负载改变柴油机转速，得到柴油机的相关参数随转速变化的柴油机转矩输出特性曲线、转矩输出特性曲线、燃油消耗率特性曲线。由此可以得出柴油机在不同转速状态下，相关参数的变化趋势并寻找满足既定要求的最优转速。

根据柴油机动力学特性，根据柴油机在轴系上的转矩输入输出关系，同时考虑摩擦阻力矩的作用，柴油机的转矩平衡方程有

其中，T_d是柴油机输出扭矩，单位N m，T_L是螺旋桨的扭矩，单位N m，T_f为摩擦阻力矩，单位N m，J_s为柴油机及推进***的转动惯量，单位kg m³。

同时，柴油机在运行过程中功率与转速关系公式如下：

其中，n_d是柴油机转速，单位r/min，T_d是柴油机输出扭矩，单位N m，P_d是输出功率，单位kW。

柴油机的热效率η_e求取公式如下：

η_e＝3600P_d/(G_TH_u)

其中τ为行程系数；G_T为柴油机每小时的耗油量，单位kg/h；n_d为柴油机转速，单位r/min；H_u为燃油热值，单位KJ/Kg；为每循环燃油供油量，单位Kg/s；

将上述热效率公式代入柴油机转速功率关系公式中，柴油机输出转矩公式如下：

燃油消耗率的公式表达如下：

其中η_i为指示热效率，η_m为柴油机机械效率。上述公式可以看出，柴油机在初始状态下，接近与无负载运行，故燃油消耗率可以视为无穷大。但随着柴油机所带负载不断地增加，柴油机的燃油消耗率迅速减小，通常将所带负载增加到80％左右的状态下，柴油机的燃油消耗率达到最小值，此时可视为柴油机取最佳转速的状态，随后随着所带负载的继续增加，柴油机的燃油消耗率迅速增加，通常为了保证柴油机的燃油消耗率处于最佳状态，避免柴油机在低负载状态下运行燃油消耗率较高，应该使柴油机工作在最佳的燃油消耗率状态下。

同时，在柴油机运行状态下，由于柴油机内部结构存在各种原因的元件摩擦。

摩擦带来的阻力较为复杂，当转速不断增大时，由于转速过高，会使柴油机内部润滑油的阻力减小，从而减小摩擦阻力，但同时转速增大也会导致摩擦不断增大，故柴油机输出转矩、转速与摩擦转矩之间的关系公式如下：

其中：S_C为冲程数；S_p为活塞平均速度，单位m/s；V为柴油机排量，单位m³。

将上述公式代入柴油机运动平衡方程，则有：

同时，选用三相同步交流电机为轴带电机，在发电机模式下，既三相同步电动机作为发电机时，并网情况下，由于柴油机推进存在富余功率，此时若柴油机所驱动轴系使轴带电机转速大于其定子产生的旋转磁场同步转速就可以实现发电作用，将柴油机的富裕功率传送给电机并用于电池充电，通过分析轴带电机的电磁学原理进行电机的定子电压、转子电压数学建模，并根据轴带电机的运动学原理以及传动关系，得到轴带电机电压参数和输出转速、输出转矩、输出功率的关系。

考虑轴带电机的输出功率、输出转速、输出转矩，故对轴带电机内部频率、温度、磁滞等因素带来的影响，根据轴带电机内部平衡方程建立转矩方程：

其中：T为电机输出转矩，s为电机转差率，U₁为电源电压，R₂为转子电阻，K为转矩系数，X₂₀为转子电感。

同时，定子相对于转子的转差率s，有

其中，n_N为电机转子转速，n₁为定子转速，转差率s表示定子对于转子的滞后情况。

同时，应对三相同步电机的功率进行分析，电机的功率P_N可用下述公式表示：

其中：U_N为额定电压，I_N为额定电流，功率因数，η_N为电机效率。

同时，轴带电机在额定转速下运行，电机转轴的输出扭矩与额定输出功率P_N的关系如下：

从而得到轴带电机输出转矩、输出功率及输出转速的关系，即

其中Ω_N为角速度。

对电机仿真建立电机仿真模型，需要将电机的ABC坐标系转化到dpn坐标系下，则有：

dpn坐标下电压方程

/>

在dpn坐标系下电机的磁链方程为：

ψ_sd＝L_s1i_sd+L_m(i_sd+i_rd)

ψ_sq＝L_s1i_sq+L_m(i_sq+i_rq)

ψ_sn＝L_s1i_sn

ψ_rd＝L_r1i_rd+L_m(i_sd+i_rd)

ψ_rq＝L_r1i_rq+L_m(i_sq+i_rq)

ψ_m＝L_r1i_m

电机运动方程：

同时，本发明为满足不同模式下，柴油机和轴带电机的不同工作状态进行带动螺旋桨传动轴系，选取使用柴油机、轴带电机双输入，螺旋桨单输出即双输入单输出的行星齿轮箱，通过电磁离合器的控制，控制柴油机的关断或接通，以及柴油机的油门开度，将柴油机的和轴带电机输出转矩、转速在不同工作模式下经齿轮箱进行双输入的合成，最终得到输入给螺旋桨的轴系转速和转矩，驱动螺旋桨运行，故对齿轮箱的数学模型进行建立，主要考虑转矩、转速在齿轮箱中传动关系，由公式表示：

为模拟混合动力船舶实际航行状态，本发明通过船、机、桨三者的能量传递关系和运动关系，对三者结合建模，得到***的动态方程。柴油机和轴带电机的转矩、转速通过齿轮变速箱在不同的工作模式下进行合成，共同驱动螺旋桨，通过螺旋桨推动船舶航行。通过数学建模，得到柴油机、电动机输入转速和螺旋桨输出转速的关系。根据船舶原理，影响螺旋桨的淌水特性主要因素分别有转矩M_p和推力T_p，可由下述公式表示：

其中，K_T为螺旋桨的推力系数，K_Q为螺旋桨的转矩系数，二者均为进速系数J的二次多项式，由于无具体公式关系，只可以通过图谱查找得出，同时K_T、K_Q满足下述公式，ρ为海水密度，D_P为螺旋桨直径，n为螺旋桨转速。

其中，v_P为螺旋桨的前进速度，n为螺旋桨转速，D_P为螺旋桨直径，h_P为螺旋桨的进程，所选用的螺旋桨模型为调距桨，故螺旋桨的工作区域会越过第一象限，运动到其他象限，即K_T、K_Q、J的正负都不固定。但由于螺旋桨的工作范围过大，故应进行简化，对于螺旋桨的工作特性进行有界定义：

可以得到工作在在[-1,1]时，J和J′的关系，由下述公式表示

由于转化后的进速系数J′被定义在有界范围内，则相应的转化后的推力系数K_T、转矩系数K_Q也被定义在有界范围内。且转化后的推力系数K_T、转矩系数K_Q与进速系数J′的关系可由下述公式表示

为了更准确的获得螺旋桨的推力系数和转矩系数，应进一步对有界化后的四象限螺旋桨谱图进行拟合，采用切比雪夫多项式，第一类切比雪夫多项式的根通过分析计算，可以用于拟合过程中的多项式插值，增加曲线的平滑度，使节点数据更容易通过曲线得出。切比雪夫多项式在对于连续函数的最佳一致逼近具有较好的效果。从而得到螺旋桨的推力T_p和转矩M_p的函数关系，由下述公式表示

由于螺旋桨通常都工作在船舶的尾部，在船舶航行状态下，螺旋桨桨叶的旋转使其在水中具有抽吸作用，船舶螺旋桨的高速旋转会导致螺旋桨行进方向的区域水流速度增大。根据流体力学原理及伯努利定理，在固体表面的水流速度、空气流动速度增大，都会导致表面的压力减小，而对于背面的水流速度变化和正面不同，故会产生一定程度的表面压强差，从而会产生对船舶航行的阻力，引起的船体附加阻力通常被称为阻力增额。螺旋桨的推力可由下述公式表示

T_P＝R+ΔT

对于推力减额系数，有

t＝(T-R)/T

螺旋桨的有效推力，可由下述公式表示

P_e＝T_P(1-t)

推力减额系数是一个无因次的系数。而且是一个常值，需要通过分析计算得出，它的大小与船型、螺旋桨的参数以及桨与船体之间的相对位置等因素有关。推力减额系数T可采用经验公式估算法，船舶航行阻力是指船舶航行时，作用于船体上阻止船舶运动的力，包括空气阻力和水阻力。有柴油机、轴带电机组成的动力***产生的动力用于克服船舶航行阻力推动船舶前进，可通过船池模型试验数据拟合的方法对船舶航行阻力进行估算，可由下述公式表示

其中：R_s为船舶航行阻力；r为船舶阻力系数；V_s为船舶航行速度。

故根据能量流动方向和运动学原理，对船—机—桨进行数学建模，可由下述公式表示：

其中，M为船舶质量，m船舶附水质量；P_e为船舶螺旋桨的有效推力，I为船舶轴系转动惯量；i为齿轮箱的速比；M_f为推进***能量传递工程中的转矩消耗，通常以经验可取0.1M_P。代入公式，则有

其中：V_s＝v_p(1-ω)，ω是伴流系数。

由此为船舶柴电联合推进动力***建立输入为主机转速，输出为螺旋桨转矩和转速的***结构。

除此之外，本发明实施例还提供了一种船舶柴电混合动力推进模糊控制方法，具备相应的有益效果。将输入变量从包含其实际变化范围基本论域转化为能够使用模糊语言进行量化的模糊集合，定义的模糊控制策略输入信号储能***剩余电量与总目标转矩为E_SOC,T_req，输出信号柴油机目标转矩与电机目标转矩T_d,T_e,并建立各输入输出的模糊集合；

将蓄电池剩余电量和船舶运行的总需求转矩均划分为7个等级，将柴油机目标转矩和电机目标转矩均划分为9个等级。则蓄电池剩余电量E_SOC的模糊子集为{XS,S,PS,M,PB,B,XB}，船舶运行的总需求转矩T_req的模糊子集：{XS,S,PS,M,PB,B,XB}，柴油输出转矩T_e的模糊子集：{XS,S,PS,MS,M,MB,PB,B,XB}。

同时定义各个变量对应隶属度函数，如图2、3、4、5所示，分别为储能***剩余电量、船舶目标总转矩、柴油机目标转矩、电机目标转矩的模糊集合及隶属度函数。其中，XS表示极小，S表示小，PS表示较小，MS表示中小，M表示中等，MB表示中大，PB表示较大，B表示大，XB表示极大。

柴电联合推进船舶模糊控制规则的设计主要根据以下步骤来制定：

(1)当蓄电池剩余电量不足时，柴油机的输出转矩应高于船舶运行的总需求转矩，柴油机运行时产生的富余功率送给轴带发电机，轴带发电机发电给蓄电池和船舶电网供电。

(2)当蓄电池剩余电量较为充足时，柴油机输出转矩应足以提供船舶运行的总需求转矩，这种情况下使柴油机在较高效率区工作，即为运行柴油机模式。

(3)当蓄电池剩余电量充足时，柴油机应该工作在最佳工作点附近，船舶运行的总需求转矩与柴油机的输出转矩的差值由电动机来进行补偿。

(4)当蓄电池剩余电量高时，使用柴油机作为主动力，电动机作为辅助动力进行混合推进。

(5)无论使用何种模式推进，为降低燃油消耗量，提高燃油利用率，柴油机的输出转矩都应在最优转矩以内，转矩超过最优转矩。

基于上述运行原则，设计模糊控制策略的模糊控制规则表如图13、14所示，分别对双输出分别规定模糊控制规则。其中，轴带电机转矩对应输出的XS部分代表其做轴带发电机的状态，S代表轴带电机不工作状态，其余状态代表其做电动机。柴油机转矩对应输出XS代表柴油机不工作状态。

针对所设计柴电混合推进模糊控制策略，所设计的模糊控制策略作用下，分别绘制模糊规则曲面如图6、7所示，其中，图6代表柴油机目标转矩与船舶总转矩与储能***剩余电量关系，图7代表轴带电机目标转矩(工作状态)与船舶总转矩与储能***剩余电量关系。

由上述模糊规则曲面图可以看出，柴油机目标转矩输出较多处在最优工况区范围内，而电机目标输出转矩在柴油机最优工况区范围内负荷最小，且在船舶目标转矩处于柴油机最优工况区范围外时，轴带电机承担的推进负荷提升，且输出转矩与储能***剩余电量一定程度上成正比趋势。

针对所提出的方法，进行所设计的模糊控制策略进行节能效果验证，当船舶所总需转矩及储能***剩余电量已知的情况下，通过模糊控制策略进行柴油机转矩与电机转矩的实时决策，并发出柴油机与电机目标转矩信号。根据图8、9中的柴油机油耗map图与电机效率map图可获取在不同转矩情况下，柴油机的油耗以及电机的能耗。以上述方法分析***总能耗，并分析船舶航行的经济性。

首先，取船舶航速高于额定航速状态进行仿真验证，在调整储能***剩余电量的过程中，分别验证了柴油机单独推进模式、混合推进模式、轴带发电机模式。

***仿真情况如图10所示，当船舶的目标航速高于额定航速、储能***剩余电量不足时，在模糊控制策略的决策作用下，为保证航速稳定，柴油机处于在最优工况区外，相对最优工况区转矩略大的工作状态，此时船舶为柴油机单独推进状态，且柴油机转矩存在功率。同时，控制电机处于轴带发电机状态，回收轴系上富余功率。当调整储能***剩余电能不断升高时，控制柴油机输出转矩逐渐降低，轴带电机逐渐调整为轴带电动机状态。可以观察到，柴油机转矩逐渐降低到最优工况区范围内，该状态下柴油机的工作效率最高，而根据图11，电机在对应转矩状态下能量效率较高，有效弥补了柴油机最优工况区外低效的缺陷。除此之外，可以观察到，在不同的储能剩余电量的情况下，实现了混合动力***的模式切换与转矩调整，使柴油机能量充分发挥作用，实现了***的多模式运行与船舶节能。

由上述仿真验证可知，所设计的控制策略在船舶目标转矩高于额定转矩情况下的有效性，接下来验证船舶目标转矩在低于额定转矩状态下的有效性。考虑在上一验证过程中，已验证轴带电机在不同储能***剩余电量状态下其工作模式的可切换性。故在该环节验证中，设定轴带电机电量为较充足状态的固定值，调整船舶目标转矩不断变化，进一步深入分析柴油机与轴带电机的协同工作特性。当船舶目标转矩较低时，***主要通过轴带电机作电动机进行船舶推进，柴油机基本近似处于不工作状态，***在该状态下兼有电机具备的快速响应特性与高工作效率特性。当船舶目标转矩不断升高时，由于目标转矩不断趋近于柴油机最佳工况区，且电机无法供应过高转矩，故不断调整柴油机处于主导地位，并降低电机工作强度，以实现轴带电动机单独运行状态到柴电联合推进状态的过度，实现***的运行模式与功率智能化可调。

进一步对***节能性进行验证，将电池剩余电量设为60％，设船舶航行所需转矩6250KN·m，此时柴油机工作在额定功率下，对柴电混合动力***进行仿真建模，***燃油消耗率仿真曲线如图12所示。

设船舶所需转矩增加的过程中，对所选船型分别使用柴油机单独推进模式和混合动力推进模式能耗效果进行比较。对于柴油机单独推进状态，船舶由静止增至最大转矩过程，通过测得柴油机燃油消耗量曲线终值进行估算，柴油机单独启动耗油量约为76kg。

对于柴电混合动力***，在电池剩余电量为60％的情况下，故该阶段电量消耗约为30度；柴油机单独驱动，该过程持续100s，燃油消耗率约为185g/kWh，该阶段燃油消耗约为185×0.028×1320＝6.838kg；切换为柴电混合动力推进时，忽略传动过程中损失，通过P1+P2＝P可得，柴油机工作在额定功率1320KW下，船舶航行所需功率1471KW，轴带电机所需功率151KW，整个过程持续800s，故该过程中柴油机消耗约为185×0.22×1320＝53.724kg，轴带电机功率为151KW，故该过程电量消耗约为151×0.22＝33.22度，故整个过程燃油消耗约为60.562kg，故所设计柴电混合动力***可实现船舶航行节能。

具体实施例三：

本申请实施例三与实施例二的区别仅在于：

本发明提供一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该程序被处理器执行，以用于实现一种船舶柴电联合推进模糊协调控制方法。

具体实施例四：

本申请实施例四与实施例三的区别仅在于：

本发明提供一种计算机设备，包括存储器和处理器，所述存储器存储有计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现一种船舶柴电联合推进模糊协调控制方法。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或N个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“N个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。流程图中或在此以其他方式描述的任何过程或方法描述可以被理解为，表示包括一个或更N个用于实现定制逻辑功能或过程的步骤的可执行指令的代码的模块、片段或部分，并且本发明的优选实施方式的范围包括另外的实现，其中可以不按所示出或讨论的顺序，包括根据所涉及的功能按基本同时的方式或按相反的顺序，来执行功能，这应被本发明的实施例所属技术领域的技术人员所理解。在流程图中表示或在此以其他方式描述的逻辑和/或步骤，例如，可以被认为是用于实现逻辑功能的可执行指令的定序列表，可以具体实现在任何计算机可读介质中，以供指令执行***、装置或设备(如基于计算机的***、包括处理器的***或其他可以从指令执行***、装置或设备取指令并执行指令的***)使用，或结合这些指令执行***、装置或设备而使用。就本说明书而言，"计算机可读介质"可以是任何可以包含、存储、通信、传播或传输程序以供指令执行***、装置或设备或结合这些指令执行***、装置或设备而使用的装置。计算机可读介质的更具体的示例(非穷尽性列表)包括以下：具有一个或N个布线的电连接部(电子装置)，便携式计算机盘盒(磁装置)，随机存取存储器(RAM)，只读存储器(ROM)，可擦除可编辑只读存储器(EPROM或闪速存储器)，光纤装置，以及便携式光盘只读存储器(CDROM)。另外，计算机可读介质甚至可以是可在其上打印所述程序的纸或其他合适的介质，因为可以例如通过对纸或其他介质进行光学扫描，接着进行编辑、解译或必要时以其他合适方式进行处理来以电子方式获得所述程序，然后将其存储在计算机存储器中。应当理解，本发明的各部分可以用硬件、软件、固件或它们的组合来实现。在上述实施方式中，N个步骤或方法可以用存储在存储器中且由合适的指令执行***执行的软件或固件来实现。如，如果用硬件来实现和在另一实施方式中一样，可用本领域公知的下列技术中的任一项或他们的组合来实现：具有用于对数据信号实现逻辑功能的逻辑门电路的离散逻辑电路，具有合适的组合逻辑门电路的专用集成电路，可编程门阵列(PGA)，现场可编程门阵列(FPGA)等。

以上所述仅是一种船舶柴电联合推进模糊协调控制方法的优选实施方式，一种船舶柴电联合推进模糊协调控制方法的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于该思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本领域的技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和变化，这些改进和变化也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种船舶柴电联合推进模糊协调控制方法，其特征是：所述方法包括以下步骤：

步骤1：建立柴电混合动力***的并联式结构，柴油机和电动机/发电机通过齿轮箱进行二者的转矩调节，实现柴油机和电动机分别的单独推进模式，也可实现协同推进模式；

步骤2：建立船舶柴电联合推进***数学模型，进行模糊控制策略设计；

步骤3：基于模糊控制策略，蓄电池剩余电量和船舶匀速航行所需转矩作为模糊控制策略的输入，将柴油机的目标转矩和电机目标转矩作为模糊控制策略的输出。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征是：所述步骤1具体为：

当船舶航行所需转矩低于柴油机最优工况区范围时，可保持柴油机在最优工况区范围内进行调节；考虑柴油机转矩高于船舶航行所需转矩，通过调整电机工作模式由电动机转换为发电机，并通过以蓄电池为基础的储能装置，以发电机模式吸收柴油机传动至轴系上的富余功率，并通过轴带电机所产生电能为蓄电池进行充电，实现能量回收；当船舶所需推进转矩高于柴油机最优工况区范围时，调整电机模式为电动机，通过蓄电池为电机提供能量，进行带动电动机工作，进行船舶的联合推进；并联式柴电联合推进***通过调节电机模式以及柴油机与轴带电机转矩的合成，实现船舶柴电联合推进。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征是：所述步骤2具体为：

根据柴油机动力学特性，根据柴油机在轴系上的转矩输入输出关系，同时考虑摩擦阻力矩的作用，柴油机的转矩平衡方程有：

其中，T_d是柴油机输出扭矩，单位N m，T_L是螺旋桨的扭矩，单位N m，T_f为摩擦阻力矩，单位N m，J_s为柴油机及推进***的转动惯量，单位kg m³；

柴油机在运行过程中功率与转速关系公式如下：

其中，n_d是柴油机转速，单位r/min，T_d是柴油机输出扭矩，单位N m，P_d是输出功率，单位kW；

柴油机的热效率η_e求取通过下式表示：

η_e＝3600P_d/(G_TH_u)

其中，τ为行程系数；G_T为柴油机每小时的耗油量，单位kg/h；n_d为柴油机转速，单位r/min；H_u为燃油热值，单位KJ/Kg；为每循环燃油供油量，单位Kg/s；

将上述热效率公式代入柴油机转速功率关系公式中，柴油机输出转矩公式通过下式表示：

燃油消耗率的公式表达如下：

其中，η_i为指示热效率，η_m为柴油机机械效率；

根据轴带电机内部平衡方程建立转矩方程：

其中，T为电机输出转矩，s为电机转差率，U₁为电源电压，R₂为转子电阻，K为转矩系数，X₂₀为转子电感；

定子相对于转子的转差率s通过下式表示：

其中，n_N为电机转子转速，n₁为定子转速，转差率s表示定子对于转子的滞后情况；

应对三相同步电机的功率进行分析，电机的功率P_N通过下述公式表示：

其中：U_N为额定电压，I_N为额定电流，功率因数，η_N为电机效率；

同时，轴带电机在额定转速下运行，电机转轴的输出扭矩与额定输出功率P_N的关系如下：

从而得到轴带电机输出转矩、输出功率及输出转速的关系，即

其中Ω_N为角速度；

对电机仿真建立电机仿真模型，需要将电机的ABC坐标系转化到dpn坐标系下，则有电机运动方程：

4.根据权利要求3所述的方法，其特征是：所述步骤3具体为：

定义蓄电池剩余电量和船舶匀速航行所需转矩作为模糊控制策略的输入，将柴油机的目标转矩和电机目标转矩作为模糊控制策略的输出；将输入变量从包含其实际变化范围基本论域转化为能够使用模糊语言进行量化的模糊集合，定义的模糊控制策略输入信号储能***剩余电量与总目标转矩为E_SOC,T_req，输出信号柴油机目标转矩与电机目标转矩T_d,T_e，并建立各输入输出的模糊集合；

将蓄电池剩余电量和船舶运行的总需求转矩均划分为7个等级，将柴油机目标转矩和电机目标转矩均划分为9个等级；则蓄电池剩余电量E_SOC的模糊子集为{XS,S,PS,M,PB,B,XB}，船舶运行的总需求转矩T_req的模糊子集：{XS,S,PS,M,PB,B,XB}，柴油输出转矩T_e的模糊子集：{XS,S,PS,MS,M,MB,PB,B,XB}；

定义各个变量对应隶属度函数，分别为储能***剩余电量、船舶目标总转矩、柴油机目标转矩、电机目标转矩的模糊集合及隶属度函数；其中，XS表示极小，S表示小，PS表示较小，MS表示中小，M表示中等，MB表示中大，PB表示较大，B表示大，XB表示极大。

5.根据权利要求4所述的方法，其特征是：

当蓄电池剩余电量不足时，柴油机的输出转矩应高于船舶运行的总需求转矩，柴油机运行时产生的富余功率送给轴带发电机，轴带发电机发电给蓄电池和船舶电网供电。

6.根据权利要求5所述的方法，其特征是：

当蓄电池剩余电量较为充足时，柴油机输出转矩应足以提供船舶运行的总需求转矩，这种情况下使柴油机在较高效率区工作，即为运行柴油机模式；

当蓄电池剩余电量充足时，柴油机应该工作在最佳工作点附近，船舶运行的总需求转矩与柴油机的输出转矩的差值由电动机来进行补偿；

当蓄电池剩余电量高时，使用柴油机作为主动力，电动机作为辅助动力进行混合推进。

7.根据权利要求6所述的方法，其特征是：柴油机的输出转矩应在最优转矩以内，转矩超过最优转矩。

8.一种船舶柴电联合推进模糊协调控制***，其特征是：所述***包括：

结构搭建模块，所述结构搭建模块建立柴电混合动力***的并联式结构，柴油机和电动机/发电机通过齿轮箱进行二者的转矩调节，实现柴油机和电动机分别的单独推进模式，也可实现协同推进模式；

控制策略模块，所述控制策略模块建立船舶柴电联合推进***数学模型，进行模糊控制策略设计；

控制模块，所述控制模块基于模糊控制策略，蓄电池剩余电量和船舶匀速航行所需转矩作为模糊控制策略的输入，将柴油机的目标转矩和电机目标转矩作为模糊控制策略的输出。

9.一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，该程序被处理器执行，以用于实现如权利要求1-7任意一项所述的方法。

10.一种计算机设备，包括存储器和处理器，所述存储器存储有计算机程序，其特征是：所述处理器执行所述计算机程序时实现权利要求1-7任意一项所述的方法。