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第三章
正常情况下的推进控制
低级推进器控制器的目的是使期望推力Td与命令扭矩Qc相关。如第1.1节所述，Td可以通过在DP或操纵杆模式下的推力分配来给定，或者在MTC模式下手动给定。根据运行条件，推进器控制器可以分为两种控制方式：
a）推进控制器在正常情况下，当经历低到中等的推力损失时。
b）推进控制器在极端条件下，当由于通风和进出水的影响而遭受大而突然的推力损失时。
本章首先考虑了两种控制方式共有的控制方面，然后重点介绍了控制方式a）。第6章讨论了控制制度b）。
3.1限制
在大多数工作中，假设只有轴的转速n和电动机扭矩Qm可作为测量值。在工业装置中，推进装置上的附加仪表并不常见。对于电动机，Qm很容易从电动机电流和与柴油机相关的燃油指数中得出。附录E.2中讨论了一些可用附加仪表的控制选项。提出的控制器主要针对由电动机驱动的定螺距螺旋桨的低速应用，但也可能适用于机械直接驱动定螺距螺旋桨。当前的概念还可以扩展到具有集中控制（即对螺距和速度的控制）和运输操作的可调螺距螺旋桨。在第8章中将对此进行简短介绍。
各种控制方案所需的参数将陆续介绍。基本控制参数是螺旋桨直径D，（2.8）中的额定推力系数KT0和（2.9）中的额定转矩系数KQ0。这三个参数通常是已知的，例如：可以通过系船柱的拉力（2.63）和功率（2.65）或螺旋桨的开水特性从而计算出KT0和KQ0。对于非对称螺旋桨，还需要反向额定推力KT0r和扭矩系数KQ0r才能获得良好的性能。
根据实际应用和所选的低级推进器控制器，可能需要了解（2.51）中的摩擦系数Qs和Komega;和（2.50）中的旋转惯量Is。 Qs和Komega;可以从驱动系统的系统识别中找到。Is是选择电动机的重要参数，因此在大多数情况下应该是已知的。在附录B.3中，讨论了如何在手动调节控制器期间识别这些参数的估计值。
3.2控制目标
任何推进器控制器的最终目标是使实际推力Ta跟踪推力参考值Tr。但是，在动态运行条件下，其他目标可能与跟踪Tr同样重要，例如，跟踪Tr。减少机械磨损并限制功率波动和峰值。在严重的动态负载可能会持续很长时间的推进器控制方案b）中尤其如此，在这种情况下，将考虑以下性能标准：
1.在出现干扰的情况下产生推力，即局部抵消推力损失的能力。
2.电机和螺旋桨扭矩的瞬变和波动而引起的机械磨损。
3.可预测的功耗。
4.性能的稳定。
3.2.1推力产生
第1.1节介绍了DP系统的结构，包括高级控制器，推力分配和低级推进器控制。为了使推进系统产生所需的推力，低级推进器控制器必须在推力产生方面具有合理的精度。如果不是这种情况，则推力分配将很难将推力分配给各个推进装置，因为实际产生的推力没有反馈。期望推力和实际产生的推力之间的偏差最终将被DP控制系统中的积分作用捕获，并且推力器的设定点会相应地增加或减少。但是，这是一个缓慢的过程，因此，不正确的低级推进器控制将导致整个定位系统的带宽减少。因此，改进的低水平推进器控制器有望显着改善定位和跟踪性能（Soslash;rensen等，1997； Strand，1999）。请注意，对于DP控制系统，推力的平均值和缓慢变化很重要：由波浪和波频率的船舶运动引起的推力波动通常不会显着影响船舶运动。
3.2.2机械磨损
正常条件
很少有参考文献讨论推进装置在正常工作条件下的机械磨损。在较早的参考文献中，单个柴油发动机气缸点火产生的螺旋桨轴上的扭矩负载已成为重要课题。显然，解决螺旋桨轴系的频繁故障问题一般会研究振动，振动引起的载荷和结构疲劳的主要驱动力。这在例如克尔·威尔逊（1963）的研究中被大量处理。已研究的另一个主题是由于安装在船体后面的螺旋桨的流量不均匀而导致的动态轴载荷及其对结构疲劳的影响，请参见Wereldsma（1965），Lewis（1989）和Carlton（1994）。
从2.3.1节中可以明显看出，波浪引起的螺旋桨随时间变化的流量将导致螺旋桨随时间变化的载荷。根据所选的低级推进器控制策略，这将导致螺旋桨转矩和推力，轴转速以及电动机转矩和功率发生振荡。尤其是在恶劣的海况下，即使螺旋桨被深深地淹没，随时间变化的载荷也会很大。螺旋桨和电动机扭矩的振荡通过轴和齿轮传递，从而增加了动态负载。 Domachowski等人对此进行了研究。 （1997），他得出的结论是，由于波浪引起的动态载荷在轴元件和柔性联轴器中引起了明显的扭力振荡，并且长时间会导致疲劳强度降低，磨损增加。
为了减少机械磨损，认为将转矩振荡减小到最小是有利的。
极端条件
如第2.4.6节中所述，在公海至极端海域的船舶上，螺旋桨可能会承受严重的动态载荷，这不仅是由于通风过程中平均载荷的巨大变化而导致的波浪频率，还有叶片频率和以上各个叶片负载所致。螺旋桨的动态载荷不仅会给螺旋桨的结构带来危险，而且还可能导致推进系统的机械磨损。在所有推进装置中，推进力均通过电动机从电动机传递至螺旋桨轴由轴承固定，并带有密封圈以防止进水。许多推进器单元还包含由齿轮，轴和轴承所组成的传输系统。因此，齿轮将承受动态的螺旋桨和电动机扭矩，推力齿轮或止推块将承受动态螺旋桨推力，并且固定螺旋桨轴和轴封的轴承将承受横向和垂直载荷。整个推进器单元还将受到螺旋桨高频振动的影响。尽管推进器的机械磨损尚未在文献中得到充分记录，但它是一个众所周知的工业问题，近年来已受到越来越多的关注，尤其是对于方位角推进器和隧道推进器而言（Koushan，2004，2006）。人们认为，这种推进器的齿轮和轴承中普遍存在的机械故障主要是由于低频通风负荷和叶片频率负荷振荡的结合。
IMCA M-129（1995）和IMCA M-162（2001）对螺旋桨的各种失效模式进行了广泛处理。尽管在这些参考文献中仅简单提及了动态螺旋桨负载这一主题，但显然轴，齿轮，轴承和密封件的故障可能部分归因于动态负载和振动。最近为改善对这些载荷及其对推进装置机械部件的影响的理解而做出的努力也反映了这一点。例如，Rolls-Royce在2005年与MARINTEK合作任命NTNU为25个全球大学技术中心（UTC）之一。该计划为期10年，提供了大量资金，名为“海上航行性能”，专门研究动力问题，例如动态螺旋桨装载和改进的控制器（Rolls-Royce新闻稿，2005； NTNU新闻稿， 2005年）。
3.2.3功耗
有关DP船只的推进系统通常是主电源的消费者之一。这也被认为是相对于安全性的关键系统。为了安全运行并最大程度地减少燃料消耗，对发电和配电系统的最佳控制至关重要。此任务通常由电源管理系统（PMS）或更复杂的能源管理系统（EMS）执行。 PMS响应于系统负载停止，启动并同步主发电机组，目的是防止停电，同时最大程度地减少在线发电机组的数量。如果功率负载增加得太快而使发电机无法响应，或者负载高于可用功率，则结果是电网上的频率不足。如果网络频率变得太低，发电机将被断开，导致停电的结果。这是在DP船上最糟糕的情况之一。在恶劣的天气条件下，推进器的动态负载可能导致不可预测的功率变化。为了满足功率峰值，然后可能迫使操作器获得比必要更多的功率。这会增加燃料消耗，以及发电机组的磨损和维护，因为它们在较低负载下可获得更多的运行时间。因此，为了避免停电，改善发电和配电网络的性能和稳定性以及最大程度地减少燃料消耗和磨损，耗电量是电源管理系统的主要关注点（Lauvdal和Aring;dnanes，2000； 2003年5月；Soslash;rensen和Aring;dnanes，2005； Radan等，2005）。
3.2.4鲁棒性
与所有控制系统一样，鲁棒性是一个重要问题。推力器控制器在建模不确定性方面应具有鲁棒性，因为不能完全掌握必要参数的知识。此外，系统的某些物理属性（例如轴摩擦）可能会在螺旋桨的使用寿命内发生变化。控制器还必须能够处理各种工作条件，从推力要求低的平静海域到推力要求高的极端海域。
3.2.5水面船只与水下航行器的比较
对于低水平推进器控制，水面船只与小型水下航行器（例如ROV和AUV）之间的主要区别在于船只的动态响应。由于水下航行器的时间常数很小，其推进器动力学可能会强烈影响其闭环行为（Yoerger等，1991； Healey等，1995）。对于水面舰艇而言，推进器的动态响应较不重要，例如当船只本身的时间常数占主导地位时，具有保持驻留的能力。但是，推力产生仍然非常重要。
螺旋桨预期的操作条件也有不同。水面船只的螺旋桨的运行状况受船只负载状况，船只运动，波浪和水流的影响。水下航行器通常在波浪区以下工作，因此仅受船只运动和水流的影响。此外，由于波浪引起的船只运动，水面船只比水下航行器剧烈得多。这意味着对水面舰艇推进器控制器的要求可能与水下航行器的相应要求有很大不同。在本文中，主要的焦点是水面船只。
3.3推进器控制器结构
具有参考发生器，推进器控制器和扭矩限制功能的推进装置的框图如图3.1所示。来自推力分配或手动推力器控制的期望推力Td通过参考发电机，以避免将瞬态输入推力器控制器。参考发生器的输出是推力参考Tr。推进器控制器计算命令扭矩Qc0，该扭矩又通过扭矩限制功能传递，以避免从推进器电机命令过多的扭矩或功率。转矩和功率限制命令转矩Qc用于控制电动机。系统的输出是推力Ta。在方框图中，螺旋桨推力和扭矩由（2.1）和（2.2）中的函数fT（·）和fQ（·）表示。
图3.1：具有控制方案的推进装置的框图，包括参考发电机，推进器控制器和扭矩/功率限制功能
备注3.1：在此工作中，选择低级推进器控制器的接口作为期望推力Td。在具有轴速度控制的工业应用中，这个接口通常是所需的轴速度，这是使用（3.1）中给出的静态映射根据Td计算得出的。仅在使用轴速度控制时适用。
3.4最新技术
通常有三种类型的螺旋桨：速度控制的定螺距螺旋桨，桨距控制的可调螺距螺旋桨和综合控制的可调螺距螺旋桨（CCP）。对于综合控制的可调螺距螺旋桨，可以控制轴速度和螺距。由于可以通过轴速度和螺距的多种组合产生所需的推力，因此可以将其表述为最佳控制问题。 综合控制的可调螺距螺旋桨的最佳控制主要与传输操作有关。这在例如Schanz（1967），Winterbone（1980），Beek 和 Mulder（1983），Parsons 和 Wu（1985），Bakountouzis（1992），Chachulski等（1995），Fukuba等（1996），Morvillo（1996），Young-Bok等（1998），Whalley和Ebrahimi（2002），以及Ruth（2006）等的综述中表现。 综合控制的可调螺距螺旋桨也可以通过所需推力到桨距和轴速度的固定映射来控制。这将在8.1节中进一步讨论，其中为定螺距螺旋桨开发的控制概念已扩展到综合控制的可调螺距螺旋桨。
对于配备定螺距螺旋桨的水面船舶，轴速度控制是电动和机械直驱式螺旋桨的行业标准（但是，机械直驱式螺旋桨通常为可调螺距螺旋桨）。用于推进器轴速度控制的PID型控制器的起源尚不确定，但只要使用了推进器，它们就有可能被使用。早期蒸汽轮机的机械调速器为离心式，对应于纯比例控制器（瓦特离心式调速器）。在一段时间后，这种情况被更复杂的机械，液压，气动和模拟电子调速器所取代。例如用于柴油发动机的调速器。自十九世纪70年代以来，数字电子调速器为柴油机控制提供了新的可能性。 Blanke和Busk Nielsen（1987，1990）利用了这一点，他们设计并实现了具有三种控制模式的调速器：恒速，恒转矩和恒功率。调速器已成功安装在大量船舶上。功率控制模式在运输过程中具有良好的性能，并减少了航道中的功率振荡。这似乎是定螺距螺的旋桨转矩和功率控制的明确概念的第一个参考。在柴油发动机的控制中，轴速度控制仍然是最常用的解决方案，例如反应在在伍德沃德州长公司（2004）的参考手册，其中甚至没有提到扭矩和功率控制。对于综合控制的可调螺距螺旋桨，Schanz（1967）讨论了转矩和功率控制的良好特性，他提出了恒定的轴速度/转矩/功率控制器。这将在8.1.5节中进一步讨论。
对于水面船只上的电力驱动定螺距螺旋桨，轴速控制已成为主要解决方案。尽管没有文献记载，但其他控制方法也已在工业中使用。根据Skjellnes（2006）的说法，西门子在1982年交付了第一台带有转矩和功率控制的直流设备，在1994年交付了另一台。由于他们在这些概念方面的积极经验，当他们开始交付交流设备时选择了功率控制。这在他们的销售手册中有所体现（西门子 AG，2005年）。在并行开发中，ABB和NTNU也开始致力于扭矩和功率控制，最终形成了Soslash;rensen等（1997）和Strand（1999）的产物。这些似乎是由电力驱动螺旋桨的水面船只扭矩和功率控制的第一个可用参考，并且已成为本文提出的工作起点。从（3.29）和（3.32）中给出的转矩和功率控制公式。应当注意的是，西门子和ABB都仅在传输操作中使用转矩和/或功率控制，而这些概念已被证明在屏蔽负载干扰和限制功率振荡方面具有优势。随后，在Smogeli等（2004a）中引入了组合的扭矩和功率控制器。，并在Smogeliet等（2005a），Soslash;rensen和Smogeli（2006）中得到进一步发展。在Smogeli等（2003，2004b，2006），Soslash;rensen和Smogeli（2006）中已经讨论产生了在极端工作条件下对电动螺旋桨进行防旋转推进器控制的概念。
对于水下航行器，轴速控制（Healey和Lienard，1993； Egeskov等，1995； Caccia和Veruggio，2000； Refsnes和Soslash;rensen，2004； Omerdic和Roberts，2004）和转矩控制（Yang等1999； Antonelli等，2001； Smallwood和Whitcomb，2004）已
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