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船用柴油機電控係統關鍵（jiàn）技術（shù）

2015-9-6 來源：數（shù）控機（jī）床（chuáng）市場網作者：樊明龍沈玉華

摘要: 針對船用（yòng）柴（chái）油機電控係統對柴油機的（de）調速問題，根據國內外非線性自調整算法（fǎ）的研究以及船用柴油機（jī）調速器的設計原理，在傳統 PID 控製的基礎（chǔ）上，本文提出非參數模（mó）型的自調整控製策略。通過對 D6135 型船用柴油機特點和性能分析，對其進行仿真建模（mó），最後在 Matlab 軟件中對柴油機調速控製係統進（jìn）行（háng）仿真（zhēn），對電控係統的（de）關鍵技（jì）術進行研究。根據（jù）仿真結果可（kě）以看出本文提出的自（zì）整定控製策略具（jù）有可（kě）行性，為（wéi）船用柴油（yóu）機電控係統提供（gòng）一個有效的控製算法。

關鍵詞（cí）: 柴油機;控製;自整定

0 引言（yán）

在現（xiàn）代船用柴油機的（de）控製係統中普遍采（cǎi）用電控係統（tǒng），通過電（diàn）控（kòng）係統實現對柴油機轉速的穩定控製，使其在工況（kuàng）範圍內保證轉速（sù）波動率、恢複時間、調速率等運行參數在規定的範圍中。而通過對船用柴油機的係（xì）統運行機理進行分析，可以發現被控對象數（shù）學模型複雜，難（nán）以精確描述，具有很強的非線性特性和時滯性。並且柴油機在運行過程中還（hái）受冷卻水（shuǐ）溫度、燃油溫度、負載等外界條件影響，具有很明顯的時變（biàn）特性。傳統控製方法已經難以滿足對柴油機的控製要求，因此需要利用現代控製算法來解決柴油機的控（kòng）製問題，使其能夠運行在穩定的參數範圍內。

1 自整定（dìng）控（kòng）製算（suàn）法

1. 1 係統設計要求

1) 穩定性。穩定性是判斷控製係統性能的（de）最基本要求，其具體要求是，在有外界（jiè）幹擾的情況下，能夠保持係統的狀態能夠穩（wěn）定在（zài）一定（dìng）範圍內。

2) 收斂性。收斂性是（shì）評（píng）估一個（gè）自適應用控製係統算法優劣的重要參考標準，主要指（zhǐ）一個控（kòng）製係統在（zài）保證能夠收斂（liǎn）的條件下，可以完（wán）成係統想要達到的不同目標，同時保（bǎo）證變量（liàng）的範圍有界。

3) 魯棒（bàng）性。魯棒性是用來表示一個控製係統（tǒng）對（duì）參數擾動的（de）不敏感性。指係統在沒有特別的針（zhēn）對動態特性進行建模（mó）的情況下，遇（yù）到外界（jiè）擾動時，係統（tǒng）可以保持穩定性和動態性。

1. 2 自整（zhěng）定（dìng） PID 算法

在現代控製（zhì）係（xì）統中，一般都采用比較成熟、可（kě）靠的數字 PID 控製器，以實現較高（gāo）的控製精度。PID控製器主要有增量式和位置式 2 種算法。其中位置式 PID 控製算法應用較（jiào）為廣泛，該算法可以根據采樣時間差來計（jì）算控製量，並且 PID 公式（shì）中微分和積分項都需要離散化後才能使用，由於這一特性，導致其在運行時計算機的計算量非常繁重，並且當（dāng）輸出大幅度變化時，輸出對應的執行機（jī）構也會大幅度（dù）的跳變，很容易發生（shēng）嚴重的事故，所以不適合實驗（yàn）或開發（fā）應用。

增量式 PID 控製算（suàn）法則很好地克服（fú）了位置式 PID控製算法的缺（quē）點。增量式 PID 算法隻（zhī）要輸出控製量的增量，計算量不大，算法（fǎ）的增量控製（zhì）表達式如下（xià）:

1. 3 在線自整定控製流程

在線自整定控製算法的流程圖如圖 1 所示。從圖中可知，本算法首（shǒu）先對柴油機的（de）轉（zhuǎn）速進行檢測，然後再根據所測得的轉速在線對 PID 各參數進行判定和整定，在整定完成後，對參數進行記錄儲存。

1. 3. 1 PID 參數自整定過程

參數的自整定過程，首先是對反饋的轉速進行判斷，判（pàn）斷是否進入自（zì）整定過程，然後對參數進行暫（zàn）時存儲（chǔ），然後將反饋值與給定值進行比較，然後計算出相應的 Kp和 Ki調節參數，然後實現對方向、幅度等（děng）參數的調（diào）節。

本算法通過單周期內最（zuì）小轉速與最大（dà）轉速之間的差值對轉速變化的情況來進行（háng）判斷，然後根據轉速變化情況來確定增減 Kp和 Ki，從而達（dá）到自整定的目的。在確定調節方向後，還要確定調整幅度，若不能調整到與當前轉速相匹配，會導致調整步（bù）長過大或過小。過大則突升突降，引起係統不穩定，過小則效果不明顯，難以看到轉速變（biàn）化幅度。

本算（suàn）法通過對前後 2 次幅值的差來確定 Kp的具體調整幅度（dù）。根據式（shì）(2)和式（shì）(3)，當差值小於給定的閥值時（shí），則增加調整幅度，當差值小於給定的閥值時，則降低（dī）調整幅度。依此對參數進行調整。對Ki調整方式與此類似，主（zhǔ）要判斷 2 次的差值與閥值（zhí）的（de）大小，來對調整（zhěng）幅度精細（xì）修正。

當係統（tǒng）接（jiē）近穩定時，可以（yǐ）減小調節（jiē），進入微調模式，降低 Kp和 Ki的調整步長（zhǎng），從而實現穩定調節。

1. 3. 2 參數記錄

在對 PID 參數經過一（yī）次在（zài）線調整後，根據專家自整定的相關方法，把此次調（diào）整後的結果進行記錄方（fāng）便（biàn）以後直接調用。在（zài）係統以後的（de）調整中，當遇到相同的轉速調整要求時，就可以直接調用之前已經調整好的參數，從而降低係統的計算時間和計算量。

1. 3. 3 自整定流程

本（běn）算法利用手動調（diào）整的（de）經驗來對 PID 參數進行調整。首先在進入調整模式後，先把 Ki參數定位（wèi）為 0，優先調整 Kp，使轉速動態穩定，穩（wěn）定之後調整 Ki，控製動態誤差。在調整 Kp和（hé）Ki時，都（dōu）要遵循先（xiān）確定調整方向，然後確定調整幅度，在快要接近調整目標後，在對參數進行微調，從而（ér）快速調整（zhěng）係統達到穩定。

2 柴油機（jī）數學模（mó）型的建（jiàn）立

以 D6135 型號的船用柴油機為對象，對電控係統的關鍵技術（shù）展開研究（jiū）。重要的是需要建立係（xì）統模型，由於整個（gè）柴油機係統組成複雜，有必要對（duì）其工作過程和硬件結構進（jìn）行簡化處理，將係統一些主要（yào）的輸出狀態變量的變化過程表示出來。

2. 1 壓氣機模型

氣壓計（jì）模型（xíng）中，增壓機轉速與流量、出口的壓力（lì）溫度和氣壓機消耗的轉矩（jǔ）均為輸入參數，通過查表數據得出下列關係式:

2. 2 中冷器模型

在中冷器模型中，以氣壓計出來的（de）氣體溫度（dù）、壓力質量和流量作為輸入參數，以（yǐ）出口（kǒu）氣（qì）體壓力作為輸（shū）出參數，且工作效率為 ε= 0. 84，從而得到出口溫度的計算公式（shì）:

其中（zhōng） Tω為進口溫度;壓力損失的計算公式為:

其中: Δp0為中（zhōng）冷器的壓力（lì）損失; qm0為中冷器的流量。

2. 3 柴油機本體模型

1) 氣缸充氣效率 ηv的計算公式為:

其（qí）中（zhōng）: η0為最大充氣效率; n0為充電效（xiào）率為 η0時對（duì）應的轉速。

2) 發動機流量 qm3模型氣缸內氣體流量的（de）公式為:

其中: qmf為（wéi）單位時間（jiān）噴入的燃油質量; HLHV為燃油熱（rè）量指數; QW為冷卻物帶走的熱量; Pc為單位時間內輸出（chū）的有用功; cpa和 cpe為進氣（qì）與排氣工質的比熱容（róng）。

4) 柴油機動力學模型

為了計算方便，將船用柴油機動力模型等效為一個由負載和無慣性連軸組成的係（xì）統，由牛頓第二定（dìng）律，可以得到方程:

2. 4 渦輪模型

根據渦輪轉速與質量流量（liàng）之間的關（guān）係，可以得到渦輪的膨脹比和效率，然後（hòu）得到出口溫度計算公式和發出轉矩計算公式為

2. 5 增壓器動力學模型

壓氣機的增壓器轉子平衡方程為:

2. 6 執行機（jī）構（gòu）建模

執（zhí）行器（qì）建模的方式一般有 2 種: 一是理論法，根據電磁學和動力學通過數學推導進行（háng）建（jiàn）模; 二是試驗法，根據實（shí）際實驗測得的階躍響應進行建模。在這裏采用第 2 種方式。

執行機構的階（jiē）躍響應（yīng）的一階慣性環節模型的傳遞函數為:

3 Simulink 建模及仿真（zhēn）

首先對柴（chái）油機模型（xíng）進行仿真參數設定，通過幾次試仿真實驗，發（fā）現0.001 的步長足以覆蓋到柴（chái）油機運行過程中所有的波動情況（kuàng）。所以仿真步長設定（dìng）為0.001 s，仿真時間（jiān）設（shè）定為10 s，就可以完整展（zhǎn）現整個仿真過程。而在仿真算法中，選擇固定（dìng）步長的 Ode5 算法，此算（suàn）法與變步（bù）長經典（diǎn）算法 Ode45 類似，隻需要前麵（miàn）一個時間點的解，就可以將（jiāng）當前點的（de）解計算出來。

首先在不加自整定係（xì）統情況下，先對（duì）傳統 PID參數進（jìn）行整定，經過調（diào）試，設定 Ki= 5，Kd= 0. 5，然後調整 Kp，其餘參（cān）數不變，得到轉速變化曲線如圖 2 所示（shì）。

從圖2 可看出，由於 Kp從5 增大到10，導致轉速變化曲線周期和（hé）幅值都出現了明顯的變化，速度曲線甚至出現（xiàn）了大幅（fú）度的抖動，因此可以確定（dìng） Kp的值需要保持在10 以內。在整（zhěng）定 Kp時，讓調整步長在 0.01 ～0.04 之間，可以防止速度曲線出現大幅震（zhèn）蕩。

接著整定 Ki，設定 Kp= 2.5， Kd= 0.5，速度變化曲線如圖3 所示。根據圖3，當 Ki參數為（wéi）15 時，轉速的變化曲（qǔ）線幾乎（hū）一直（zhí）在振蕩，難以穩定下（xià）來，且震（zhèn）動幅（fú）值變大，在實驗（yàn）操作中需要盡可能避免這種情況發生，所以，在調整Ki步長參數時，每次（cì）調整保證在0.1～0.2 之間，從而降低曲線振蕩發生的可能。

最後（hòu）把 PID 自整定（dìng）模塊添加到柴油機（jī）的控製係統上，得到速度（dù）曲線如圖 4 所示。

由圖4 可看出，柴油機轉速曲線在開始時震動明顯，但隨著時間的推移（yí）， Kp和 Ki參數不斷自動整（zhěng）定（dìng），震動幅度（dù）明（míng）顯（xiǎn）降（jiàng）低，最終達到穩（wěn）定，證明（míng）這（zhè）種在線自整定（dìng）策（cè）略在柴油機控製係統上具有一定可行（háng）性。

4 結語

本文在對（duì）傳統的 PID 控製器的（de）基礎上，結合非線（xiàn）性自整定控製器的設計思（sī）想，根據（jù）船用柴（chái）油機調速原理，對非參數模型的在（zài）線自整定算法進行初（chū）步設計。並以 D6135 型柴油機為模型，根據其特點和性能，進行（háng）係統建模，完成了船用（yòng）柴油（yóu）機控製係統的仿真實驗，由仿真結果可以（yǐ）看出本文提（tí）出的自整定控製策略具有一定（dìng）的可行性（xìng），為柴油機電控係統的控製策略提供了一個有效的方法（fǎ）。

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