某船柴油機推進系統控制策略優化研究

范 凱

（海軍裝備部駐上海地區軍事代表局 上海200135）

某船柴油機推進系統控制策略優化研究

范 凱

（海軍裝備部駐上海地區軍事代表局 上海200135）

通過對某船推進系統進行仿真建模的基礎上，開展了柴油機起動、接脫排、正常操控、應急操控、雙機并車等過程控制策略的優化研究，研究成果應用于該船推進監控系統的研制，并經推進系統陸上聯調試驗得到成功驗證。

柴油機推進系統; 控制策略; 優化研究

引 言

柴油機推進形式在艦船上已得到越來越多的應用，隨著近幾年計算機仿真技術的發展，特別是動態系統仿真軟件的發展，對柴油機推進系統控制策略的研究也得以越來越深入。本文利用仿真軟件建立某船推進系統的仿真模型，在此基礎上進行柴油機起動、接脫排、正常操控、緊急操控、雙機并車等過程控制策略的仿真試驗以及優化比較研究，最終提出適用于該船推進系統的合理的控制策略。

1　仿真試驗模型簡介

某船推進系統采用柴油機四機雙槳的推進形式，每套推進裝置由兩臺HMM-SEMT Pielstick 16PC2-6中速柴油機通過聯軸器、雙機并車減速齒輪箱（含內嵌多片式摩擦離合器）和軸系驅動調距槳。仿真試驗模型在Matlab 2009a及Simulink V7.3環境下構建，主要包括柴油機模型、調速器模型、聯軸器模型、帶摩擦離合器的減速齒輪箱模型、軸系模型、調距槳及其控制系統模型以及船體運動模型［1］。推進系統仿真模型模塊見下頁圖1，將其按實際物理意義連接所組成的船舶推進裝置控制系統Simulink仿真模型限于篇幅，則不在此闡述。

圖1　推進系統仿真模型模塊

2　控制策略優化研究

2.1柴油機起動過程控制策略優化研究

空載柴油機起動過程分為三個階段［2］：

第一階段為壓縮空氣起動階段。在此階段，主起動閥打開，壓縮空氣通過空氣分配器依次進入柴油機各氣缸，推動活塞，主機轉速上升，達到發火轉速，約為80 r/min（HMM-SEMT Pielstick 16PC2-6型柴油機）。

第二階段為起動油量供油階段。在此階段，主起動閥關閉，停止供氣，轉入起動油量供油階段，油量恒定（40%滿油門位置，噴油泵油量調節機構固定的位置簡稱油門位置，每一個油門位置對應不同的油量），柴油機爆發做功，轉速達到切換轉速（切換轉速指油門從定值控制向PID控制切換的轉速）。

第三階段為轉速調節階段。在此階段，PID控制器（某船采用電子調速器，控制器與執行機構分開）通過調節供油量來調節轉速，使其穩定在操作手柄給定的怠速轉速上（約為250 r/min）。

下面重點對不同起動油量、不同切換轉速、不同PID參數設置進行對比優化研究。

2.1.1不同起動油量條件下的柴油機空車起動

仿真研究

對不同起動油量條件下（40%、30%、25%滿油門位置）柴油機轉速進行對比分析，仿真曲線如圖2所示?？梢?，柴油機起動油量越大、柴油機響應速度越快、轉速超調也越大。

圖2　不同起動油量下的柴油機起動轉速曲線

不同起動油量下的柴油機油門位置曲線對比如圖3所示。起動油量越高，柴油機在第二階段所經歷的時間越短。

圖3　不同起動油量條件下柴油機油門位置曲線

2.1.2不同PID參數條件下的柴油機空車起動仿真研究

為考察不同PID參數對柴油機起動轉速的影響，分別選擇不同控制參數對起動過程進行仿真試驗，從圖4給出的不同參數下柴油機轉速對比曲線可以看出， PID組合為Kp=0.22，Ki=0.2，Kd=0.002 5時有較好的控制效果。

圖4　不同PID參數下柴油機轉速曲線

在此基礎上，利用參數整定經驗得到提前采用穩定積分量的控制策略，使柴油機空車起動達到較為理想的效果。對應該仿真過程的油門位置曲線如圖5所示。

圖5　不同PID參數下柴油機油門位置曲線圖

2.1.3不同切換轉速條件下的柴油機空車起動仿真研究

為考察不同切換轉速對柴油機切換轉速的影響，分別選擇不同切換轉速對起動過程進行仿真試驗，從圖6、圖7給出的不同參數下柴油機轉速對比曲線可以看出：切換轉速設置為250 r/min時，切換過程油門波動最小。因而從經濟性和可控性等因素考慮，切換轉速設置為250 r/min時的控制效果最好。

圖6　不同切換轉速下柴油機轉速變化曲線圖

圖7　不同切換轉速下柴油機油門位置曲線圖

通過上述研究發現，PID控制參數為Kp=0.22、Ki=0.2和Kd=0.002 5時，有較好的控制效果。利用參數整定經驗得到提前采用穩定積分量的控制策略，能使柴油機空車起動達到較為理想的效果。此外，切換轉速設置為250 r/min時，切換過程油門波動最小，具有良好的經濟性和可控性。

2.2柴油機接脫排過程控制策略研究

由于柴油機并車系統接排過程時間由液壓執行機構決定，在并車過程中不能對接脫排時間進行控制。因此，本文主要對柴油機并車系統接脫排過程中的轉速控制策略進行研究。

2.2.1柴油機接排過程

為研究優化柴油機接排過程的控制，分別采用多組PID控制參數對柴油機接排過程進行控制仿真試驗。通過多次試驗，得到一組適合于對柴油機接排過程控制的參數：Kp=0.46、Ki=0.025、Kd=1.5，采用新的控制參數與柴油機空載控制參數的對比（如圖8所示）?？梢姡碌目刂茀底饔孟?，系統的動態性能有了明顯的改善和提高。因此對接排過程應采用一組新的參數進行控制。

圖8　不同PID參數下柴油機接排過程轉速

考慮到接排過程柴油機與軸系之間的能量傳遞和能量損失，為避免柴油機轉速下降過多引起熄火，本研究提出一種新的柴油機接排控制策略：當控制系統發出接排指令時，迅速提升空載柴油機轉速達到350 r/min（單機接排允許的最大轉速），然后接排。

采用提升轉速控制策略下與直接接排控制策略下柴油機轉速變化曲線（如圖9所示）。從圖中可以看出，采用提升轉速后接排控制策略，接排瞬間柴油機轉速下降至214.6 r/min，而保持轉速為250 r/min接排，轉速下降至154.2 r/min，接近最低工作穩定轉速（150 r/min）。因此，采用提升轉速后接排控制策略能夠使接排過程中柴油機轉速保持在相對較高的范圍內，保證其穩定工作。

圖9　不同控制策略下柴油機接排過程轉速

當螺距比不為零時接排，由于螺旋槳轉動慣量變大，根據能量平衡原理，柴油機轉速下降較多。圖10給出了不同螺距比接排時，柴油機轉速變化情況。當螺距比為最大時（P/D=1.44），柴油機轉速下降至194 r/min，保持在穩定工作轉速。

圖10　不同螺距比柴油機接排過程轉速

2.2.2柴油機脫排過程

對柴油機脫排過程進行了仿真模擬。脫排時由于柴油機負載突然減少，柴油機轉速突升。為優化柴油機脫排過程的控制，研究分別采用多組PID控制參數對柴油機接排過程進行控制仿真試驗。通過多次試驗，得到一組適合于對柴油機接排過程控制的參數：Kp=0.46、Ki=0.025、Kd=1.5。采用這種方法，轉速可突升至最高轉速255.8 r/min（如圖11所示）。

圖11　不同PID參數下的柴油機脫排過程轉速

當柴油機在520 r/min時脫排，轉速突升至535.8 r/min，未達到超速保護裝置作用轉速（582 r/min），如圖12所示。

圖12　額定轉速運行時的脫排過程轉速

由以上研究可以看出，柴油機接脫排過程控制的參數宜選：Kp=0.46、Ki=0.025、Kd=1.5。采用提升轉速后接排控制策略能夠使接排過程中柴油機轉速保持在相對較高的范圍內，保證其穩定工作。

3　推進系統正常操控控制策略研究

船舶的正常操控是指在非應急操作狀態下，船非全速前進至全速后退或非全速后退至全速前進時的操控［3］。利用該推進裝置仿真模型對正常操控控制策略進行仿真研究，柴油機轉速按照正常情況下的熱機加減速曲線（如圖13所示）進行加減，同時調距槳的螺距按照一定的規律進行變化。在不同的機槳聯控策略下，得到了船舶加速和換向過程中的柴油機轉速、螺距比、航速和前進距離。

為優選動力系統正常操控情況下的控制策略，分別對不同柴油機轉速和船槳螺距變化控制策略進行仿真研究。四種正常操控控制策略如下：

策略一：柴油機轉速控制和船槳螺距控制各自按規律變化；策略二：先對柴油機進行轉速控制，達到目標轉速后再對船槳螺距控制；策略三：先對船槳螺距進行控制，達到目標螺距后再對柴油機轉速控制；策略四：螺距控制跟隨柴油機轉速同步控制。以上四種控制策略的仿真對比結果見表1、表2，限于篇幅，每種策略下的對比圖不在此列出。

表1　四種策略正常操控船舶加速時間和距離比較

表2　四種策略正常操控船舶停船時間和距離比較

從表1中看出，采用第四種控制策略相比其他控制策略在加速過程中沒有受到油門的限制，船舶具有最短的加速時間，同時加速距離最短。因此綜合以上仿真結果，在實際正常加速控制中應采用第四種控制策略。從表2結果來看，在第三種控制策略作用下系統的停船距離最短，在第四種控制策略作用下停船時間最短。因此可根據不同需要選擇合適的控制策略。

4　推進系統緊急操控的控制策略研究

為優選動力系統緊急操控情況下的控制策略，分別對不同柴油機轉速和船槳螺距變化控制策略進行仿真研究。四種緊急操控的控制策略如下：

策略一：柴油機轉速控制和船槳螺距控制各自按規律變化；策略二：先對柴油機進行轉速控制，達到目標轉速后再對船槳螺距控制；策略三：先對船槳螺距進行控制，達到目標螺距后再對柴油機轉速控制；策略四：螺距控制跟隨柴油機轉速同步控制。以上對四種緊急加速控制策略的仿真結果參見表3和表4，限于篇幅，每種策略下的對比圖不在此列出。

表3　四種策略緊急操控船舶停船時間和距離比較

表4　四種策略緊急操控船舶停船時間和距離

從表3可以看出，采用第四種控制策略時柴油機受油門限制最少，船舶具有最短的加速時間和加速距離。因此在船舶緊急加速的控制中，應采用第四種船槳螺距隨主機轉速變化的控制策略。由表4可見，應用四種控制策略對緊急換向過程進行仿真過程中，系統均受到柴油機油門限制，但采用第三種控制策略停船時間和距離均最短，因此對緊急換向控制應采取第三種控制策略，即先對船槳螺距進行調整，再對主機轉速進行控制的方法。

5　柴油機雙機并車控制策略研究

本船采用單調速器法實現主機雙機并車運行控制［4-5］，當指令要求由單機/軸變為雙機/軸時，控制系統先將待接排的柴油機（2號主機）轉速調整到與已接排柴油機（1號主機）相同的轉速，然后發出離合器接合命令。當功率平衡控制器（LBC）接到第二臺主機離合器已接合的信號后，由功率平衡控制器實施功率平穩轉移；保持第一臺柴油機的轉速，同時增加第二臺柴油機的功率，大約20 s后（具體時間根據并車時的工況，空車最快，進五最慢），使同軸上的兩臺柴油機達到功率平衡（功率不平衡度≤±5%）。功率分配完成后，車令由單機工況變為雙機工況，轉速和槳角按加速速率變化給定到雙機工況，當實際轉速和槳角達到給定值后，并車過程完成。根據1號主機和2號主機轉速不同的情況，本研究分別從2號主機轉速等于、低于、高于1號主機轉速等三種情況對雙機并車控制策略進行研究（限于篇幅，每種情況的對比圖在此未列出）。

研究結果表明：當2號主機轉速接近于1號主機轉速時，柴油機雙機并車控制效果最好，轉速變化較為平穩。當2號主機轉速與1號主機轉速有一定偏差時，雖然轉速出現一些轉速波動，但并不會影響系統的并車控制。

6　結 論

對某船柴油機推進系統控制策略進行的仿真試驗以及對比優化研究成果，已應用于該船的推進監控系統研制。在該船的推進系統陸上聯調試驗中，推進監控系統運行穩定、工作可靠，柴油機的起動、接脫排、正常操控、應急操控、雙機并車等過程均與研究結果吻合，為后續實船的試驗及正常運行奠定了堅實的基礎。

［1］ 朱輝，王麗清，張幽彤，等.用MATLAB/SIMULINK實現柴油機及其控制系統的動態仿真［J］.內燃機學報，1998（3）：314-321.

［2］ 張連方，劉熾棠，顧宏中. 柴油機原理［M］. 上海:上海交通大學出版社，1987.

［3］ 施仲篪，楊承參，施潤華. 輪機學［M］.上海:上海交通大學出版社，1988.

［4］ 侯馨光，張敏. 船舶主柴油機并車運行新方法［J］. 上海船舶運輸科學研究所學報，2007（2）：75-80.

［5］ 徐斌.艦船主柴油機雙機并車控制仿真技術的研究［J］.上海船舶運輸科學研究所學報，2001（2）：96-101.

On optimization of control strategy of propulsion system for marine dual engine connected in parallel

FAN Kai
(Representative Bureau of Naval Armament Ministry in Shanghai, Shanghai 200135, China)

Based on the simulation and modeling of a ship’s propulsion system, this paper carries out the optimization research of the control strategy of diesel starting, normal operation control, emergency operation control, dual engine connected in parallel, and so on. The achievements are applied on the propulsion monitoring system and have been successfully verified through the land-based coordination-test of the propulsion system.

dual engine connected in parallel?control strategy; optimization research

U664.121

A

1001-9855（2015）02-0064-06

2015-03-03；

2015-03-31

范 凱（1986-），男，工程師，研究方向：艦船建造。