鉆井船柴油發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速控制的研究

吳彬彬，李彥

（江蘇科技大學(xué) 電子信息學(xué)院，江蘇 鎮(zhèn)江　212003）

鉆井船柴油發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速控制的研究

吳彬彬，李彥

（江蘇科技大學(xué) 電子信息學(xué)院，江蘇 鎮(zhèn)江212003）

針對鉆井船柴油發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速控制問題，采用積分分離的PID控制方法來實現(xiàn)鉆井船柴油發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速的控制。通過比較普通PID和積分分離PID這兩種控制方法對轉(zhuǎn)速進(jìn)行控制的試驗，得出當(dāng)采用積分分離的PID控制方法可以避免過大超調(diào)的產(chǎn)生并使轉(zhuǎn)速的穩(wěn)定性提高10%的結(jié)論。仿真結(jié)果驗證了該方法的可行性。

鉆井船柴油發(fā)電機(jī)；轉(zhuǎn)速控制；積分分離PID；PID

最近幾年，近海的油田開采的速度非常迅速，以至于趨于飽和，使得人們不得不探索和開采深海油田。鉆井船具有一般鉆井平臺沒有的優(yōu)點，比如投資比較低、風(fēng)險低、具有良好的機(jī)動性、甲板可變載荷大和巨大的承載能力等優(yōu)點。因此，大型的鉆井船［6-7］成為了研究熱點。但是隨著鉆井船大型化現(xiàn)代化，噸位的不斷加大、大功率用電設(shè)備增多、作業(yè)工況的復(fù)雜化、自動化程度的不斷提高，對發(fā)電裝置所發(fā)電能的質(zhì)量也有了更高的要求。頻率作為衡量電能質(zhì)量的一個重要參數(shù)，因此，保持頻率穩(wěn)定是關(guān)系到全船電氣設(shè)備是否能正常運行的一個關(guān)鍵因素。在鉆井船交流電力系統(tǒng)中，發(fā)電裝置廣泛采用柴油發(fā)電機(jī)。進(jìn)而保證電力系統(tǒng)頻率穩(wěn)定性的重要手段就是對柴油發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速的控制［1-2］。

現(xiàn)在深水鉆井船的電站容量［3-4］都比較大，一般都在30 MW以上，它的推進(jìn)器的輸出功率比一般船舶的輸出功率要大的多，因此，相比普通的船舶，深水鉆井船的負(fù)載要大得多。相對于普通PID，積分環(huán)節(jié)引進(jìn)的主要目是為了對靜差的消除和控制精度的改善。但對于正常運行的發(fā)電機(jī)而言，僅在發(fā)電機(jī)啟動、結(jié)束或大幅度增減負(fù)載時，系統(tǒng)輸出的偏差會變的很大，從而使PID運算的積分積累，繼而導(dǎo)致控制量超過執(zhí)行機(jī)構(gòu)可能允許的最大動作范圍對應(yīng)的極限控制量，引起系統(tǒng)較大的超調(diào)，甚至引起系統(tǒng)較大的振蕩，這是絕對不允許的，因此，當(dāng)被控量與設(shè)定的值偏差較大時，取消積分作用，當(dāng)被控量接近給定值時，引入積分控制，從而實現(xiàn)積分分離。

1　積分分離PID控制系統(tǒng)的原理分析

1.1柴油發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速控制原理分析

目前，絕大部分船舶柴油發(fā)電機(jī)組的調(diào)速系統(tǒng)都是由原動柴油機(jī)與電子調(diào)速器組成。其中，調(diào)速器通常包括控制器、執(zhí)行器及轉(zhuǎn)速反饋單元等。調(diào)速系統(tǒng)的基本組成如圖1所示。柴油機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的基本原理就是通過對調(diào)速器控制來自動改變?nèi)加捅糜烷T齒條的位置進(jìn)而改變柴油機(jī)循環(huán)供油量，使柴油發(fā)電機(jī)組發(fā)出的功率發(fā)生改變，以適應(yīng)船舶電網(wǎng)負(fù)載的變化，使柴油機(jī)的轉(zhuǎn)速保持穩(wěn)定，保證電網(wǎng)頻率穩(wěn)定。

圖1　柴油發(fā)電機(jī)組電子調(diào)速系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

從組成控制系統(tǒng)的功能單元上來看，船舶發(fā)電機(jī)組轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)框圖如圖2所示［2］。

圖2　船舶柴油發(fā)電機(jī)組轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)框圖

1.2積分分離的PID原理分析

積分分離控制過程［5］是：比較被控量與設(shè)定值，如果偏差較大時，積分將會被取消，來防止在積分作用下系統(tǒng)穩(wěn)定性降低，超調(diào)量增大；一旦被控量與給定值相接近時，將會引入積分控制，這樣就可以消除靜差，從而達(dá)到提高控制精度這個目的。具體實現(xiàn)步驟如下：

1）根據(jù)具體系統(tǒng)，人為設(shè)定閾值Δ＞0；

2）當(dāng)|e（k）|＞Δ時，采用PD控制；

3）當(dāng)|e（k）|＜Δ時，采用PID控制；

積分分離控制算法可表示為：

積分分離PID控制算法的程序框圖如圖3所示。

圖3　PID積分分離控制算法流程圖

2　實例仿真

2.1柴油機(jī)調(diào)速系統(tǒng)仿真模型

文中是在忽略勵磁系統(tǒng)的耦合作用下，對鉆井船柴油發(fā)電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的仿真研究。整個電力系統(tǒng)仿真模型是直接在發(fā)電機(jī)模型的勵磁輸入端直接設(shè)定勵磁電壓的標(biāo)幺值。采用積分分離的PID轉(zhuǎn)速控制，Simulink仿真模型如圖4所示。

圖4　積分分離PID轉(zhuǎn)速控制仿真模型圖

2.2突加突減負(fù)載仿真分析

《鋼質(zhì)海船入級規(guī)范》中要求：當(dāng)柴油機(jī)在空載狀態(tài)的時候，突加50%額定負(fù)載，轉(zhuǎn)速穩(wěn)定后可以再加上剩下的50%負(fù)載，轉(zhuǎn)速瞬時調(diào)速率應(yīng)該不大于額定轉(zhuǎn)速的10%；穩(wěn)定時的調(diào)速率應(yīng)該不大于額定轉(zhuǎn)速的5%；當(dāng)轉(zhuǎn)速恢復(fù)到波動率為土1%范圍時所需要的時間不超過5 s，當(dāng)突然卸去額定負(fù)載時，在不影響超速裝置的要求，瞬時調(diào)速率應(yīng)該不大于額定轉(zhuǎn)速的10%；穩(wěn)定調(diào)速率不大于額定轉(zhuǎn)速的5%。

現(xiàn)在對PID轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)與積分分離PID轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)進(jìn)行比較。在系統(tǒng)的仿真試驗中，將整個過程時間設(shè)為20s，在第3秒時突加50%額定負(fù)載，在第7秒再加上余下的50%負(fù)載，在第15秒時卸下100%負(fù)載。

比較圖5和圖6可知，當(dāng)采用積分分離PID控制系統(tǒng)時，不管在突加負(fù)載還是突減負(fù)載，調(diào)速系統(tǒng)在調(diào)速過程中的振蕩次數(shù)顯著減少，因此，當(dāng)采用積分分離的PID控制對轉(zhuǎn)速進(jìn)行調(diào)節(jié)時，調(diào)速性能明顯得到提高。

圖5　PID轉(zhuǎn)速控制波形圖

3　結(jié)論

由于鉆井船的負(fù)載巨大，極易使發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速產(chǎn)生超調(diào)。因此，本文采用了一種積分分離PID的方法來對轉(zhuǎn)速進(jìn)行控制。從仿真結(jié)果可以看出，當(dāng)采用積分分離PID的控制方法時，轉(zhuǎn)速控制效果得到了很大的改善。但我們需要注意的是，為了保證引入積分作用后系統(tǒng)的穩(wěn)定性不發(fā)生改變，在輸入積分作用時，可以對比例系數(shù)做相應(yīng)的變化。

圖6　積分分離PID轉(zhuǎn)速控制波形圖

［1］邵淼晶.船舶電站原動機(jī)（柴油機(jī)）及其調(diào)速系統(tǒng)的混合仿真［D］.哈爾濱：哈爾濱工程大學(xué)，2002.

［2］羅子華，黃大明，韋志康，等.柴油機(jī)調(diào)速器概述［J］.拖拉機(jī)與農(nóng)用運輸車，2007（4）：12-13.

［3］Radan D.Integrated Control of Marine Electrical Power Systems［D］.Norwegian University of Science and Technology，2008.

［4］Damir Radan，AsgeirJ.S？rensen，Alf Kare Adnanes，and TorA.Johansen.Reducing Power Load Fluctuations on Ships Using Power Redistribution Control［J］.Marine Technology，45，3，July 2008.

［5］劉金昆.先進(jìn)PID控制MATLAB仿真［M］.北京：電子工業(yè)出版社，2004.

［6］秦琦.世界鉆井船市場發(fā)展現(xiàn)狀［J］.船舶，2009，20（6）：8-12.

［7］孫寶江，曹式敬，李昊，等.深水鉆井技術(shù)裝備現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢［J］.石油鉆探技術(shù)，2011，39（2）：8-15.版社，2010.

Research on the speed control of drilling ship diesel engine generator

WU Bin-bin，LI Yan
（School of Electronics and Information，Jiangsu University of Science and Technology，Zhenjiang 212003，China）

Aimed at speed control of drilling ship diesel generator，using the PID control method of integral separation to fulfill the speed control of drilling ship diesel generator.By comparing the general PID and integral separation PID control method to control the speed，it is concluded that it can avoid excessive overshoot and increase the stability of rotating speed of 10%then the way by PID when using integral separation PID control method.The simulation results verify the feasibility of the method.

drilling ship diesel generator；speed control；integral separation PID；PID

U665

A

1674－6236（2016）06-0074-03

2015-04-28稿件編號：201504299

吳彬彬（1991—），男，江蘇鹽城人，碩士研究生。研究方向：電力電子與電力傳動。