應用PLC 技術的艦船燃氣輪機轉速控制方法

吳靜進，許仙明

(南昌大學 科學技術學院, 江西 南昌 330029)

0 引 言

艦船動力系統的主要推進方式為全電力推進。燃氣輪機具備資源利用率高、啟動速度快等優勢[1]，被廣泛應用于艦船動力系統中。對于燃氣輪機來說，轉速控制至關重要[2]。合理控制燃氣輪機轉速，可提升艦船航行的安全可靠性[3]。如鄧望權等[4]利用遺傳算法優化PI 控制器的參數，利用參數優化后的PI 控制器，控制艦船燃氣輪機轉速。該方法在轉速調整過程中，具備較快的上升時間與調整時間。郭森闖等[5]為提升燃氣輪機轉速控制效果，設計雙輸入反正切神經網絡控制方法。該方法在不同工作環境溫度時，均可有效控制燃氣輪機轉速，具備較優的轉速控制魯棒性。但上述方法的工作特性較為固定，針對性強，通用性差，當艦船運行工況較差時，上述2 種方法便無法精準控制燃氣輪機轉速。

PLC 技術具備模擬量輸入/輸出、高速計數器與PID回路性能，符合艦船燃氣輪機轉速控制需求，且PLC 技術具備較優的通用性，適用于任何工況[6]。為解決上述方法中存在的問題，研究應用PLC 技術的艦船燃氣掄起轉速控制方法，確保艦船運行的安全可靠性。

1 艦船燃氣輪機轉速控制方法

1.1 基于PLC 技術的轉速控制方法技術架構

以PLC 為核心，設計艦船燃氣輪機轉速控制方法，該方法的整體技術架構如圖1 所示。

圖1 艦船燃氣輪機轉速控制方法的技術架構Fig. 1 Technical architecture of speed control method of Marine gas turbine

PLC 與電液轉換器、油動機、位移傳感器、轉速傳感器、汽輪機構成轉速控制單元；PLC 與觸摸屏構成監視單元；PLC 與安全閥、危急遮斷器、報警裝置構成運行保護單元。

轉速控制單元利用轉速傳感器采集艦船燃氣輪機的脈沖信號；通過PLC 處理采集的脈沖信號，得到燃氣輪機的轉速偏差，并輸入可變論域模糊PID 控制算法內，輸出燃氣輪機轉速控制信號，經由電液轉換器將控制信號變更成對應的油壓信號，控制油動機的行程，調節汽閥開度，達到燃氣輪機進汽量控制的目的，調整燃氣輪機的轉速。利用位移傳感器采集油動機的輸出信號，并對比分析該信號與PLC 輸出的控制信號，如果兩者差值不是0，那么實際輸出轉速和設定轉速不符，需要再次利用PLC 內的可變論域模糊PID 控制算法調整轉速。

監視單元利用轉速與位移傳感器采集艦船燃氣輪機轉速信號，并輸入PLC 內，經過計算與變換后，傳輸至觸摸屏內，實現艦船燃氣輪機轉速的監控與管理。

在艦船燃氣輪機出現超速與軸向位移較大故障時，運行保護單元利用報警裝置發出聲光警報，如果達到停機值，那么PLC 會傳輸停機信號至安全閥，去除主汽閥油動機的高壓油，通過危機遮斷器關閉主汽閥與調節汽閥，并持續發出聲光警報。

1.2 燃氣輪機轉速控制的PLC 基本組成

艦船燃氣輪機轉速控制方法的核心為PLC，PLC的基本組成如圖2 所示。

圖2 PLC 的基本組成Fig. 2 Basic composition of PLC

PLC 運算與控制中心是微處理器，通過微處理器實現可變論域模糊PID 控制算法的邏輯與數字運算，得到艦船燃氣輪機轉速控制信號。微處理器還負責協調各子單元間的聯系。

存儲器負責存儲PLC 的運行程序、用戶程序以及艦船燃氣輪機轉速控制信號[7]。

輸入子單元負責接收轉速與位移傳感器采集的燃氣輪機相關信號。輸出子單元負責輸出燃氣輪機轉速控制的模擬量與數字量[8]。輸入、輸出子單元的信息傳輸的接口均為I/O 接口。

利用編程器為PLC 內部進行程序編程，加快PLC信息處理速度，提升PLC 信息處理精度。通過開關電源為PLC 內各子單元提供電力。

1.3 實現燃氣輪機轉速控制

利用PLC 內的可變論域模糊PID 控制算法，得到艦船燃氣輪機轉速控制信號u(t)，該算法的輸入是燃氣輪機轉速偏差e(t)，其中，t為時間。

令該控制算法的輸入伸縮因子是g(e)，輸出伸縮因子是h(t) ，g(e)的計算公式如下：

其中，Emax為燃氣輪機轉速偏差初始論域的最大值；a為常數，0 ≤a≤1；b為非常小的正數。

h(t)的計算公式如下：

式中：CI為比例常數；h(0)為初始伸縮因子；n為艦船燃氣輪機轉速偏差樣本數量；ei為第i個偏差樣本。

u(t)的計算公式如下：

式中：KP、KI、KD分別為比例、時間、微分系數；?e(t)為艦船燃氣輪機轉速偏差變化率。

利用自適應差分進化算法，優化可變論域模糊PID 控制算法的KP、KI、KD，提升艦船燃氣輪機轉速控制信號的輸出精度。具體步驟如下：

步驟1 以浮點數編碼方式，編碼處理KP、KI、KD，構建初始種群M。

步驟2 求解M內的個體適應度f，計算公式如下：

式中，tend為艦船燃氣輪機轉速控制結束時間；tr為燃氣輪機轉速控制過渡時間；w1、w2、w3為權重。

步驟3 依據自適應變異算子Q，變異處理每個個體，Q的計算公式如下：

式中：k為迭代次數；kmax為k的最大值。

步驟4 求解第i個目標向量xi與第i個變異向量yi的f值，利用交叉概率算子Z，交叉處理每個個體。當f(xi(Q))f(yi(Q+1))時，則Z=Zmax。

步驟5 對交叉后的個體進行交叉處理， 形成新種群，并獲取最佳適應度值對應的最佳個體，即最佳可變論域模糊PID 控制算法KP、KI、KD的取值。

步驟6 分析算法是否達到kmax，如果達到kmax，則結束算法，輸出最佳KP、KI、KD的值，代入可變論域模糊PID 算法內，輸出最佳的艦船燃氣輪機轉速控制信號。如果未達到kmax，則返回步驟3。

2 實驗分析

以某艦船燃氣輪機為實驗對象，該燃氣輪機的主要參數如表1 所示。

表1 艦船燃氣輪機主要參數Tab. 1 Main parameters of Marine gas turbine

正常工況下，利用本文方法采集該艦船燃氣輪機轉速的脈沖信號，轉速脈沖信號采集結果如圖3 所示。

圖3 艦船燃氣輪機轉速脈沖信號采集結果Fig. 3 Acquisition results of Marine gas turbine speed pulse signal

分析可知，本文方法可有效采集艦船燃氣輪機轉速的脈沖信號，該艦船燃氣輪機轉速的脈沖信號存在一定的波動情況。利用本文方法將采集的脈沖信號轉換成轉速信息，并計算獲取艦船燃氣輪機的轉速偏差。

正常工況下，利用本文方法依據轉速偏差，進行艦船燃氣輪機轉速控制，轉速控制結果如圖4 所示。

圖4 艦船燃氣輪機轉速控制結果Fig. 4 Speed control results of Marine gas turbine

可知，本文方法可有效控制艦船燃氣輪機的轉速，當艦船燃氣輪機運行至10 s 左右時，燃氣輪機轉速便可將轉速迅速提升至3500 r/min 左右，達到額定轉速。因此可以得出，正常工況下，本文方法可快速控制艦船燃氣輪機，且無超調量。

當艦船燃氣輪機存在轉速超速故障時，利用本文方法對其進行轉速控制，轉速控制結果如圖5 所示。

圖5 故障時的燃氣輪機轉速控制結果Fig. 5 Gas turbine speed control results at fault

當艦船燃氣輪機存在轉速超速故障時，本文方法依舊可有效控制燃氣輪機轉速，令轉速穩定在3500 r/min 左右。同時在出現故障時，該方法可有效向操作人員發送警報信息，提醒操作人員，艦船燃氣輪機存在轉速故障。因此可以得出，出現故障時，本文方法也具備燃氣輪機轉速控制的可行性。

分析本文方法在艦船燃氣輪機出現突降負載時，其轉速控制效果，分析結果如圖6 所示。

圖6 突降負載時的燃氣輪機轉速控制效果Fig. 6 Gas turbine speed control effect under sudden load drop

當燃氣輪機出現突降負載情況時，本文方法依舊可有效控制燃氣輪機轉速；當突降50%負載時，轉速控制時間在19 s 左右，存在較小的超調量；當突降100%負載時，轉速控制時間有所增加，在22 s 左右，超調量也略有增長，但整體超調量較小。因此可以得出，突降負載時，本文方法轉速控制的速度也較快，且超調量較小，本文方法轉速控制的穩定性較優。

3 結 論

為確保燃氣輪機及時響應與穩定運行，提升艦船航行的安全性，研究應用PLC 技術的艦船燃氣輪機轉速控制方法，清晰呈現燃氣輪機轉速控制結果，提升轉速控制效果，為日后艦船燃氣輪機轉速控制研究領域提供新的參考方向。