雙燃料混合動(dòng)力船舶燃料模式切換自適應(yīng)控制

倪文利，王建濤

（山東交通職業(yè)學(xué)院，濰坊 261206）

引言

隨著海上運(yùn)輸?shù)牟粩喟l(fā)展，船舶已成為一種不可或缺的重要工具。近年來(lái)，隨著船舶規(guī)模的不斷擴(kuò)大和承載力的提升，遠(yuǎn)程航行和運(yùn)輸已成為可能[1]。然而，這也帶來(lái)了能源消耗和環(huán)境污染等問(wèn)題。船舶主要依靠柴油發(fā)動(dòng)機(jī)提供動(dòng)力，通過(guò)燃燒柴油產(chǎn)生動(dòng)能來(lái)驅(qū)動(dòng)船舶。雖然這種方式可以提供強(qiáng)大的驅(qū)動(dòng)力和速度，但也帶來(lái)了大量的燃油消耗和尾氣排放[2]。因此，為了應(yīng)對(duì)能源短缺和環(huán)境污染的挑戰(zhàn)，雙燃料混合動(dòng)力船舶應(yīng)運(yùn)而生。這種船舶在傳統(tǒng)柴油發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)的基礎(chǔ)上增加了使用清潔能源的發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)，以減少對(duì)柴油的依賴，降低能源消耗和尾氣排放。然而，在使用雙燃料混合動(dòng)力系統(tǒng)時(shí)，如何有效地在不同燃料模式間進(jìn)行切換是一個(gè)亟待解決的問(wèn)題。因此，許多學(xué)者對(duì)此展開(kāi)了研究。

鞠佳明[3]等人首先介紹了雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)的技術(shù)參數(shù)，然后基于這些參數(shù)借助MATLAB 建立了一個(gè)雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)模型。他們使用PID 設(shè)計(jì)了兩種控制器，以發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的反饋信號(hào)為輸入，輸出相應(yīng)的控制量，實(shí)現(xiàn)了船舶雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)燃料模式的切換。宋恩哲[4]等人分析了雙燃料的三種模式，根據(jù)不同的控制需求設(shè)計(jì)了控制規(guī)則，采用倒逼控制方法實(shí)現(xiàn)了雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)模式的切換。鄭先全[5]等人則以實(shí)驗(yàn)的方式分析了不同負(fù)荷下發(fā)動(dòng)機(jī)的關(guān)鍵運(yùn)行參數(shù)，并設(shè)計(jì)了三段控制策略。

綜上所述，當(dāng)船舶使用純柴油發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)時(shí)，處于高速行駛狀態(tài)；當(dāng)使用純清潔能源發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)時(shí)，處于怠速行駛狀態(tài)；當(dāng)使用柴油/清潔能源雙燃料混合動(dòng)力時(shí)，則處于高速行駛和怠速行駛之間的狀態(tài)。由于燃料模式的切換必然會(huì)引起船舶航行速度的變化，混合動(dòng)力船舶會(huì)采用雙燃料模式運(yùn)行，不同的運(yùn)行工況下，船舶所需的燃料供應(yīng)量會(huì)有所變化。通過(guò)調(diào)整燃料模式，使船舶以最佳燃料效率運(yùn)行，從而減少能源消耗和燃料成本，但是在雙燃料環(huán)境下，需要切換的模式增加，切換過(guò)程無(wú)法做到自適應(yīng)，智能化程度較低。因此為了保證切換過(guò)程中的航行穩(wěn)定性，本文研究了一種雙燃料混合動(dòng)力船舶燃料模式切換的自適應(yīng)控制方法 。

1 船舶燃料模式切換自適應(yīng)控制

為達(dá)到節(jié)省柴油消耗和降低環(huán)境污染的雙重目標(biāo)，大型船舶開(kāi)始使用雙燃料混合動(dòng)力系統(tǒng)。即在原有純柴油發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)的基礎(chǔ)中增加了以清潔能源為動(dòng)力的發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)，通過(guò)兩個(gè)動(dòng)力系統(tǒng)的相互配合[6]，以達(dá)到節(jié)能減排的目的。為實(shí)現(xiàn)兩個(gè)動(dòng)力系統(tǒng)協(xié)調(diào)配合，研究一種船舶燃料模式切換自適應(yīng)控制技術(shù)，以實(shí)現(xiàn)燃料模式有效切換。

1.1 船舶發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速切換約束信號(hào)采集

船舶行駛速度是通過(guò)船舶發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)的，其發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速越慢，船舶航行速度越慢。同時(shí)，船舶燃料模式切換需要收集和分析大量的數(shù)據(jù)，包括負(fù)載、轉(zhuǎn)速、溫度等參數(shù)。如果數(shù)據(jù)采集設(shè)備或傳感器存在故障、失準(zhǔn)或數(shù)據(jù)質(zhì)量不高，可能導(dǎo)致切換控制[7]的誤差和不準(zhǔn)確性。為此，采用轉(zhuǎn)速傳感器采集發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速信號(hào)，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)發(fā)動(dòng)機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)，利用轉(zhuǎn)速作為切換的約束條件。發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速是評(píng)估發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷、工況和性能的重要指標(biāo)，可以提供發(fā)動(dòng)機(jī)的工作情況，如轉(zhuǎn)速的變化、穩(wěn)定性以及異常波動(dòng)等信息。

預(yù)處理采集到的發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速信號(hào)，以減少噪聲對(duì)轉(zhuǎn)速數(shù)據(jù)的干擾，提高數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。去噪過(guò)程如下：

步驟1：輸入船舶發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速信號(hào)A(t)。

步驟2：利用集合經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解（Ensemble Empirical Mode Decomposition，EEMD）分解A(t)，即：

式中：

ai(t)—分解后的第i個(gè)固有模態(tài)分量；

t—采樣時(shí)間點(diǎn)；

bn(t)—分解后的第n個(gè)殘差分量；

f—?dú)w一化因子。

步驟3：計(jì)算各個(gè)a i(t)分量與A(t)之間的相關(guān)系數(shù)，可表示為：

式中：

—ai(t)分量與A(t)之間的相關(guān)系數(shù)；

—發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速信號(hào)A(t)的平均值；

—a i(t)分量的平均值；

T—采樣總時(shí)間[8]。

將處在微相關(guān)和實(shí)相關(guān)的a i(t)分量作為噪聲分量，記為；將處在顯著相關(guān)和高度相關(guān)的ai(t)分量作為有用分量，記為。

步驟5：利用獨(dú)立成分分析算法去除船舶發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速信號(hào)中的噪聲分量。

3）迭代計(jì)算分離向量。

4）對(duì)行分離向量進(jìn)行正交和歸一化處理。

經(jīng)過(guò)上述過(guò)程，對(duì)船舶發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速信號(hào)進(jìn)行降噪處理，以獲取準(zhǔn)確、可靠的轉(zhuǎn)速信號(hào)。

1.2 船舶燃料模式切換自適應(yīng)控制方法設(shè)計(jì)

1.2.1 自適應(yīng)切換方法設(shè)計(jì)

在信號(hào)采集和傳輸過(guò)程中，存在一定的延遲，延遲可能會(huì)導(dǎo)致控制器判斷不準(zhǔn)確或產(chǎn)生滯后效應(yīng)。然而，船舶燃料模式切換需要準(zhǔn)確地檢測(cè)轉(zhuǎn)數(shù)狀態(tài)，并進(jìn)行相應(yīng)的模式自適應(yīng)切換。為了保證自適應(yīng)程度，采用深度學(xué)習(xí)中的粒子群優(yōu)化算法，幫助確定最佳的發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速差值分配，以達(dá)到自適應(yīng)控制的目標(biāo)。設(shè)置切換目標(biāo)函數(shù)的表達(dá)式為：

式中：

R—燃料消耗；

k—權(quán)重系數(shù)；

w1、w2—消耗燃料前和消耗燃料[10]后發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速。

當(dāng)Cmin< (w2-w1)≤Cmax時(shí)，表示燃料消耗R在可接受的范圍內(nèi)，其中Cmin和Cmax分別表示最小和最大可接受的轉(zhuǎn)速差值。

根據(jù)目標(biāo)函數(shù)R和轉(zhuǎn)速約束條件，設(shè)置粒子群數(shù)為N，并初始化每個(gè)粒子的位置Xi和速度Vi，得到全局最優(yōu)的切換解BX和適應(yīng)度值Gb，其中i為粒子的索引。

隨機(jī)選擇加速度系數(shù)a1和a1，由此更新粒子速度：

式中：

δ—慣性權(quán)重，

r1和r2—隨機(jī)數(shù)，在0 和1 之間。

更新粒子位置：

使用目標(biāo)函數(shù)R評(píng)估每個(gè)粒子的適應(yīng)度值，即船舶燃料模式切換中的轉(zhuǎn)數(shù)情況，評(píng)估過(guò)程如下：

1）當(dāng)前適應(yīng)度值優(yōu)于個(gè)體最優(yōu)適應(yīng)度值bB，則更新個(gè)體最優(yōu)位置iB和適應(yīng)度值。

2）當(dāng)前適應(yīng)度值優(yōu)于全局最優(yōu)適應(yīng)度值bG，則更新全局最優(yōu)位置BX和適應(yīng)度值。

當(dāng)?shù)螖?shù)達(dá)到最大迭代次數(shù)時(shí)，停止迭代。返回全局最優(yōu)位置BX，即完成發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速差值的最佳切換點(diǎn)。

1.2.2 船舶燃料模式切換PID 控制

不同的燃料模式可能需要不同的燃料供給參數(shù)和控制策略時(shí)。在船舶操作過(guò)程中，需要確保燃料供給的穩(wěn)定性，以避免燃料模式切換對(duì)動(dòng)力系統(tǒng)的影響[11,12]。因此，使用PID 控制器實(shí)現(xiàn)船舶燃料模式切換自適應(yīng)控制。PID 控制器根據(jù)當(dāng)前誤差、過(guò)去誤差和誤差變化率實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)控制量，其可以在一定程度上解決延遲導(dǎo)致的問(wèn)題，使系統(tǒng)的輸出更接近期望值。

根據(jù)船舶發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速，劃分船舶速度等級(jí)以及對(duì)應(yīng)的船舶燃料模式，具體如表1 所示。

表1 船舶發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速劃分表

由表1 可知，當(dāng)船舶燃料模式切換時(shí)，船舶發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速也會(huì)相應(yīng)的改變。由此可知，通過(guò)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)調(diào)節(jié)船舶發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速就可以實(shí)現(xiàn)船舶燃料模式切換自適應(yīng)控制。借助PID 實(shí)現(xiàn)船舶燃料模式切換自適應(yīng)控制，控制流程如圖1 所示。

1）純柴油模式

通過(guò)PID 控制器將船舶燃料模式切換為純柴油模式時(shí)，以當(dāng)下時(shí)刻船舶發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速與燃料模式切換后的預(yù)期發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速差值[13,14]為輸入，以柴油噴油量為輸出。可表示為：

式中：

R(t)—PID 輸出器的噴油量；

KP—比例系數(shù)；

Ki—積分系數(shù)；

Kd—微分系數(shù)；

純柴油模式應(yīng)用后發(fā)動(dòng)機(jī)的預(yù)期轉(zhuǎn)速；

純柴油模式應(yīng)用后發(fā)動(dòng)機(jī)的實(shí)際轉(zhuǎn)速。

3）純清潔能源模式

清潔能源噴射器控制器同樣以當(dāng)下時(shí)刻船舶發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速與燃料模式切換后的預(yù)期發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速差值為輸入，以清潔能源噴射量為輸出。

式中：

Zt—PID 輸出[15,16]的清潔能源噴射量。

2）雙燃料混合模式

雙燃料混合模式的燃料切換與上述兩種模式不同。雙燃料混合模式同時(shí)控制對(duì)象有兩個(gè)，即柴油噴油器和清潔能源噴射器。同樣以當(dāng)下時(shí)刻船舶發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速與燃料模式切換后的預(yù)期發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速差值為輸入，即：

式中：

雙燃料混合模式應(yīng)用后發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速、預(yù)期轉(zhuǎn)速。

基于發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速差值分配結(jié)果，然后使用PID 控制器自動(dòng)調(diào)整控制輸出轉(zhuǎn)速，自適應(yīng)地調(diào)整燃料模式，完成雙燃料混合模式下的燃料模式切換。

2 實(shí)驗(yàn)與分析

2.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)置

雙燃料混合動(dòng)力船舶采用油氣雙燃料混合模式參數(shù)實(shí)驗(yàn)，選用瓦錫蘭46DF 發(fā)動(dòng)機(jī)作為實(shí)驗(yàn)對(duì)象。瓦錫蘭46DF 發(fā)動(dòng)機(jī)的技術(shù)參數(shù)如表2 所示。

表2 瓦錫蘭46DF 發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)參數(shù)

將BP700-TE51 型霍爾轉(zhuǎn)速傳感器布設(shè)到瓦錫蘭46DF 中，采集發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速數(shù)據(jù)，如圖2 所示。

圖2 轉(zhuǎn)速傳感器在設(shè)備中的布置

本文根據(jù)設(shè)計(jì)的算法設(shè)計(jì)一種模糊控制器，重新命名為fuzzyxaut，測(cè)試軟件為Advisor，結(jié)合本文方法設(shè)計(jì)的控制器fuzzyxaut 嵌入Advisor 控制策略模塊中。在三種UDDS 工況下（UDDS 循環(huán)全稱為Urban Dynamometer Driving Schedule）其平均船速44.21 km/h，最高速61.25 km/h，最大加速度4.38 m/s2，最大減速度-2.77 m/s。模糊控制器測(cè)試結(jié)果如圖3 所示。

圖3 模糊控制測(cè)試結(jié)果

2.2 換擋中預(yù)期發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速設(shè)置

設(shè)置三種模式切換工況，即工況1 為純柴油發(fā)動(dòng)模式切換為雙燃料混合模式、工況2 為雙燃料混合模式切換到純清潔能源發(fā)動(dòng)模式、工況3 為雙燃料混合模式切換到純柴油發(fā)動(dòng)模式。三種切換工況下對(duì)應(yīng)的預(yù)期發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的閾值如圖4 所示。

圖4 預(yù)期發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速

2.3 模式切換測(cè)試與控制量結(jié)果對(duì)比

基于章節(jié)1.2 研究，計(jì)算發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速與預(yù)期轉(zhuǎn)速之間的之間的差值，然后輸入到設(shè)計(jì)的自適應(yīng)控制算法當(dāng)中。在本文設(shè)計(jì)的自適應(yīng)控制算控制下，三種模式切換工況的噴油量和噴氣量變化情況如圖5 所示。

圖5 模式切換下的控制量結(jié)果

通過(guò)圖5 可以看出，在本文設(shè)計(jì)的自適應(yīng)控制器下，三個(gè)工況都被正常切換，轉(zhuǎn)數(shù)切換閾值被精準(zhǔn)識(shí)別。并且在噴油量與噴氣量參數(shù)切換上也比較精準(zhǔn)。說(shuō)明本文方法的自適應(yīng)性較好。進(jìn)行多次實(shí)驗(yàn)，記錄自適應(yīng)控制器下的切換點(diǎn)如圖6 所示。

圖6 控制器自適應(yīng)切換點(diǎn)記錄

通過(guò)圖6 可以看出，在控制器自適應(yīng)燃料模式切換過(guò)程中，為了達(dá)到良好的自適應(yīng)，其發(fā)動(dòng)機(jī)工作點(diǎn)處于低效率區(qū)，在最小燃油情況下，實(shí)現(xiàn)切換。發(fā)動(dòng)機(jī)的工作點(diǎn)集中在高效區(qū)時(shí)，在最小燃油和排放情況下，由于考慮到排放，切換情況增加。保證發(fā)動(dòng)機(jī)更多的工作在低效區(qū)降低排放，切換結(jié)果更加集中這個(gè)區(qū)域，工作點(diǎn)切換在高效區(qū)更多一些，符合自適應(yīng)要求，說(shuō)明控制器在多點(diǎn)都實(shí)現(xiàn)了自適應(yīng)燃料模式切換，本文方法設(shè)計(jì)的控制器，自適應(yīng)特征良好。

2.4 控制效果對(duì)比

為進(jìn)一步對(duì)比出所研究控制下的應(yīng)用效果，以文獻(xiàn)[3]、文獻(xiàn)[4]中研究的控制技術(shù)為對(duì)比方法，進(jìn)行三種不同模式工況下切換轉(zhuǎn)速超調(diào)率，以判斷切換轉(zhuǎn)速波動(dòng)情況，超調(diào)率代表切換過(guò)程越穩(wěn)定，技術(shù)應(yīng)用效果越好，結(jié)果如表3 所示。

表3 控制效果對(duì)比

從表3 中可以看出，所研究技術(shù)與文獻(xiàn)[3]、文獻(xiàn)[4]相比超調(diào)率更小，可以有效保證燃料切換過(guò)程中的穩(wěn)定性。

為了更加清晰的展示所研究技術(shù)的模式切換過(guò)程中的控制效果，以燃料模式切換時(shí)的振動(dòng)幅度作為研究對(duì)象，對(duì)比結(jié)果如圖7 所示。

圖7 模式切換下的振動(dòng)幅度對(duì)比

圖7 中，前（1~4）min 的工況為工況1；（5~7）min的工況為工況2；（8~10）min 的工況為工況3。從圖5中可以看出使用三種方法進(jìn)行燃料模式切換時(shí)，工況1時(shí)段時(shí)的振動(dòng)幅度和工況2 時(shí)的振動(dòng)幅度的對(duì)比結(jié)果均為：文獻(xiàn)[3]技術(shù)<所研究技術(shù)<文獻(xiàn)[4]技術(shù)；工況3時(shí)段時(shí)的振動(dòng)幅度對(duì)比結(jié)果為：所研究技術(shù)<文獻(xiàn)[3]技術(shù)<文獻(xiàn)[4]技術(shù)。綜合三種方法進(jìn)行燃料模式切換時(shí)的總體振動(dòng)幅度變化程度，可知所研究技術(shù)的切換振動(dòng)幅度較小。這是因?yàn)樗芯考夹g(shù)使用粒子群優(yōu)化算法確定最佳的發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速差值分配，可以最小化模式切換下的振動(dòng)幅度變化。

3 結(jié)束語(yǔ)

雙燃料混合動(dòng)力系統(tǒng)的施工使得柴油消耗大幅度減少，然而，如何進(jìn)行有效的雙燃料模式切換至關(guān)重要。為此，進(jìn)行船舶燃料模式切換自適應(yīng)控制技術(shù)研究。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，所研究技術(shù)進(jìn)行燃料模式切換時(shí)的超調(diào)率較低，自適應(yīng)性能較好，可以有效保證燃料切換過(guò)程中的穩(wěn)定性。同時(shí)燃料模式切換時(shí)具有較為穩(wěn)定的振動(dòng)幅度。表明所研究技具有較高的實(shí)用性。