范 凱

（海軍裝備部駐上海地區(qū)軍事代表局 上海200135）

某船柴油機(jī)推進(jìn)系統(tǒng)控制策略優(yōu)化研究

范 凱

（海軍裝備部駐上海地區(qū)軍事代表局 上海200135）

通過對某船推進(jìn)系統(tǒng)進(jìn)行仿真建模的基礎(chǔ)上，開展了柴油機(jī)起動(dòng)、接脫排、正常操控、應(yīng)急操控、雙機(jī)并車等過程控制策略的優(yōu)化研究，研究成果應(yīng)用于該船推進(jìn)監(jiān)控系統(tǒng)的研制，并經(jīng)推進(jìn)系統(tǒng)陸上聯(lián)調(diào)試驗(yàn)得到成功驗(yàn)證。

柴油機(jī)推進(jìn)系統(tǒng); 控制策略; 優(yōu)化研究

引 言

柴油機(jī)推進(jìn)形式在艦船上已得到越來越多的應(yīng)用，隨著近幾年計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)的發(fā)展，特別是動(dòng)態(tài)系統(tǒng)仿真軟件的發(fā)展，對柴油機(jī)推進(jìn)系統(tǒng)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(jìn)系統(tǒng)的仿真模型，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行柴油機(jī)起動(dòng)、接脫排、正常操控、緊急操控、雙機(jī)并車等過程控制策略的仿真試驗(yàn)以及優(yōu)化比較研究，最終提出適用于該船推進(jìn)系統(tǒng)的合理的控制策略。

1　仿真試驗(yàn)?zāi)Ｐ秃喗?/h2>

某船推進(jìn)系統(tǒng)采用柴油機(jī)四機(jī)雙槳的推進(jìn)形式，每套推進(jìn)裝置由兩臺(tái)HMM-SEMT Pielstick 16PC2-6中速柴油機(jī)通過聯(lián)軸器、雙機(jī)并車減速齒輪箱（含內(nèi)嵌多片式摩擦離合器）和軸系驅(qū)動(dòng)調(diào)距槳。仿真試驗(yàn)?zāi)Ｐ驮贛atlab 2009a及Simulink V7.3環(huán)境下構(gòu)建，主要包括柴油機(jī)模型、調(diào)速器模型、聯(lián)軸器模型、帶摩擦離合器的減速齒輪箱模型、軸系模型、調(diào)距槳及其控制系統(tǒng)模型以及船體運(yùn)動(dòng)模型［1］。推進(jìn)系統(tǒng)仿真模型模塊見下頁圖1，將其按實(shí)際物理意義連接所組成的船舶推進(jìn)裝置控制系統(tǒng)Simulink仿真模型限于篇幅，則不在此闡述。

圖1　推進(jìn)系統(tǒng)仿真模型模塊

2　控制策略優(yōu)化研究

2.1柴油機(jī)起動(dòng)過程控制策略優(yōu)化研究

空載柴油機(jī)起動(dòng)過程分為三個(gè)階段［2］：

第一階段為壓縮空氣起動(dòng)階段。在此階段，主起動(dòng)閥打開，壓縮空氣通過空氣分配器依次進(jìn)入柴油機(jī)各氣缸，推動(dòng)活塞，主機(jī)轉(zhuǎn)速上升，達(dá)到發(fā)火轉(zhuǎn)速，約為80 r/min（HMM-SEMT Pielstick 16PC2-6型柴油機(jī)）。

第二階段為起動(dòng)油量供油階段。在此階段，主起動(dòng)閥關(guān)閉，停止供氣，轉(zhuǎn)入起動(dòng)油量供油階段，油量恒定（40%滿油門位置，噴油泵油量調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)固定的位置簡稱油門位置，每一個(gè)油門位置對應(yīng)不同的油量），柴油機(jī)爆發(fā)做功，轉(zhuǎn)速達(dá)到切換轉(zhuǎn)速（切換轉(zhuǎn)速指油門從定值控制向PID控制切換的轉(zhuǎn)速）。

第三階段為轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)階段。在此階段，PID控制器（某船采用電子調(diào)速器，控制器與執(zhí)行機(jī)構(gòu)分開）通過調(diào)節(jié)供油量來調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速，使其穩(wěn)定在操作手柄給定的怠速轉(zhuǎn)速上（約為250 r/min）。

下面重點(diǎn)對不同起動(dòng)油量、不同切換轉(zhuǎn)速、不同PID參數(shù)設(shè)置進(jìn)行對比優(yōu)化研究。

2.1.1不同起動(dòng)油量條件下的柴油機(jī)空車起動(dòng)

仿真研究

對不同起動(dòng)油量條件下（40%、30%、25%滿油門位置）柴油機(jī)轉(zhuǎn)速進(jìn)行對比分析，仿真曲線如圖2所示?？梢?，柴油機(jī)起動(dòng)油量越大、柴油機(jī)響應(yīng)速度越快、轉(zhuǎn)速超調(diào)也越大。

圖2　不同起動(dòng)油量下的柴油機(jī)起動(dòng)轉(zhuǎn)速曲線

不同起動(dòng)油量下的柴油機(jī)油門位置曲線對比如圖3所示。起動(dòng)油量越高，柴油機(jī)在第二階段所經(jīng)歷的時(shí)間越短。

圖3　不同起動(dòng)油量條件下柴油機(jī)油門位置曲線

2.1.2不同PID參數(shù)條件下的柴油機(jī)空車起動(dòng)仿真研究

為考察不同PID參數(shù)對柴油機(jī)起動(dòng)轉(zhuǎn)速的影響，分別選擇不同控制參數(shù)對起動(dòng)過程進(jìn)行仿真試驗(yàn)，從圖4給出的不同參數(shù)下柴油機(jī)轉(zhuǎn)速對比曲線可以看出， PID組合為Kp=0.22，Ki=0.2，Kd=0.002 5時(shí)有較好的控制效果。

圖4　不同PID參數(shù)下柴油機(jī)轉(zhuǎn)速曲線

在此基礎(chǔ)上，利用參數(shù)整定經(jīng)驗(yàn)得到提前采用穩(wěn)定積分量的控制策略，使柴油機(jī)空車起動(dòng)達(dá)到較為理想的效果。對應(yīng)該仿真過程的油門位置曲線如圖5所示。

圖5　不同PID參數(shù)下柴油機(jī)油門位置曲線圖

2.1.3不同切換轉(zhuǎn)速條件下的柴油機(jī)空車起動(dòng)仿真研究

為考察不同切換轉(zhuǎn)速對柴油機(jī)切換轉(zhuǎn)速的影響，分別選擇不同切換轉(zhuǎn)速對起動(dòng)過程進(jìn)行仿真試驗(yàn)，從圖6、圖7給出的不同參數(shù)下柴油機(jī)轉(zhuǎn)速對比曲線可以看出：切換轉(zhuǎn)速設(shè)置為250 r/min時(shí)，切換過程油門波動(dòng)最小。因而從經(jīng)濟(jì)性和可控性等因素考慮，切換轉(zhuǎn)速設(shè)置為250 r/min時(shí)的控制效果最好。

圖6　不同切換轉(zhuǎn)速下柴油機(jī)轉(zhuǎn)速變化曲線圖

圖7　不同切換轉(zhuǎn)速下柴油機(jī)油門位置曲線圖

通過上述研究發(fā)現(xiàn)，PID控制參數(shù)為Kp=0.22、Ki=0.2和Kd=0.002 5時(shí)，有較好的控制效果。利用參數(shù)整定經(jīng)驗(yàn)得到提前采用穩(wěn)定積分量的控制策略，能使柴油機(jī)空車起動(dòng)達(dá)到較為理想的效果。此外，切換轉(zhuǎn)速設(shè)置為250 r/min時(shí)，切換過程油門波動(dòng)最小，具有良好的經(jīng)濟(jì)性和可控性。

2.2柴油機(jī)接脫排過程控制策略研究

由于柴油機(jī)并車系統(tǒng)接排過程時(shí)間由液壓執(zhí)行機(jī)構(gòu)決定，在并車過程中不能對接脫排時(shí)間進(jìn)行控制。因此，本文主要對柴油機(jī)并車系統(tǒng)接脫排過程中的轉(zhuǎn)速控制策略進(jìn)行研究。

2.2.1柴油機(jī)接排過程

為研究優(yōu)化柴油機(jī)接排過程的控制，分別采用多組PID控制參數(shù)對柴油機(jī)接排過程進(jìn)行控制仿真試驗(yàn)。通過多次試驗(yàn)，得到一組適合于對柴油機(jī)接排過程控制的參數(shù)：Kp=0.46、Ki=0.025、Kd=1.5，采用新的控制參數(shù)與柴油機(jī)空載控制參數(shù)的對比（如圖8所示）?？梢?，新的控制參數(shù)作用下，系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能有了明顯的改善和提高。因此對接排過程應(yīng)采用一組新的參數(shù)進(jìn)行控制。

圖8　不同PID參數(shù)下柴油機(jī)接排過程轉(zhuǎn)速

考慮到接排過程柴油機(jī)與軸系之間的能量傳遞和能量損失，為避免柴油機(jī)轉(zhuǎn)速下降過多引起熄火，本研究提出一種新的柴油機(jī)接排控制策略：當(dāng)控制系統(tǒng)發(fā)出接排指令時(shí)，迅速提升空載柴油機(jī)轉(zhuǎn)速達(dá)到350 r/min（單機(jī)接排允許的最大轉(zhuǎn)速），然后接排。

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

圖9　不同控制策略下柴油機(jī)接排過程轉(zhuǎn)速

當(dāng)螺距比不為零時(shí)接排，由于螺旋槳轉(zhuǎn)動(dòng)慣量變大，根據(jù)能量平衡原理，柴油機(jī)轉(zhuǎn)速下降較多。圖10給出了不同螺距比接排時(shí)，柴油機(jī)轉(zhuǎn)速變化情況。當(dāng)螺距比為最大時(shí)（P/D=1.44），柴油機(jī)轉(zhuǎn)速下降至194 r/min，保持在穩(wěn)定工作轉(zhuǎn)速。

圖10　不同螺距比柴油機(jī)接排過程轉(zhuǎn)速

2.2.2柴油機(jī)脫排過程

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

圖11　不同PID參數(shù)下的柴油機(jī)脫排過程轉(zhuǎn)速

當(dāng)柴油機(jī)在520 r/min時(shí)脫排，轉(zhuǎn)速突升至535.8 r/min，未達(dá)到超速保護(hù)裝置作用轉(zhuǎn)速（582 r/min），如圖12所示。

圖12　額定轉(zhuǎn)速運(yùn)行時(shí)的脫排過程轉(zhuǎn)速

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

3　推進(jìn)系統(tǒng)正常操控控制策略研究

船舶的正常操控是指在非應(yīng)急操作狀態(tài)下，船非全速前進(jìn)至全速后退或非全速后退至全速前進(jìn)時(shí)的操控［3］。利用該推進(jìn)裝置仿真模型對正常操控控制策略進(jìn)行仿真研究，柴油機(jī)轉(zhuǎn)速按照正常情況下的熱機(jī)加減速曲線（如圖13所示）進(jìn)行加減，同時(shí)調(diào)距槳的螺距按照一定的規(guī)律進(jìn)行變化。在不同的機(jī)槳聯(lián)控策略下，得到了船舶加速和換向過程中的柴油機(jī)轉(zhuǎn)速、螺距比、航速和前進(jìn)距離。

為優(yōu)選動(dòng)力系統(tǒng)正常操控情況下的控制策略，分別對不同柴油機(jī)轉(zhuǎn)速和船槳螺距變化控制策略進(jìn)行仿真研究。四種正常操控控制策略如下：

策略一：柴油機(jī)轉(zhuǎn)速控制和船槳螺距控制各自按規(guī)律變化；策略二：先對柴油機(jī)進(jìn)行轉(zhuǎn)速控制，達(dá)到目標(biāo)轉(zhuǎn)速后再對船槳螺距控制；策略三：先對船槳螺距進(jìn)行控制，達(dá)到目標(biāo)螺距后再對柴油機(jī)轉(zhuǎn)速控制；策略四：螺距控制跟隨柴油機(jī)轉(zhuǎn)速同步控制。以上四種控制策略的仿真對比結(jié)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(shí)間和距離比較

表2　四種策略正常操控船舶停船時(shí)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(shí)間，同時(shí)加速距離最短。因此綜合以上仿真結(jié)果，在實(shí)際正常加速控制中應(yīng)采用第四種控制策略。從表2結(jié)果來看，在第三種控制策略作用下系統(tǒng)的停船距離最短，在第四種控制策略作用下停船時(shí)間最短。因此可根據(jù)不同需要選擇合適的控制策略。

4　推進(jìn)系統(tǒng)緊急操控的控制策略研究

為優(yōu)選動(dòng)力系統(tǒng)緊急操控情況下的控制策略，分別對不同柴油機(jī)轉(zhuǎn)速和船槳螺距變化控制策略進(jìn)行仿真研究。四種緊急操控的控制策略如下：

策略一：柴油機(jī)轉(zhuǎn)速控制和船槳螺距控制各自按規(guī)律變化；策略二：先對柴油機(jī)進(jìn)行轉(zhuǎn)速控制，達(dá)到目標(biāo)轉(zhuǎn)速后再對船槳螺距控制；策略三：先對船槳螺距進(jìn)行控制，達(dá)到目標(biāo)螺距后再對柴油機(jī)轉(zhuǎn)速控制；策略四：螺距控制跟隨柴油機(jī)轉(zhuǎn)速同步控制。以上對四種緊急加速控制策略的仿真結(jié)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(shí)間和距離比較

表4　四種策略緊急操控船舶停船時(shí)間和距離

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

5　柴油機(jī)雙機(jī)并車控制策略研究

本船采用單調(diào)速器法實(shí)現(xiàn)主機(jī)雙機(jī)并車運(yùn)行控制［4-5］，當(dāng)指令要求由單機(jī)/軸變?yōu)殡p機(jī)/軸時(shí)，控制系統(tǒng)先將待接排的柴油機(jī)（2號主機(jī)）轉(zhuǎn)速調(diào)整到與已接排柴油機(jī)（1號主機(jī)）相同的轉(zhuǎn)速，然后發(fā)出離合器接合命令。當(dāng)功率平衡控制器（LBC）接到第二臺(tái)主機(jī)離合器已接合的信號后，由功率平衡控制器實(shí)施功率平穩(wěn)轉(zhuǎn)移；保持第一臺(tái)柴油機(jī)的轉(zhuǎn)速，同時(shí)增加第二臺(tái)柴油機(jī)的功率，大約20 s后（具體時(shí)間根據(jù)并車時(shí)的工況，空車最快，進(jìn)五最慢），使同軸上的兩臺(tái)柴油機(jī)達(dá)到功率平衡（功率不平衡度≤±5%）。功率分配完成后，車令由單機(jī)工況變?yōu)殡p機(jī)工況，轉(zhuǎn)速和槳角按加速速率變化給定到雙機(jī)工況，當(dāng)實(shí)際轉(zhuǎn)速和槳角達(dá)到給定值后，并車過程完成。根據(jù)1號主機(jī)和2號主機(jī)轉(zhuǎn)速不同的情況，本研究分別從2號主機(jī)轉(zhuǎn)速等于、低于、高于1號主機(jī)轉(zhuǎn)速等三種情況對雙機(jī)并車控制策略進(jìn)行研究（限于篇幅，每種情況的對比圖在此未列出）。

研究結(jié)果表明：當(dāng)2號主機(jī)轉(zhuǎn)速接近于1號主機(jī)轉(zhuǎn)速時(shí)，柴油機(jī)雙機(jī)并車控制效果最好，轉(zhuǎn)速變化較為平穩(wěn)。當(dāng)2號主機(jī)轉(zhuǎn)速與1號主機(jī)轉(zhuǎn)速有一定偏差時(shí)，雖然轉(zhuǎn)速出現(xiàn)一些轉(zhuǎn)速波動(dòng)，但并不會(huì)影響系統(tǒng)的并車控制。

6　結(jié) 論

對某船柴油機(jī)推進(jìn)系統(tǒng)控制策略進(jìn)行的仿真試驗(yàn)以及對比優(yōu)化研究成果，已應(yīng)用于該船的推進(jìn)監(jiān)控系統(tǒng)研制。在該船的推進(jìn)系統(tǒng)陸上聯(lián)調(diào)試驗(yàn)中，推進(jìn)監(jiān)控系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定、工作可靠，柴油機(jī)的起動(dòng)、接脫排、正常操控、應(yīng)急操控、雙機(jī)并車等過程均與研究結(jié)果吻合，為后續(xù)實(shí)船的試驗(yàn)及正常運(yùn)行奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

［1］ 朱輝，王麗清，張幽彤，等.用MATLAB/SIMULINK實(shí)現(xiàn)柴油機(jī)及其控制系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)仿真［J］.內(nèi)燃機(jī)學(xué)報(bào)，1998（3）：314-321.

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

［3］ 施仲篪，楊承參，施潤華. 輪機(jī)學(xué)［M］.上海:上海交通大學(xué)出版社，1988.

［4］ 侯馨光，張敏. 船舶主柴油機(jī)并車運(yùn)行新方法［J］. 上海船舶運(yùn)輸科學(xué)研究所學(xué)報(bào)，2007（2）：75-80.

［5］ 徐斌.艦船主柴油機(jī)雙機(jī)并車控制仿真技術(shù)的研究［J］.上海船舶運(yùn)輸科學(xué)研究所學(xué)報(bào)，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。