陳 勇，張 艷

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基于FPSO的船舶柴油發(fā)電機勵磁系統(tǒng)控制

陳 勇，張 艷

(上海海事大學電氣自動化系，上海201306)

針對大功率船舶柴油發(fā)電機工況的復雜性、時變性以及非線性等特性，以及船舶運行負載的變化對發(fā)電機勵磁系統(tǒng)的影響，借鑒粒子群優(yōu)化算法能夠很好地適應復雜系統(tǒng)參數(shù)的尋優(yōu)的特性以及模糊控制對參數(shù)優(yōu)化的精確性，使用粒子群優(yōu)化算法對控制器的PID參數(shù)進行優(yōu)化，再使用模糊PID算法以誤差和誤差變化率作為輸入，PID參數(shù)的增量作為輸出對粒子群優(yōu)化算法優(yōu)化出來的PID參數(shù)進行修正，構成船舶發(fā)電機模糊-粒子群優(yōu)化（FPSO）勵磁控制系統(tǒng)控制器。在Matlab/Simuink環(huán)境下進行了額定負載、增加50%額定負載和三相故障等工況的仿真實驗。實驗表明，端電壓經過短暫的波動后能夠快速的回歸穩(wěn)定，證明該方法能夠很好地適應工況的改變。

柴油發(fā)電機 勵磁控制 PID控制器 粒子群優(yōu)化算法 模糊控制

0 引言

柴油發(fā)電機是船舶電力系統(tǒng)主要的電力來源。同陸地上的電力系統(tǒng)相比，船舶電力系統(tǒng)具有多臺柴油發(fā)電機、負載種類多，工況較復雜等特點[1]。船舶上負載的變動會造成功率因數(shù)的改變，進而會引起電力系統(tǒng)發(fā)電機端電壓的波動，船舶發(fā)電機勵磁系統(tǒng)作為船舶電力系統(tǒng)的重要組成層部分，它的主要功能就是保證船舶發(fā)電機端電壓恒定、合理分配發(fā)電機各機組無功功率、提高電力系統(tǒng)有功功率的傳輸能力、維持電力系統(tǒng)的動態(tài)穩(wěn)定與暫態(tài)穩(wěn)定[2]。因此，擁有一個可靠性高、性能優(yōu)良、穩(wěn)定性好的勵磁控制系統(tǒng)對船舶安全運行尤其重要。

勵磁控制方法的發(fā)展經歷了線性變量控制、非線性變量控制及智能控制等多個發(fā)展階段[3]。對于船舶電力系統(tǒng)勵磁系統(tǒng)這種具有高度時變性和非線性特性的被控對象，傳統(tǒng)的PID控制已經不能夠滿足勵磁系統(tǒng)控制的需要。許多專家學者提出了一系列的改進措施。陳子順運用了CMAC神經網絡并行控制發(fā)電機勵磁系統(tǒng)[4,5]。歐陽松使用了模糊PID控制發(fā)電機勵磁系統(tǒng)[6]。楊美艷應用了改進型粒子群模糊神經網絡整定發(fā)電機勵磁系統(tǒng)參數(shù)[7]。這些方法在船舶電力系統(tǒng)勵磁系統(tǒng)的控制中取得了不錯的效果。

2.2對兩組患者治療后不良反應發(fā)生情況進行對比,結果顯示,觀察組不良反應發(fā)生率為12.19%,對照組不良反應發(fā)生率為36.58%,兩組患者組間差異顯著,具有差異統(tǒng)計學意義(p<0.05),具體情況如表2所示:

粒子群優(yōu)化算法是群智能算法中的一種，能夠很好地適應于復雜系統(tǒng)參數(shù)的尋優(yōu)，但是，粒子群優(yōu)化算法可能會陷入局部最優(yōu)，存在早熟和收斂性比較差的缺點。本文從模糊控制理論以及粒子群優(yōu)化算法出發(fā)，結合各自的優(yōu)點，在simulink中搭建船舶柴油發(fā)電機勵磁系統(tǒng)控制器仿真模型的基礎上，結合粒子群優(yōu)化算法復雜系統(tǒng)尋優(yōu)的快速性以及模糊控制對參數(shù)優(yōu)化的精確性，使用粒子群優(yōu)化算法對控制器的PID參數(shù)進行優(yōu)化，再使用模糊PID算法根據輸入的誤差和誤差變化率輸出對粒子群優(yōu)化算法優(yōu)化出來的PID參數(shù)進行修正，構成模糊-粒子群（FPSO）控制算法，詳細的說明了控制器的設計以及實現(xiàn)方法，并在不同的工況情況下檢測勵磁系統(tǒng)的控制效果。研究發(fā)現(xiàn)，F(xiàn)PSO控制器超調較小，調節(jié)時間較快，可以滿足船舶在不同工況下的端電壓穩(wěn)定的條件，具有很好的控制效果。

工業(yè)控制系統(tǒng)是集計算機技術和網絡通信技術相結合的各種自動化系統(tǒng)的統(tǒng)稱，用于實現(xiàn)工業(yè)生產的數(shù)據采集、過程控制、程序控制、圖形顯示等，如分散控制系統(tǒng)(DCS)、數(shù)據采集與監(jiān)控系統(tǒng)(SCADA)、可編程控制器(PLC)等。

1 船舶柴油發(fā)電機勵磁控制系統(tǒng)模型

船舶柴油發(fā)電機主要由原動機、調速器、發(fā)電機等裝置組成。船舶柴油發(fā)電機的控制系統(tǒng)由轉速和勵磁兩個閉環(huán)控制系統(tǒng)組成[5]。船舶柴油發(fā)電機勵磁控制系統(tǒng)的結構框圖如圖1所示。圖中輸入為船舶柴油發(fā)電機端電壓的標幺值，是通過勵磁功率單元輸出的發(fā)電機勵磁電壓，是電壓測量單元檢測到的發(fā)電機端電壓。端電壓的設定值和實際值相減，產生電壓誤差，通過勵磁調節(jié)器對勵磁功率單元執(zhí)行器進行調節(jié)實現(xiàn)勵磁控制作用。系統(tǒng)主要控制對象是柴油發(fā)電機以及勵磁機，工況的變換主要由三相電力負載決定。

我至今都搞不清楚，小六子這小家伙當時不知哪來那么大的力氣。他還沒有等我把東西放在炕上，他甚至沒等我有任何條件反射的情況下，就掄起他父親的那根鎬柄……

勵磁控制系統(tǒng)模型的輸入為檢測到的端電壓值與給定的參考值，輸出為柴油發(fā)電機的勵磁電壓。本文將電壓比較單元、滯后與超前補償器、勵磁機適當簡化，用數(shù)學模型表示，簡化后的船舶柴油發(fā)電機勵磁控制系統(tǒng)電氣模型如圖2所示。控制系統(tǒng)模型由柴油機勵磁控制系統(tǒng)模塊、柴油機轉速控制系統(tǒng)模塊、柴油發(fā)電機以及負載故障模塊組成，其中發(fā)電機為Matlab/Simulink中SimPowerSystems中的同步發(fā)電機模塊，選用的參數(shù)為系統(tǒng)自帶的發(fā)電機參數(shù)。

負載故障模塊（load）包括額定負載、50%負載以及三相短路故障模擬模塊，將三相短路故障模擬模塊接入控制系統(tǒng)任何部位就可以進行故障仿真實驗，負載與故障模塊電氣圖如圖3所示。

1.2 勵磁控制系統(tǒng)仿真模型

控制模塊（speed & excitation control）由速度控制模塊和勵磁控制模塊構成。速度控制模塊為Matlab/Simulink中的速度控制模塊。

1.1 勵磁控制系統(tǒng)

2 FPSO控制器設計

2.1 設計原理

模糊子集為

本文設計的控制系統(tǒng)采用將粒子群優(yōu)化算法與模糊規(guī)則相結合的方法，對控制器的PID參數(shù)進行自適應調整，結構框圖如圖5所示。控制系統(tǒng)的工作原理是：將輸入變量即端電壓誤差輸入到PSO調節(jié)器中，根據系統(tǒng)的模型以及誤差的大小對控制器PID參數(shù)進行優(yōu)化，同時將端電壓誤差以及誤差變換率經過模糊化，然后作為輸入，輸入到模糊PID控制器中，按照給定的模糊規(guī)則判斷，完成模糊推理，經過去模糊化處理后求得模糊PID控制器的輸出控制量。模糊PID控制器的輸出量不斷地對粒子群優(yōu)化算法優(yōu)化得出的PID控制器參數(shù)進行修正，從而得到FPSO控制器的控制參數(shù)，經過進一步的計算得出勵磁控制器的輸出控制量，保證柴油發(fā)電機端電壓的穩(wěn)定。

2.2基于PSO的PID控制器設計

利用粒子群優(yōu)化算法對PID參數(shù)尋優(yōu)本質上就是基于一個目標函數(shù)對參數(shù)尋優(yōu)的問題，粒子的維度為3，即初始化粒子是一個三維向量，分別表示三個參數(shù)，粒子在3維空間的位置表示為,粒子的初始位置為，飛行速度表示為，粒子的初始速度為。

式中：()為系統(tǒng)誤差。

每個粒子都有一個由目標函數(shù)決定的適應度值，并且粒子能夠記錄自己目前為止發(fā)現(xiàn)的最優(yōu)的位置（pbest）以及現(xiàn)在所在的位置，每個粒子也記錄了種群中所有粒子發(fā)現(xiàn)的最好的位置（gbest）。粒子通過這些經驗決定下一步的動作。粒子通過式（1）（2）來更新自己的速度和位置。

突然想起一句話：圍城里面的人想出來，在外邊的人想進去?？隙ㄟ€有很多人會走上教書育人這條路的。他們也會和我一樣，在初登講臺的時候，心中裝著的是激情，是夢想，后來的故事卻不知道是否和我一樣。我只能對自己說，如果能有機會，我真想跳出來，如果有來生，下輩子我再也不想做老師……

為獲得滿意的動態(tài)特性，本文選擇式(3)所示函數(shù)作為優(yōu)化的目標函數(shù)。

有關人士應當明確了解到的是，實驗室管理系統(tǒng)是根據相應的實驗室數(shù)據信息庫而建立起來的，同時它的維護管理工作是由實驗室管理人員進行管理的，最終使用的平臺才能面向于學生。整個實驗室管理系統(tǒng)平臺，往往可以為學生提供各種不同類型的實驗方案器件，學生也可以根據自身的實際需求要自身申請相應的設備，這樣一來，由系統(tǒng)依據學生的綜合信息來展開實際的分析，從而在數(shù)據當中建立出相應的數(shù)學模型，最終來批準或是駁回學生的申請。

示范田位于江蘇省揚州市廣陵區(qū)沙頭鎮(zhèn)新興村，面積6 670 m2，前茬作物為水稻。土壤為壤土，肥力中等，地勢相對平整。防病治蟲、施肥等田間管理按常規(guī)方法進行。

粒子群優(yōu)化PID參數(shù)的流程圖如圖6所示。最后的輸出結果即為最優(yōu)的粒子，粒子所攜帶的參數(shù)為三個參數(shù)。

圖6. 粒子群優(yōu)化PID參數(shù)的流程圖

高校體育教學與專業(yè)課的教學存在著各方面較大的不同，但是在體育教學中也按照專業(yè)課程教學評價一樣進行相應的評價管理，并融入學生評教還是非常有意義的，大體體現(xiàn)在以下兩個方面：

模糊PID控制器的輸入是誤差e和誤差變化率ec，輸出為PID參數(shù)的變化量，根據模糊控制規(guī)則對控制器的PID參數(shù)進行適時調整、修改，能夠滿足任何時刻的e和ec對PID自整定參數(shù)的要求[8,9]。

自適應模糊PID控制器是以PID算法為基礎，以系統(tǒng)當前的誤差e和誤差變化率ec作為輸入，將輸入參數(shù)按照一定的量化因子模糊化，根據模糊規(guī)則進行模糊推理，通過查詢模糊矩陣表并得到的對應的控制結果，再將控制結果解模糊化輸出，對PID的參數(shù)值進行調整。

模糊集的論域為

高安方言頗具特色。語音上，它保留了古漢語的入聲“k”和“t”，如把“百”字讀作“pak4”，“八”字讀作“pat4”，等等。詞匯上，該方言常常給人一種“百姓打官腔”的感覺?！拔┰浮?、“莫怪”、“作踐”、“休命”、“發(fā)氣”、“靜辦”、“靈泛”、“伶俐”、“血糊淋剌”等明清文學作品中的詞匯，幾乎每個高安人，無論其受教育程度如何，都能夠為你娓娓道來。正如陳昌儀老師在《贛方言概要》中所言，“……隨著(江西)文化教育的發(fā)展，知識分子的激增，宋元明官場上和文人中流行的文縐縐的雅語、避諱語也流入了民間，現(xiàn)在成了(江西)廣大農村中老年文盲、半文盲的大白話”。[2](P65-67)

根據經驗得出各模糊算子集的隸屬度，將得到的隸屬度函數(shù)離散化，就能夠得到相應模糊變量的模糊子集，參考各模糊子集的隸屬度賦值表，根據模糊推理進而設計PID參數(shù)的模糊矩陣表，計算并修正系統(tǒng)參數(shù)。

模糊控制設計的核心是總結前輩們的技術經驗，建立恰當?shù)哪：?guī)則表，進而得到針對三個參數(shù)的模糊控制表。

3 仿真分析與研究

本文設計了船舶柴油發(fā)電機勵磁控制器，并在不同工況下分析勵磁控制系統(tǒng)的的動態(tài)特性。

在勵磁控制系統(tǒng)以額定負載啟動的工況下，比較FPSO控制器與粒子群優(yōu)化PID控制器的控制效果，輸入信號為幅值為1.01。FPSO控制器仿真圖如圖7所示。

事實上，相比企業(yè)而言，國家在上世紀90年代，就把消費者滿意度作為一項重要的品牌評價指標，并提出要對其進行重點研究。

采用PSO控制器，粒子的維度為3，粒子的種群為20，迭代次數(shù)為10。所得結果為=50.9115，=0.9487，=5.4694。采用FPSO控制器，所得結果為=56.25，=0.6695，=4.605?？刂菩Ч麍D如圖8所示。由圖像可知，空載啟動時，F(xiàn)PSO與PSO相比，F(xiàn)PSO算法的超調量要比PSO算法得到的超調量小，調節(jié)時間FPSO算法要比PSO算法短，F(xiàn)PSO算法要比PSO算法更加穩(wěn)定，說明FPSO算法的控制效果要比PSO算法的控制效果好。說明FPSO算法與PSO算法相比更適應于發(fā)電機勵磁控制。

雖然基于KPI的績效管理具有多種優(yōu)勢，而且在企業(yè)中得到大范圍應用。比如：在市場行情不佳時，一般為減少庫存及減少應收賬款的“兩金壓降”手段設置科學KPI，可以嚴格控制企業(yè)的經營風險，以此高效完成利潤總額目標。但是就實施現(xiàn)狀來講，，依舊存在一些不足，主要體現(xiàn)在以下幾個方面：

系統(tǒng)以額定負載啟動，在其穩(wěn)定運行后，在第8 s時突加50%發(fā)電機額定功率的三相負載。FPSO勵磁控制仿真結果如圖9所示，圖中第一項為發(fā)電機端電壓，第二項為發(fā)電機勵磁電壓，第三項為發(fā)電機勵磁電流。粒子群優(yōu)化控制在系統(tǒng)初始運作時可以快速的將端電壓調節(jié)到參考值附近，模糊控制不斷地對粒子群優(yōu)化的參數(shù)進行優(yōu)化，使端電壓短時間內達到穩(wěn)定運行。勵磁電壓和勵磁電流經過一段按時間的波動后最終達到穩(wěn)定。

系統(tǒng)以額定負載啟動，在其穩(wěn)定運行后，在第8s時突加三項斷路故障。FPSO勵磁控制仿真結果如圖10所示，圖中第一項為發(fā)電機端電壓，第二項為發(fā)電機勵磁電壓，第三項為發(fā)電機勵磁電流。系統(tǒng)帶動額定負載運行，在9-10s時發(fā)生三相接地短路故障，發(fā)電機端電壓在FPSO勵磁控制器的作用下可以快速地達到標準值。勵磁電壓和勵磁電流經過短暫的波動后很快地達到了穩(wěn)定狀態(tài)。該控制系統(tǒng)能夠很好地適應船舶運行工況的改變。

FPSO勵磁控制器融合了模糊PID和粒子群優(yōu)化算法兩者的優(yōu)點，在系統(tǒng)的工況發(fā)生改變時，能夠快速的調整勵磁系統(tǒng)的參數(shù)，改變系統(tǒng)的勵磁電壓以及勵磁電流，使發(fā)電機端電壓達到穩(wěn)定狀態(tài)，調節(jié)時間較少，超調量較小，系統(tǒng)具有很好的抗干擾能力，能夠很好地保證了船舶電力系統(tǒng)安全和可靠的工作。

2.3模糊控制器的設計

4 結論

針對船舶電力系統(tǒng)的復雜性與非線性特性，本文利用粒子群優(yōu)化算法能夠很好地適應復雜系統(tǒng)參數(shù)的尋優(yōu)的特性以及模糊控制對參數(shù)優(yōu)化的精確性，將模糊PID控制與粒子群優(yōu)化算法優(yōu)化PID控制器進行結合，設計了FPSO勵磁控制器，并對船舶柴油發(fā)電機勵磁分別在突加三相負載和三相短路故障工況下的動態(tài)過程進行仿真與分析。與粒子群優(yōu)化PID控制方法進行比較，系統(tǒng)響應較快，穩(wěn)定時間較短，表明了FPSO控制器能夠更好適應工況的改變以及干擾、故障的恢復，說明FPSO控制器具有很好的穩(wěn)定性以及抗干擾的能力。

參考文獻:

[1] 施偉鋒,許曉彥.船舶電力系統(tǒng)建模與控制[M].北京：電子工業(yè)出版社,2012.

[2] 程啟明.同步發(fā)電機勵磁控制方法的發(fā)展與展望[J].電力自動化設備, 2012，32 (5):108-117.

[3] 孫新志.基于遺傳算法的同步發(fā)電機模糊PID勵磁控制器研究[D].西安理工大學，2005.

螺塞脫落者，如骨折愈合可行內固定取出；如骨折未愈合，可在局麻下重新鎖緊螺塞。連接棒松動者，如骨折愈合可行內固定取出；如出現(xiàn)后凸畸形，應行傳統(tǒng)手術進行后外側融合。研究表明，經傷椎固定具有良好的生物力學矯形效果，可顯著改善螺釘?shù)膽Ψ植肌p少局部載荷集中，可避免螺釘斷裂、松動［18］。因此，處理斷釘、斷棒、釘棒松動、螺塞退出等情況的翻修手術中，可增加傷椎置釘以提高內固定的穩(wěn)定性。

[4] 陳子順.船舶發(fā)電機勵磁系統(tǒng)人工神經網絡控制研究[D].上海海事大學，2004.

[5] 張艷，郭凱.船舶柴油發(fā)電機組轉速的模糊RBF神經網絡PID控制[J].船電技術，2014，34 (5):1-6.

[6] 歐陽松,汪敏.船舶發(fā)電機組的勵磁系統(tǒng)模糊PID控制研究[J].船電技術，2015，25 (5)：59-62.

[7] 楊美艷，徐慶增.改進粒子群模糊神經網絡算法在同步發(fā)電機勵磁參數(shù)整定中的應用[J].內蒙古師范大學學報，2015，44 (6)：817-821.

[8] 黃衛(wèi)華.模糊控制系統(tǒng)及應用[M].北京：電子工業(yè)出版社，2012.

[9] 張德豐.MATLAB/Simulink 建模與仿真實例精講[M].北京：機械工業(yè)出版社，2011.

FPSO-based Excitation Control for Marine Diesel Generator Set

Chen Yong, Zhang Yan

(Department of Electrical Engineering and Automation, Shanghai Maritime University, Shanghai 201306, China)

TP271.4

A

1003-4862（2016）09-0044-05

2016-04-15

國家自然科學基金資助項目（61203110）, 上海市教委科研創(chuàng)新項目資助（14YZ107）

陳勇（1992-），男，講師。研究方向：船舶電力系統(tǒng)。