桂 棟， 張秦峰， 耿 琪

(上海船舶運(yùn)輸科學(xué)研究所有限公司 艦船自動(dòng)化系統(tǒng)事業(yè)部， 上海 200135)

0 引 言

近年來(lái)，隨著艦船逐漸朝著大型化、高速化方向發(fā)展，傳統(tǒng)的單機(jī)單槳?jiǎng)恿ρb置逐漸難以滿足各類船舶對(duì)動(dòng)力的需求，柴-柴聯(lián)合推進(jìn)裝置(Combined Diesel And Diesel Configuration，CODAD)成為了大型特種船、公務(wù)船的首選動(dòng)力裝置。CODAD采用的離合器主要有液力耦合器和摩擦片離合器2種，其中：液力耦合器的接脫排過(guò)程柔和，沖擊小，但其接脫排時(shí)間長(zhǎng)，系統(tǒng)附件多，重量和尺寸大；多片式摩擦離合器憑借接脫排迅速、結(jié)構(gòu)緊湊和能可靠傳遞大扭矩等優(yōu)點(diǎn)，在大型船舶推進(jìn)裝置中的應(yīng)用越來(lái)越廣泛[1]。

近期，某新型大功率柴油機(jī)加摩擦片離合器的聯(lián)合推進(jìn)裝置實(shí)現(xiàn)了裝船應(yīng)用，其柴油機(jī)的功率和轉(zhuǎn)動(dòng)慣量相比以往的柴油機(jī)大幅提升，其摩擦片離合器接排過(guò)程較“硬”，會(huì)對(duì)柴油機(jī)產(chǎn)生大扭矩沖擊，對(duì)并車控制系統(tǒng)提出了更高的要求。對(duì)此，本文基于硬件模塊化、軟件組態(tài)化和算法再優(yōu)化的設(shè)計(jì)思路，研制一種通用性強(qiáng)、安全可靠、控制品質(zhì)優(yōu)良的大功率柴油機(jī)并車控制系統(tǒng)，以期有效解決大功率柴油機(jī)啟動(dòng)、調(diào)速和接排大扭矩沖擊等方面的控制難題，滿足該聯(lián)合推進(jìn)裝置的實(shí)船控制需求。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

以某采用四機(jī)雙調(diào)距槳推進(jìn)的CODAD為例，其每側(cè)的2臺(tái)大功率柴油機(jī)的功率通過(guò)金屬簧片式高彈聯(lián)軸節(jié)和撓性桿聯(lián)軸器，經(jīng)帶有多片式摩擦片離合器的減速齒輪箱并車之后單軸輸出[2]。并車控制系統(tǒng)的主要任務(wù)是對(duì)推進(jìn)裝置實(shí)施自動(dòng)控制和監(jiān)測(cè)報(bào)警，在保證推進(jìn)裝置根據(jù)操作人員的指令可靠運(yùn)行的同時(shí)，能通過(guò)網(wǎng)絡(luò)通信與其他系統(tǒng)進(jìn)行信息交互。

系統(tǒng)設(shè)備主要分布在駕駛室、集控室和機(jī)艙內(nèi)，其中駕駛室和集控室內(nèi)布置有車鐘、遙控操作板等操作類模塊。集控室內(nèi)的監(jiān)控計(jì)算機(jī)和機(jī)艙內(nèi)的顯控模塊作為人機(jī)交互設(shè)備，可顯示整個(gè)推進(jìn)裝置的運(yùn)行狀態(tài)；機(jī)艙內(nèi)的監(jiān)測(cè)箱中配置有各類標(biāo)準(zhǔn)化的數(shù)據(jù)采集模塊，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)傳感器信號(hào)進(jìn)行采樣之后，經(jīng)CAN(Controller Area Network)將其傳輸給監(jiān)控計(jì)算機(jī)；控制箱內(nèi)配置有遙控控制模塊、并車控制模塊和I/O(Input/Output)模塊，接收各類操作指令之后，對(duì)推進(jìn)裝置實(shí)施自動(dòng)控制。該并車控制系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)見(jiàn)圖1。

2 硬件模塊設(shè)計(jì)

并車控制系統(tǒng)由標(biāo)準(zhǔn)化的硬件模塊組成，其中：標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)采集模塊負(fù)責(zé)完成開(kāi)關(guān)量輸入、電流輸入、熱電阻輸入和脈沖信號(hào)輸入等；遙控控制模塊和并車控制模塊采用標(biāo)準(zhǔn)的現(xiàn)場(chǎng)控制模塊,可采集各類操作指令和推進(jìn)裝置運(yùn)行信號(hào)，經(jīng)邏輯處理之后實(shí)現(xiàn)主機(jī)啟停、接脫排、調(diào)速和并車運(yùn)行等控制功能。

數(shù)據(jù)采集模塊和現(xiàn)場(chǎng)控制模塊均采用基板加核心板的6U型板卡結(jié)構(gòu)，見(jiàn)圖2。數(shù)據(jù)采集模塊的核心板配置ARM7架構(gòu)的LPC2378芯片、存儲(chǔ)器和總線連接器；現(xiàn)場(chǎng)控制模塊的核心板選用基于X86硬件架構(gòu)的低功耗嵌入式Pentium Ⅱ CPU(Central Processing Unit)，并引入VxWorks實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，可合理分配CPU資源，利用成熟封裝的底層驅(qū)動(dòng)功能簡(jiǎn)化軟件設(shè)計(jì)，使控制模塊具有更快的響應(yīng)速度和更強(qiáng)的可靠性[3]。各模塊的基板可根據(jù)應(yīng)用需求集成高性能通信芯片、AD(Analog to Digital)采樣芯片、信號(hào)處理器、光耦及光電隔離器和可編程邏輯門(mén)陣列(Field Programmable Gate Array，F(xiàn)PGA)等電子元器件，靈活配置CAN通信、以太網(wǎng)通信、RS485通信、電壓電流信號(hào)和頻率信號(hào)等I/O接口，實(shí)現(xiàn)多路信號(hào)采樣處理、控制輸出和網(wǎng)絡(luò)通信等功能，滿足系統(tǒng)各類接口的需求。

圖2 標(biāo)準(zhǔn)化硬件模塊架構(gòu)圖

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 系統(tǒng)軟件架構(gòu)設(shè)計(jì)

為實(shí)現(xiàn)軟件的組態(tài)化設(shè)計(jì)，基于系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)、硬件環(huán)境和操作系統(tǒng)平臺(tái)，將系統(tǒng)軟件架構(gòu)設(shè)計(jì)為處理層、通信層和監(jiān)控層等3層，使軟件體系結(jié)構(gòu)清晰靈活，模塊的內(nèi)聚性強(qiáng)、耦合性弱，便于實(shí)現(xiàn)軟件的組合、擴(kuò)展和移植。處理層為下位機(jī)軟件，主要實(shí)現(xiàn)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)的采集和實(shí)時(shí)控制；通信層設(shè)計(jì)有標(biāo)準(zhǔn)的CAN通信協(xié)議和以太網(wǎng)通信協(xié)議，可實(shí)現(xiàn)各模塊之間、各系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)通信；監(jiān)控層為上位機(jī)軟件，主要實(shí)現(xiàn)對(duì)測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)的接收和處理，并為用戶提供人機(jī)交互界面。系統(tǒng)的軟件架構(gòu)見(jiàn)圖3，主要包括以下應(yīng)用軟件。

圖3 系統(tǒng)的軟件架構(gòu)

1) 監(jiān)控計(jì)算機(jī)軟件：實(shí)現(xiàn)對(duì)推進(jìn)裝置工作狀態(tài)和實(shí)時(shí)參數(shù)的處理、顯示、報(bào)警、記錄、查詢和打印等，并可通過(guò)以太網(wǎng)與其他系統(tǒng)進(jìn)行信息交互。

2) 顯控模塊軟件：通過(guò)網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)接收數(shù)據(jù)，并以圖形界面的方式顯示推進(jìn)裝置的工作狀態(tài)。

3) 遙控控制模塊軟件：接收車鐘、遙控操作板等操作指令，綜合判斷操作部位、操作模式、航行模式、車令和保護(hù)限制等信息之后，計(jì)算輸出轉(zhuǎn)速設(shè)定、槳角設(shè)定和接脫排命令等信號(hào)。

4) 并車控制模塊軟件：根據(jù)主機(jī)轉(zhuǎn)速設(shè)定信號(hào)、主機(jī)接脫排狀態(tài)等信息，實(shí)現(xiàn)主機(jī)啟?？刂?、調(diào)速控制、并車過(guò)程負(fù)荷轉(zhuǎn)移和功率平衡控制等功能。

3.2 控制模塊軟件設(shè)計(jì)

為保證處理多項(xiàng)任務(wù)時(shí)的實(shí)時(shí)性和可靠性，下層控制軟件基于VxWorks5.5嵌入式操作系統(tǒng)開(kāi)發(fā)，采用WindRiver公司開(kāi)發(fā)的Tornado2.2作為集成開(kāi)發(fā)環(huán)境。操作系統(tǒng)與硬件之間設(shè)計(jì)有板級(jí)支持包(Board Support Package，BSP)，可通過(guò)BSP生成引導(dǎo)系統(tǒng)的Bootrom，同時(shí)可將與I/O接口相關(guān)的驅(qū)動(dòng)程序封裝在其中。在開(kāi)發(fā)程序時(shí)，可直接調(diào)用BSP中的“DIRead開(kāi)關(guān)量讀入”“PIRead脈沖讀入”和“CANReceive”等庫(kù)函數(shù)，大大提升程序開(kāi)發(fā)效率。

應(yīng)用程序采用面向控制對(duì)象的多任務(wù)、模塊化設(shè)計(jì)方法，根據(jù)控制對(duì)象的功能和屬性封裝劃分多個(gè)控制任務(wù)，包括主機(jī)啟動(dòng)、PID(Proportion Integration Differentiation)調(diào)速控制、運(yùn)行狀態(tài)處理和故障限制處理等。并車控制軟件架構(gòu)見(jiàn)圖4。由Bootrom引導(dǎo)啟動(dòng)操作系統(tǒng)，進(jìn)入應(yīng)用程序之后建立多項(xiàng)用戶任務(wù)并將設(shè)備和參數(shù)初始化，隨后根據(jù)優(yōu)先級(jí)執(zhí)行多任務(wù)調(diào)用，由此即可實(shí)現(xiàn)各項(xiàng)控制功能。結(jié)構(gòu)化的設(shè)計(jì)思路能有效提升控制軟件的擴(kuò)展性和可移植性，當(dāng)系統(tǒng)控制對(duì)象或功能發(fā)生變化時(shí)，通過(guò)更新任務(wù)配置或任務(wù)代碼即可完成對(duì)整個(gè)軟件的適應(yīng)性修改。

圖4 并車控制軟件架構(gòu)

3.3 控制算法設(shè)計(jì)

由于采用大功率柴油機(jī)加摩擦片離合器的聯(lián)合推進(jìn)裝置與以往的采用液力耦合傳動(dòng)的聯(lián)合推進(jìn)裝置相比發(fā)生了很大變化，控制過(guò)程更為復(fù)雜，因此有必要對(duì)主機(jī)啟動(dòng)、調(diào)速和并車控制算法進(jìn)行改進(jìn)，增強(qiáng)控制系統(tǒng)的適應(yīng)性，滿足實(shí)船應(yīng)用需求。

3.3.1 啟動(dòng)控制

大功率柴油機(jī)普遍存在啟動(dòng)時(shí)間長(zhǎng)、熱量損失和漏氣量大及無(wú)法連續(xù)啟動(dòng)等問(wèn)題，影響著柴油機(jī)的正常使用[4]。為實(shí)現(xiàn)主機(jī)迅速平穩(wěn)啟動(dòng)，對(duì)啟動(dòng)過(guò)程采用PI(Proportion Integration)調(diào)速控制疊加“啟動(dòng)限制油門(mén)”的控制策略。在啟動(dòng)初期，通過(guò)PI控制計(jì)算出的大油門(mén)被限定在“啟動(dòng)限制油門(mén)”，此時(shí)相當(dāng)于開(kāi)環(huán)控制，保證主機(jī)轉(zhuǎn)速呈單邊上升的態(tài)勢(shì)；當(dāng)轉(zhuǎn)速上沖至接近空車轉(zhuǎn)速時(shí)，通過(guò)PI控制計(jì)算出的油門(mén)迅速回落，可減小不必要的轉(zhuǎn)速超調(diào)。此外，為保證主機(jī)在嚴(yán)苛的條件下成功啟動(dòng)(如冷機(jī)啟動(dòng))，提出將“啟動(dòng)限制油門(mén)”設(shè)置為按時(shí)間等梯度增加，燃油增量設(shè)置為5%/s。當(dāng)啟動(dòng)不順暢時(shí)，系統(tǒng)可自適應(yīng)增加“啟動(dòng)限制油門(mén)”，達(dá)到自動(dòng)增加燃油供給的效果。

3.3.2 調(diào)速控制

數(shù)字PID控制算法具有易于工程實(shí)現(xiàn)、魯棒性強(qiáng)的特點(diǎn)，適用于柴油機(jī)電子調(diào)速系統(tǒng)[5]，但面對(duì)實(shí)船應(yīng)用中的各種復(fù)雜情況，難以適應(yīng)全工況的控制需求。通過(guò)設(shè)計(jì)變參數(shù)PID控制、遇限削弱積分和不完全微分等改進(jìn)型“枝葉”算法，將其作為標(biāo)準(zhǔn)PID算法的補(bǔ)充，可明顯提升系統(tǒng)的響應(yīng)速度和控制品質(zhì)。

3.3.2.1 變參數(shù)PID控制

根據(jù)柴油機(jī)啟動(dòng)、接排、怠速、低負(fù)荷和高負(fù)荷等運(yùn)行過(guò)程設(shè)置多套PID初始參數(shù)，并將PID參數(shù)與轉(zhuǎn)速偏差設(shè)定為呈一定的非線性映射關(guān)系，以應(yīng)對(duì)不同情況下系統(tǒng)調(diào)速特性的差異。在進(jìn)行PID運(yùn)算之前，控制系統(tǒng)根據(jù)應(yīng)用場(chǎng)景自適應(yīng)選擇和調(diào)整PID參數(shù)，進(jìn)行變比例、變?cè)鲆婧妥兎e分等處理，以有效應(yīng)對(duì)啟動(dòng)、接排大扭矩沖擊和負(fù)荷突卸等特殊工況。變參數(shù)PID控制過(guò)程見(jiàn)圖5。

圖5 變參數(shù)PID控制過(guò)程

3.3.2.2 不完全微分

運(yùn)行中的柴油機(jī)是一個(gè)復(fù)雜的非線性動(dòng)態(tài)系統(tǒng)，其狀態(tài)的穩(wěn)定性受噴油量、負(fù)載、進(jìn)氣量、油溫和水溫等多個(gè)隨機(jī)變量的影響。對(duì)于高頻擾動(dòng)的控制過(guò)程，標(biāo)準(zhǔn)PID算法中的微分作用相對(duì)靈敏，可能導(dǎo)致系統(tǒng)的控制過(guò)程發(fā)生振蕩。為此，在標(biāo)準(zhǔn)PID算法中加入低通濾波器，形成不完全微分PID控制算法，將過(guò)大的微分輸出分多次執(zhí)行，從而改善系統(tǒng)的性能。

(1)

u1=(1-α)·uD+α·u0

(2)

式(1)和式(2)中：Gf(s)為低通濾波器傳遞函數(shù);Tf為一階慣性系數(shù)；u1為不完全微分項(xiàng)；uD為完全微分項(xiàng)；u0為前次微分項(xiàng)；α為低通濾波系數(shù)，0<α<1。不完全微分輸出的脈沖高度在首個(gè)采樣周期內(nèi)下降，此后按規(guī)律逐漸衰減，能有效克服隨機(jī)擾動(dòng)的影響，在大功率柴油機(jī)的空載和低負(fù)荷運(yùn)行區(qū)間內(nèi)具有較好的控制效果。

3.3.2.3 遇限削弱積分

遇限削弱積分可應(yīng)對(duì)控制過(guò)程中的積分飽和現(xiàn)象：若執(zhí)行機(jī)構(gòu)已到極限位置，仍無(wú)法消除轉(zhuǎn)速偏差，則控制信號(hào)會(huì)進(jìn)入深度飽和區(qū)，繼續(xù)進(jìn)行積分運(yùn)算反而會(huì)加劇超調(diào)[6]，故在標(biāo)準(zhǔn)PID運(yùn)算中引入遇限削弱積分機(jī)制。當(dāng)主機(jī)功率觸碰到負(fù)荷限制或油門(mén)限制時(shí)，控制系統(tǒng)取消對(duì)積分的累加計(jì)算，待限制消失時(shí)，可避免積分持續(xù)累加造成轉(zhuǎn)速超調(diào)。

3.3.3 功率平衡控制

本文的并車控制系統(tǒng)不僅能直接控制2臺(tái)柴油機(jī)的油門(mén)，而且具有完善的調(diào)速控制功能，故采用單調(diào)速器法實(shí)施功率平衡控制。并車控制原理見(jiàn)圖6：非并車運(yùn)行時(shí)，控制系統(tǒng)對(duì)2臺(tái)主機(jī)分別執(zhí)行轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制，通過(guò)PID運(yùn)算得出每臺(tái)主機(jī)的油門(mén)；并車運(yùn)行時(shí)，選定1臺(tái)主機(jī),通過(guò)轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制計(jì)算其油門(mén)，另一臺(tái)主機(jī)的油門(mén)直接根據(jù)試驗(yàn)測(cè)定的2臺(tái)主機(jī)的油門(mén)-功率曲線給定。在設(shè)計(jì)控制算法時(shí)，設(shè)置多個(gè)工況的采集點(diǎn)，對(duì)2臺(tái)主機(jī)的油門(mén)-功率曲線進(jìn)行修正，從根本上解決并車柴油機(jī)之間的特性存在差異的問(wèn)題，從而實(shí)現(xiàn)更高精度的功率平衡控制。

圖6 并車控制原理

4 系統(tǒng)功能驗(yàn)證

4.1 臺(tái)架試驗(yàn)

臺(tái)架試驗(yàn)設(shè)備包括大功率柴油機(jī)(2臺(tái))、齒輪箱(1套)、水力測(cè)功裝置及輔助系統(tǒng)。在臺(tái)架試驗(yàn)中，采用不同的控制策略對(duì)主機(jī)冷機(jī)啟動(dòng)和接排控制效果進(jìn)行測(cè)試。冷機(jī)啟動(dòng)試驗(yàn)在淡水溫度和滑油溫度低于正常啟動(dòng)條件時(shí)進(jìn)行：傳統(tǒng)的啟動(dòng)策略的“啟動(dòng)限制油門(mén)”為常量，當(dāng)主機(jī)轉(zhuǎn)速達(dá)到空車轉(zhuǎn)速(300 r/min)之后才進(jìn)行調(diào)速控制；改進(jìn)的啟動(dòng)策略加入了遞增算法，當(dāng)主機(jī)轉(zhuǎn)速超過(guò)250 r/min之后即進(jìn)行調(diào)速控制。圖7為冷機(jī)啟動(dòng)試驗(yàn)曲線。從圖7中可看出，改進(jìn)的啟動(dòng)策略的“啟動(dòng)油門(mén)”可隨時(shí)間的推移而增大，主機(jī)啟動(dòng)速度更快，通過(guò)提前進(jìn)行調(diào)速控制能有效減小超調(diào)，使啟動(dòng)過(guò)程更加平穩(wěn)。

a) 傳統(tǒng)的啟動(dòng)策略

圖8為不同控制算法下空車轉(zhuǎn)速為400 r/min時(shí)的接排試驗(yàn)曲線。由于接排瞬間會(huì)受到大扭矩的沖擊，在采用標(biāo)準(zhǔn)PID算法時(shí)，主機(jī)轉(zhuǎn)速最低降至190 r/min，主機(jī)存在熄火的風(fēng)險(xiǎn)。改進(jìn)型PID算法通過(guò)變比例、變?cè)鲆婧透邚?qiáng)度微分控制提升控制系統(tǒng)的“硬度”，接排瞬間的最低轉(zhuǎn)速約為250 r/min，最低轉(zhuǎn)速明顯增大，接排過(guò)程更加安全可靠。

a) 標(biāo)準(zhǔn)PID算法

4.2 實(shí)船試驗(yàn)

在實(shí)船試驗(yàn)中，對(duì)并車控制系統(tǒng)配合推進(jìn)裝置進(jìn)行多工況下的運(yùn)轉(zhuǎn)試驗(yàn)。圖9為工況1～工況4的運(yùn)轉(zhuǎn)試驗(yàn)曲線，在并車加載過(guò)程中，2臺(tái)主機(jī)的轉(zhuǎn)速平穩(wěn)，功率的平衡度良好。圖10為負(fù)荷突卸試驗(yàn)曲線，在額定工況(轉(zhuǎn)速為600 r/min)下運(yùn)行一段時(shí)間之后突然卸掉100%的負(fù)荷，主機(jī)最高轉(zhuǎn)速上沖至649 r/min，瞬態(tài)調(diào)速率為8.17%，穩(wěn)定時(shí)間約為9.6 s，控制系統(tǒng)能較好地應(yīng)對(duì)推進(jìn)裝置負(fù)荷突卸的沖擊。

a) 轉(zhuǎn)速-時(shí)間曲線

圖10 負(fù)荷突卸試驗(yàn)曲線

經(jīng)試驗(yàn)驗(yàn)證，控制系統(tǒng)在全工況下的穩(wěn)態(tài)調(diào)速率小于等于2%，功率不平衡度小于等于5%，瞬態(tài)調(diào)速率小于等于9%，數(shù)據(jù)記錄見(jiàn)表1。與以往采用液力耦合傳動(dòng)的并車控制系統(tǒng)相比，本文設(shè)計(jì)的并車控制系統(tǒng)在大功率柴油機(jī)啟動(dòng)、接排和調(diào)速控制等方面的性能有了明顯改善，實(shí)現(xiàn)了對(duì)推進(jìn)裝置的穩(wěn)定可靠控制。

表1 運(yùn)轉(zhuǎn)試驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄

5 結(jié) 語(yǔ)

本文以CODAD為控制對(duì)象，針對(duì)大功率柴油機(jī)啟動(dòng)、調(diào)速和并車運(yùn)行等方面的控制需求，基于硬件模塊化、軟件組態(tài)化和算法再優(yōu)化的設(shè)計(jì)思路，研制了一種適應(yīng)性強(qiáng)、通用化程度高的大功率柴油機(jī)并車控制系統(tǒng)。臺(tái)架試驗(yàn)和實(shí)船應(yīng)用結(jié)果表明，該系統(tǒng)在大功率柴油機(jī)啟動(dòng)、接脫排、調(diào)速和并車運(yùn)行等方面具有良好的控制效果，適合對(duì)采用摩擦片式離合器的CODAD進(jìn)行實(shí)船控制，同時(shí)該系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法可供其他船舶的并車控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)參考。