吳靜進(jìn)，許仙明

(南昌大學(xué) 科學(xué)技術(shù)學(xué)院, 江西 南昌 330029)

0 引 言

艦船動(dòng)力系統(tǒng)的主要推進(jìn)方式為全電力推進(jìn)。燃?xì)廨啓C(jī)具備資源利用率高、啟動(dòng)速度快等優(yōu)勢(shì)[1]，被廣泛應(yīng)用于艦船動(dòng)力系統(tǒng)中。對(duì)于燃?xì)廨啓C(jī)來(lái)說(shuō)，轉(zhuǎn)速控制至關(guān)重要[2]。合理控制燃?xì)廨啓C(jī)轉(zhuǎn)速，可提升艦船航行的安全可靠性[3]。如鄧望權(quán)等[4]利用遺傳算法優(yōu)化PI 控制器的參數(shù)，利用參數(shù)優(yōu)化后的PI 控制器，控制艦船燃?xì)廨啓C(jī)轉(zhuǎn)速。該方法在轉(zhuǎn)速調(diào)整過(guò)程中，具備較快的上升時(shí)間與調(diào)整時(shí)間。郭森闖等[5]為提升燃?xì)廨啓C(jī)轉(zhuǎn)速控制效果，設(shè)計(jì)雙輸入反正切神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制方法。該方法在不同工作環(huán)境溫度時(shí)，均可有效控制燃?xì)廨啓C(jī)轉(zhuǎn)速，具備較優(yōu)的轉(zhuǎn)速控制魯棒性。但上述方法的工作特性較為固定，針對(duì)性強(qiáng)，通用性差，當(dāng)艦船運(yùn)行工況較差時(shí)，上述2 種方法便無(wú)法精準(zhǔn)控制燃?xì)廨啓C(jī)轉(zhuǎn)速。

PLC 技術(shù)具備模擬量輸入/輸出、高速計(jì)數(shù)器與PID回路性能，符合艦船燃?xì)廨啓C(jī)轉(zhuǎn)速控制需求，且PLC 技術(shù)具備較優(yōu)的通用性，適用于任何工況[6]。為解決上述方法中存在的問(wèn)題，研究應(yīng)用PLC 技術(shù)的艦船燃?xì)鈷嗥疝D(zhuǎn)速控制方法，確保艦船運(yùn)行的安全可靠性。

1 艦船燃?xì)廨啓C(jī)轉(zhuǎn)速控制方法

1.1 基于PLC 技術(shù)的轉(zhuǎn)速控制方法技術(shù)架構(gòu)

以PLC 為核心，設(shè)計(jì)艦船燃?xì)廨啓C(jī)轉(zhuǎn)速控制方法，該方法的整體技術(shù)架構(gòu)如圖1 所示。

圖1 艦船燃?xì)廨啓C(jī)轉(zhuǎn)速控制方法的技術(shù)架構(gòu)Fig. 1 Technical architecture of speed control method of Marine gas turbine

PLC 與電液轉(zhuǎn)換器、油動(dòng)機(jī)、位移傳感器、轉(zhuǎn)速傳感器、汽輪機(jī)構(gòu)成轉(zhuǎn)速控制單元；PLC 與觸摸屏構(gòu)成監(jiān)視單元；PLC 與安全閥、危急遮斷器、報(bào)警裝置構(gòu)成運(yùn)行保護(hù)單元。

轉(zhuǎn)速控制單元利用轉(zhuǎn)速傳感器采集艦船燃?xì)廨啓C(jī)的脈沖信號(hào)；通過(guò)PLC 處理采集的脈沖信號(hào)，得到燃?xì)廨啓C(jī)的轉(zhuǎn)速偏差，并輸入可變論域模糊PID 控制算法內(nèi)，輸出燃?xì)廨啓C(jī)轉(zhuǎn)速控制信號(hào)，經(jīng)由電液轉(zhuǎn)換器將控制信號(hào)變更成對(duì)應(yīng)的油壓信號(hào)，控制油動(dòng)機(jī)的行程，調(diào)節(jié)汽閥開(kāi)度，達(dá)到燃?xì)廨啓C(jī)進(jìn)汽量控制的目的，調(diào)整燃?xì)廨啓C(jī)的轉(zhuǎn)速。利用位移傳感器采集油動(dòng)機(jī)的輸出信號(hào)，并對(duì)比分析該信號(hào)與PLC 輸出的控制信號(hào)，如果兩者差值不是0，那么實(shí)際輸出轉(zhuǎn)速和設(shè)定轉(zhuǎn)速不符，需要再次利用PLC 內(nèi)的可變論域模糊PID 控制算法調(diào)整轉(zhuǎn)速。

監(jiān)視單元利用轉(zhuǎn)速與位移傳感器采集艦船燃?xì)廨啓C(jī)轉(zhuǎn)速信號(hào)，并輸入PLC 內(nèi)，經(jīng)過(guò)計(jì)算與變換后，傳輸至觸摸屏內(nèi)，實(shí)現(xiàn)艦船燃?xì)廨啓C(jī)轉(zhuǎn)速的監(jiān)控與管理。

在艦船燃?xì)廨啓C(jī)出現(xiàn)超速與軸向位移較大故障時(shí)，運(yùn)行保護(hù)單元利用報(bào)警裝置發(fā)出聲光警報(bào)，如果達(dá)到停機(jī)值，那么PLC 會(huì)傳輸停機(jī)信號(hào)至安全閥，去除主汽閥油動(dòng)機(jī)的高壓油，通過(guò)危機(jī)遮斷器關(guān)閉主汽閥與調(diào)節(jié)汽閥，并持續(xù)發(fā)出聲光警報(bào)。

1.2 燃?xì)廨啓C(jī)轉(zhuǎn)速控制的PLC 基本組成

艦船燃?xì)廨啓C(jī)轉(zhuǎn)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(yùn)算與控制中心是微處理器，通過(guò)微處理器實(shí)現(xiàn)可變論域模糊PID 控制算法的邏輯與數(shù)字運(yùn)算，得到艦船燃?xì)廨啓C(jī)轉(zhuǎn)速控制信號(hào)。微處理器還負(fù)責(zé)協(xié)調(diào)各子單元間的聯(lián)系。

存儲(chǔ)器負(fù)責(zé)存儲(chǔ)PLC 的運(yùn)行程序、用戶程序以及艦船燃?xì)廨啓C(jī)轉(zhuǎn)速控制信號(hào)[7]。

輸入子單元負(fù)責(zé)接收轉(zhuǎn)速與位移傳感器采集的燃?xì)廨啓C(jī)相關(guān)信號(hào)。輸出子單元負(fù)責(zé)輸出燃?xì)廨啓C(jī)轉(zhuǎn)速控制的模擬量與數(shù)字量[8]。輸入、輸出子單元的信息傳輸?shù)慕涌诰鶠镮/O 接口。

利用編程器為PLC 內(nèi)部進(jìn)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(guò)開(kāi)關(guān)電源為PLC 內(nèi)各子單元提供電力。

1.3 實(shí)現(xiàn)燃?xì)廨啓C(jī)轉(zhuǎn)速控制

利用PLC 內(nèi)的可變論域模糊PID 控制算法，得到艦船燃?xì)廨啓C(jī)轉(zhuǎn)速控制信號(hào)u(t)，該算法的輸入是燃?xì)廨啓C(jī)轉(zhuǎn)速偏差e(t)，其中，t為時(shí)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(jì)算公式如下：

其中，Emax為燃?xì)廨啓C(jī)轉(zhuǎn)速偏差初始論域的最大值；a為常數(shù)，0 ≤a≤1；b為非常小的正數(shù)。

h(t)的計(jì)算公式如下：

式中：CI為比例常數(shù)；h(0)為初始伸縮因子；n為艦船燃?xì)廨啓C(jī)轉(zhuǎn)速偏差樣本數(shù)量；ei為第i個(gè)偏差樣本。

u(t)的計(jì)算公式如下：

式中：KP、KI、KD分別為比例、時(shí)間、微分系數(shù)；?e(t)為艦船燃?xì)廨啓C(jī)轉(zhuǎn)速偏差變化率。

利用自適應(yīng)差分進(jìn)化算法，優(yōu)化可變論域模糊PID 控制算法的KP、KI、KD，提升艦船燃?xì)廨啓C(jī)轉(zhuǎn)速控制信號(hào)的輸出精度。具體步驟如下：

步驟1 以浮點(diǎn)數(shù)編碼方式，編碼處理KP、KI、KD，構(gòu)建初始種群M。

步驟2 求解M內(nèi)的個(gè)體適應(yīng)度f(wàn)，計(jì)算公式如下：

式中，tend為艦船燃?xì)廨啓C(jī)轉(zhuǎn)速控制結(jié)束時(shí)間；tr為燃?xì)廨啓C(jī)轉(zhuǎn)速控制過(guò)渡時(shí)間；w1、w2、w3為權(quán)重。

步驟3 依據(jù)自適應(yīng)變異算子Q，變異處理每個(gè)個(gè)體，Q的計(jì)算公式如下：

式中：k為迭代次數(shù)；kmax為k的最大值。

步驟4 求解第i個(gè)目標(biāo)向量xi與第i個(gè)變異向量yi的f值，利用交叉概率算子Z，交叉處理每個(gè)個(gè)體。當(dāng)f(xi(Q))f(yi(Q+1))時(shí)，則Z=Zmax。

步驟5 對(duì)交叉后的個(gè)體進(jìn)行交叉處理， 形成新種群，并獲取最佳適應(yīng)度值對(duì)應(yīng)的最佳個(gè)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(dá)到kmax，如果達(dá)到kmax，則結(jié)束算法，輸出最佳KP、KI、KD的值，代入可變論域模糊PID 算法內(nèi)，輸出最佳的艦船燃?xì)廨啓C(jī)轉(zhuǎn)速控制信號(hào)。如果未達(dá)到kmax，則返回步驟3。

2 實(shí)驗(yàn)分析

以某艦船燃?xì)廨啓C(jī)為實(shí)驗(yàn)對(duì)象，該燃?xì)廨啓C(jī)的主要參數(shù)如表1 所示。

表1 艦船燃?xì)廨啓C(jī)主要參數(shù)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?xì)廨啓C(jī)轉(zhuǎn)速的脈沖信號(hào)，轉(zhuǎn)速脈沖信號(hào)采集結(jié)果如圖3 所示。

圖3 艦船燃?xì)廨啓C(jī)轉(zhuǎn)速脈沖信號(hào)采集結(jié)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?xì)廨啓C(jī)轉(zhuǎn)速的脈沖信號(hào)，該艦船燃?xì)廨啓C(jī)轉(zhuǎn)速的脈沖信號(hào)存在一定的波動(dòng)情況。利用本文方法將采集的脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)換成轉(zhuǎn)速信息，并計(jì)算獲取艦船燃?xì)廨啓C(jī)的轉(zhuǎn)速偏差。

正常工況下，利用本文方法依據(jù)轉(zhuǎn)速偏差，進(jìn)行艦船燃?xì)廨啓C(jī)轉(zhuǎn)速控制，轉(zhuǎn)速控制結(jié)果如圖4 所示。

圖4 艦船燃?xì)廨啓C(jī)轉(zhuǎn)速控制結(jié)果Fig. 4 Speed control results of Marine gas turbine

可知，本文方法可有效控制艦船燃?xì)廨啓C(jī)的轉(zhuǎn)速，當(dāng)艦船燃?xì)廨啓C(jī)運(yùn)行至10 s 左右時(shí)，燃?xì)廨啓C(jī)轉(zhuǎn)速便可將轉(zhuǎn)速迅速提升至3500 r/min 左右，達(dá)到額定轉(zhuǎn)速。因此可以得出，正常工況下，本文方法可快速控制艦船燃?xì)廨啓C(jī)，且無(wú)超調(diào)量。

當(dāng)艦船燃?xì)廨啓C(jī)存在轉(zhuǎn)速超速故障時(shí)，利用本文方法對(duì)其進(jìn)行轉(zhuǎn)速控制，轉(zhuǎn)速控制結(jié)果如圖5 所示。

圖5 故障時(shí)的燃?xì)廨啓C(jī)轉(zhuǎn)速控制結(jié)果Fig. 5 Gas turbine speed control results at fault

當(dāng)艦船燃?xì)廨啓C(jī)存在轉(zhuǎn)速超速故障時(shí)，本文方法依舊可有效控制燃?xì)廨啓C(jī)轉(zhuǎn)速，令轉(zhuǎn)速穩(wěn)定在3500 r/min 左右。同時(shí)在出現(xiàn)故障時(shí)，該方法可有效向操作人員發(fā)送警報(bào)信息，提醒操作人員，艦船燃?xì)廨啓C(jī)存在轉(zhuǎn)速故障。因此可以得出，出現(xiàn)故障時(shí)，本文方法也具備燃?xì)廨啓C(jī)轉(zhuǎn)速控制的可行性。

分析本文方法在艦船燃?xì)廨啓C(jī)出現(xiàn)突降負(fù)載時(shí)，其轉(zhuǎn)速控制效果，分析結(jié)果如圖6 所示。

圖6 突降負(fù)載時(shí)的燃?xì)廨啓C(jī)轉(zhuǎn)速控制效果Fig. 6 Gas turbine speed control effect under sudden load drop

當(dāng)燃?xì)廨啓C(jī)出現(xiàn)突降負(fù)載情況時(shí)，本文方法依舊可有效控制燃?xì)廨啓C(jī)轉(zhuǎn)速；當(dāng)突降50%負(fù)載時(shí)，轉(zhuǎn)速控制時(shí)間在19 s 左右，存在較小的超調(diào)量；當(dāng)突降100%負(fù)載時(shí)，轉(zhuǎn)速控制時(shí)間有所增加，在22 s 左右，超調(diào)量也略有增長(zhǎng)，但整體超調(diào)量較小。因此可以得出，突降負(fù)載時(shí)，本文方法轉(zhuǎn)速控制的速度也較快，且超調(diào)量較小，本文方法轉(zhuǎn)速控制的穩(wěn)定性較優(yōu)。

3 結(jié) 論

為確保燃?xì)廨啓C(jī)及時(shí)響應(yīng)與穩(wěn)定運(yùn)行，提升艦船航行的安全性，研究應(yīng)用PLC 技術(shù)的艦船燃?xì)廨啓C(jī)轉(zhuǎn)速控制方法，清晰呈現(xiàn)燃?xì)廨啓C(jī)轉(zhuǎn)速控制結(jié)果，提升轉(zhuǎn)速控制效果，為日后艦船燃?xì)廨啓C(jī)轉(zhuǎn)速控制研究領(lǐng)域提供新的參考方向。