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        船舶燃氣輪機轉(zhuǎn)速自適應模糊控制

        2024-01-03 16:03:04馬樹煥
        艦船科學技術(shù) 2023年22期
        關鍵詞:燃氣輪機模糊控制燃油

        馬樹煥

        (山西工程技術(shù)學院,山西 陽泉 045008)

        0 引 言

        船舶燃氣輪機具有功率密度大、機動性優(yōu)越等優(yōu)勢,燃氣輪機控制效果,直接影響燃氣輪機的運行安全性、經(jīng)濟性以及穩(wěn)定性??刂乒δ苤饕ㄞD(zhuǎn)速控制、排氣溫度控制、限制保護控制等。轉(zhuǎn)速控制屬于船舶燃氣輪機控制的核心問題,在燃氣輪機啟停時期、加減載階段,轉(zhuǎn)速的合理控制,可保證燃氣輪機運行狀態(tài)平穩(wěn)[1-2]。

        為此,船舶燃氣輪機轉(zhuǎn)速的控制研究成為當下船舶智能控制問題的研究熱點。宋武健等[3]在分析船舶電力推進系統(tǒng)負載特性的基礎上,使用轉(zhuǎn)速環(huán)控制器,調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速環(huán)帶寬,實現(xiàn)船舶電力推進系統(tǒng)轉(zhuǎn)速控制。雖然此方法可控制電機的轉(zhuǎn)速響應無超調(diào),但在多變工況中,此方法的自適應控制效果不好。宋恩哲等[4]在研究船舶混合動力系統(tǒng)控制問題時,以動態(tài)協(xié)調(diào)的方式,控制天然氣發(fā)動機轉(zhuǎn)速,但此方法在提出使用“功率/扭矩閉環(huán)”的方式,調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速的過程中,對此方面的具體操作方法一語帶過,研究層次有待提升。

        本文提出基于狀態(tài)觀測的船舶燃氣輪機轉(zhuǎn)速自適應模糊控制方法,此方法有效結(jié)合已有經(jīng)驗,在準確觀測船舶燃氣輪機轉(zhuǎn)速狀態(tài)的前提下,利用模糊自適應PID 控制器,完成船舶燃氣輪機轉(zhuǎn)速自適應模糊控制。

        1 船舶燃氣輪機轉(zhuǎn)速自適應模糊控制

        1.1 狀態(tài)觀測器

        船舶燃氣輪機轉(zhuǎn)速控制時,可將船舶燃氣輪機構(gòu)建為非線性控制模型:

        式中: φh、yh分別為h時刻船舶燃氣輪機燃油量、目前實際轉(zhuǎn)速狀態(tài)值;ch為船舶燃氣輪機不確定項,比如潛在噪聲等成分信息。f為非線性函數(shù);xh為轉(zhuǎn)速狀態(tài)觀測結(jié)果。

        船舶燃氣輪機運行時,運行工況出現(xiàn)變動后,船舶燃氣輪機運行參數(shù)也隨之變化。此時燃油流量這一指標,可體現(xiàn)船舶燃氣輪機的運行狀態(tài),燃油流量和燃氣輪機轉(zhuǎn)速之間具有明顯的映射關系[5-7],則

        將式(2)代入式(1),則

        使用式(3)構(gòu)建船舶燃氣輪機轉(zhuǎn)速狀態(tài)觀測器時,因燃氣輪機的不確定項存在約束值,為此設置轉(zhuǎn)速觀測器的觀測結(jié)果為:

        由式(4)可知,當掌握船舶燃氣輪機的初始狀態(tài)值、歷史的燃油流量,便可實時估計觀測后續(xù)時刻的轉(zhuǎn)速狀態(tài)量。在此過程中,需設定轉(zhuǎn)速跟蹤矢量誤差,如轉(zhuǎn)速出現(xiàn)異常,則xh與給定轉(zhuǎn)速之間存在偏差,假如轉(zhuǎn)速估計相對偏差為:

        則結(jié)合dh與轉(zhuǎn)速異常閾值 β0之間關系,便可完成轉(zhuǎn)速狀態(tài)觀測,判斷標準是:如果|dh|<β0,那么h時刻轉(zhuǎn)速正常;如果|dh|≥β0,那么h時刻轉(zhuǎn)速異常。

        1.2 基于模糊自適應PID 控制器的轉(zhuǎn)速控制

        針對觀測的異常轉(zhuǎn)速問題,使用基于模糊自適應PID 控制器的轉(zhuǎn)速控制模型,解決船舶燃氣輪機轉(zhuǎn)速自適應模糊控制問題。

        模糊控制能通過計算機模擬人類思維方式、操作經(jīng)驗,應用于問題分析過程之中。其利用控制規(guī)則便可解決非線性控制問題??刂七^程中,把模糊控制與PID 控制結(jié)合,實現(xiàn)自適應控制。圖1 為基于模糊自適應PID 控制器的轉(zhuǎn)速控制模型結(jié)構(gòu)圖。

        圖1 基于模糊自適應PID 控制器的轉(zhuǎn)速控制模型結(jié)構(gòu)Fig. 1 Structure of speed control model based on fuzzy adaptive PID controller

        如圖1 所示,此模型根據(jù)實時觀測的速度狀態(tài)量,設置轉(zhuǎn)速偏差與偏差變化率分別是d、,則結(jié)合模糊推理規(guī)則,實時修正PID 控制器比例kP、積分kI、微分kD這3 個控制參數(shù),便可調(diào)節(jié)燃氣輪機燃油流量,從而保證轉(zhuǎn)速控制效果。

        船舶燃氣輪機轉(zhuǎn)速的模糊自適應PID 參數(shù)調(diào)節(jié)運算方法為:

        式中:kP0、kI0、kD0依次為kP、kI、kD的初始值;ΔkP、ΔkI、ΔkD依次為kP、kI、kD的調(diào)節(jié)幅度。

        構(gòu)建轉(zhuǎn)速控制的模糊規(guī)則表時,由模糊隸屬度函數(shù),把轉(zhuǎn)速給定值輸入量映射至模糊集區(qū)間中,為保證轉(zhuǎn)速控制的自適應性、靈敏性,使用歸一量化因子,把模糊控制器輸入量映射至模糊集論域[正大、正中、正小、零、負小、負中、負大]中,模糊隸屬函數(shù)示意圖如圖2 所示。

        圖2 模糊隸屬函數(shù)示意圖Fig. 2 Schematic diagram of fuzzy membership function

        模糊邏輯推理使用Mamdani 模型,引入加權(quán)平均解模糊法,求解轉(zhuǎn)速控制器的輸出值,則轉(zhuǎn)速控制律q為:

        式中,W、 ε分別為模糊控制器的轉(zhuǎn)速控制輸出值、隸屬度。

        為實現(xiàn)轉(zhuǎn)速自適應控制,使用Lyapunov 函數(shù)設置自適應率,則

        式中:Z、都為正定矩陣;q為轉(zhuǎn)速控制律,為正常數(shù)。

        2 實驗分析

        2.1 實驗設定

        船舶燃氣輪機運行時,轉(zhuǎn)速控制效果需符合預期給定狀態(tài),為了保證船舶燃氣輪機安全運行,且具備較好的發(fā)電能力,需要動態(tài)、自適應調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速。為測試本文方法的使用效果,以某型燃氣輪機為實驗對象,此燃氣輪機信息如表1 所示。

        表1 實驗研究對象詳情Tab. 1 Details of experimental research subjects

        實驗中,燃氣輪機的給定連續(xù)階躍燃油與負載情況如圖3 和圖4 所示。

        圖3 燃氣輪機的給定連續(xù)階躍燃油輸入詳情Fig. 3 Details of given continuous step fuel input for gas turbines

        圖4 燃氣輪機的給定連續(xù)階躍外部負荷輸入詳情Fig. 4 Details of the given continuous step external load input for a gas turbine

        2.2 本文方法控制性能測試

        在圖3、圖4 所示工況中,本文方法使用后,船舶燃氣輪機低壓轉(zhuǎn)速、高壓轉(zhuǎn)速的控制效果如圖5 和圖6 所示。

        圖5 船舶燃氣輪機低壓轉(zhuǎn)速控制效果Fig. 5 Low pressure speed control effect of ship gas turbine

        圖6 船舶燃氣輪機高壓轉(zhuǎn)速控制效果Fig. 6 High pressure speed control effect of ship gas turbine

        可以看出,本文方法使用下,船舶燃氣輪機低壓轉(zhuǎn)速、高壓轉(zhuǎn)速的控制均與給定值匹配,轉(zhuǎn)速的變化趨勢不存在明顯超調(diào)狀態(tài)。

        為更直觀分析本文方法的使用價值,使用雷達圖分析本文方法使用后,船舶燃氣輪機轉(zhuǎn)速偏差率、轉(zhuǎn)速穩(wěn)定時間參數(shù),雷達圖中,面積較小,則表示轉(zhuǎn)速控制穩(wěn)定性越高。測試結(jié)果如圖7 和圖8 所示。

        圖7 轉(zhuǎn)速偏差率測試結(jié)果Fig. 7 Speed deviation rate test results

        圖8 轉(zhuǎn)速穩(wěn)定時間測試結(jié)果Fig. 8 Speed stability time test results

        可以看出,本文方法使用后,船舶燃氣輪機轉(zhuǎn)速偏差率最小,控制在0.1%之內(nèi),轉(zhuǎn)速穩(wěn)定時間最短,控制在1 min 之內(nèi)。對比可知,本文方法的使用,可優(yōu)化船舶燃氣輪機轉(zhuǎn)速控制精度、控制速度,轉(zhuǎn)速控制穩(wěn)定性較高。

        3 結(jié) 語

        燃氣輪機憑借效率高、可靠性顯著等優(yōu)點,被廣泛使用在船舶上。燃氣輪機轉(zhuǎn)速控制,是燃氣輪機發(fā)電機組可靠運行的重點問題。本文針對船舶燃氣輪機轉(zhuǎn)速控制問題進行專題研究,提出了基于狀態(tài)檢測的船舶燃氣輪機自適應模糊控制方法,并在實驗中對本文方法進行性能測試,測試結(jié)論如下:

        1)本文方法使用下,船舶燃氣輪機低壓轉(zhuǎn)速、高壓轉(zhuǎn)速的控制均與給定值匹配,轉(zhuǎn)速的變化趨勢不存在明顯超調(diào)狀態(tài)。

        2)本文方法使用后,船舶燃氣輪機轉(zhuǎn)速偏差率最小,控制在0.1%之內(nèi),轉(zhuǎn)速穩(wěn)定時間最短,控制在1 min之內(nèi),具有使用價值。

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