吳麗麗，潘光永

(1.金華市現(xiàn)代制造與材料高新技術(shù)研發(fā)中心，浙江 東陽 322100；2.浙江廣廈建設(shè)職業(yè)技術(shù)大學(xué)，浙江 東陽 322100)

0 引 言

目前，在船舶的輸電設(shè)備中，發(fā)電設(shè)備普遍使用柴油發(fā)動(dòng)機(jī)。柴油發(fā)動(dòng)機(jī)由柴油機(jī)直接帶動(dòng)同步發(fā)電機(jī)進(jìn)而推動(dòng)船舶。而艦船交流電的效率主要是由電流和頻率的穩(wěn)定性體現(xiàn)出來，高頻的穩(wěn)定性主要是依靠原動(dòng)機(jī)的調(diào)制系統(tǒng)。因?yàn)榇皠?dòng)力系統(tǒng)容量一般較小，船用側(cè)推裝置等主要電力裝置停止時(shí)，就會(huì)引起船用電力系統(tǒng)容量出現(xiàn)明顯幅度的變動(dòng)[1-3]。由于船上的輸電設(shè)備負(fù)荷的不同，為了能量守恒，汽輪機(jī)會(huì)出現(xiàn)一定的變動(dòng)，這種變化是一個(gè)電磁變化過程，且相當(dāng)快速。所以，柴油機(jī)的頻率調(diào)節(jié)在船用動(dòng)力系統(tǒng)中不能缺少。

通過調(diào)節(jié)柴油發(fā)動(dòng)機(jī)的調(diào)壓系統(tǒng)，可以有效控制發(fā)電機(jī)的運(yùn)行速度[4-6]。唯有控制了發(fā)動(dòng)機(jī)的運(yùn)行速度后，才能使其保持在一個(gè)合理的范圍內(nèi)，并可以根據(jù)發(fā)電機(jī)的負(fù)荷情況自動(dòng)調(diào)整供油量，從而實(shí)現(xiàn)最佳性能，提高發(fā)動(dòng)機(jī)的效率和可靠性。按照《鋼制海船入級(jí)與制造技術(shù)規(guī)范(2006)》第三篇的9.7.3.1 條所述，為了確保船舶的安全性和可靠性，所有配備發(fā)電機(jī)的原動(dòng)機(jī)（包括汽油機(jī)和車輪機(jī)）都必須配備調(diào)壓器，這樣以便在突然卸載負(fù)荷時(shí)，瞬時(shí)調(diào)節(jié)速度不會(huì)超過額定運(yùn)行速度的10%，并讓穩(wěn)態(tài)調(diào)節(jié)速度也不會(huì)超過額定運(yùn)行速度的5%。因此基于以上標(biāo)準(zhǔn)要求，本文針對(duì)船舶柴油機(jī)調(diào)速系統(tǒng)模糊控制技術(shù)展開探討。

1 前饋模糊控制系統(tǒng)的組成和控制原理

1.1 控制系統(tǒng)的組成

如圖1 所示，控制系統(tǒng)由前饋控制器、柴油發(fā)動(dòng)機(jī)、反饋控制器、電動(dòng)執(zhí)行器等裝置組成。

圖1 控制系統(tǒng)的組成Fig.1 Composition of control system

傳統(tǒng)的柴油發(fā)動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)依賴于先進(jìn)的數(shù)字控制技術(shù)，通過精確的傳感器和智能控制器實(shí)現(xiàn)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的精確控制。通過對(duì)系統(tǒng)提供的速度參數(shù)的分析，汽油發(fā)動(dòng)機(jī)將相應(yīng)的控制信號(hào)傳遞至油門閥，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)油門閥齒輪的精確調(diào)整，保證對(duì)柴油發(fā)動(dòng)機(jī)的有效運(yùn)轉(zhuǎn)，從而達(dá)到穩(wěn)定的運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)。

一般而言，速度反饋控制是主要的控制電路。目前不管是電子調(diào)速器、數(shù)碼電調(diào)，還是速度反饋控制系統(tǒng)，都普遍應(yīng)用PID 控制，但這也會(huì)使船用柴油發(fā)電機(jī)組中存在相應(yīng)問題。如柴油發(fā)電機(jī)組在運(yùn)行中面臨可變?cè)鲆娣蔷€性問題。當(dāng)柴油發(fā)動(dòng)機(jī)工作時(shí)，其負(fù)荷較小。此外，由于船舶柴油發(fā)動(dòng)機(jī)控制器的PID 控制參數(shù)一般都和標(biāo)定負(fù)荷的參數(shù)相對(duì)應(yīng)，所以選擇額定負(fù)載的工作點(diǎn)，或是較小區(qū)域的工況，其基準(zhǔn)效果反而會(huì)較好。如果偏離標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的額外負(fù)荷范圍，則會(huì)出現(xiàn)上面所列出的本構(gòu)或非線條現(xiàn)象，即標(biāo)準(zhǔn)不再可行，并導(dǎo)致標(biāo)準(zhǔn)負(fù)載值明顯下降。當(dāng)動(dòng)力裝置的輸出功率相對(duì)較少時(shí)，也會(huì)因?yàn)槟承┭b置中大負(fù)載的輸出功率大致與發(fā)電機(jī)的輸出功率相當(dāng)，造成在啟動(dòng)或停止這些大負(fù)載裝置時(shí)，引起發(fā)電裝置負(fù)載的重大改變。因此，目前關(guān)于裝置系統(tǒng)的速度控制，主要采取2 種措施，分別是模糊控制器和PID 控制器。

圖2 為模糊控制器的邏輯推導(dǎo)過程，由于其在系統(tǒng)負(fù)載變動(dòng)幅度更明顯，因此當(dāng)進(jìn)入大面積的動(dòng)態(tài)設(shè)置時(shí)，可以適當(dāng)?shù)貞?yīng)用模糊控制，并且模仿人的思維和判斷的過程，對(duì)系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化控制，具有良好的穩(wěn)定性。此外這些模糊管理在屬性上，可用于確保系統(tǒng)快速接近穩(wěn)定狀態(tài)的工作點(diǎn)，降低由于柴油機(jī)對(duì)機(jī)組機(jī)理造成的影響，從而更準(zhǔn)確調(diào)節(jié)發(fā)動(dòng)機(jī)油門程度。不僅提升了柴油利用效果，使控制器更加精確，同時(shí)也可以極大提高調(diào)速器的速度。

圖2 模糊控制器思維及判斷邏輯Fig.2 Fuzzy controller thinking and judgment logic

1.2 控制系統(tǒng)的原理

前饋控制（干擾補(bǔ)償）是一種基于受控目標(biāo)參數(shù)變化的調(diào)節(jié)機(jī)制，它與反饋控制有本質(zhì)不同。通過這種調(diào)節(jié)裝置，可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)負(fù)載干擾的變化，一旦發(fā)現(xiàn)擾動(dòng)，就會(huì)立即發(fā)出變化信號(hào)，從而對(duì)可調(diào)量進(jìn)行調(diào)整，以便在可調(diào)量發(fā)生偏差之前，將其抵消。由此可見，前饋限制對(duì)影響的彌補(bǔ)比反饋限制還要有效。以慣性過程的發(fā)動(dòng)機(jī)組合為例，因機(jī)組顯示出很大的時(shí)間滯后性，而在動(dòng)力不均衡現(xiàn)象已經(jīng)發(fā)生后，導(dǎo)致其速度不能突變，轉(zhuǎn)速變化與控制器產(chǎn)生的系統(tǒng)誤差信號(hào)也無法及時(shí)出現(xiàn)。此外，通過相應(yīng)的延時(shí)，當(dāng)轉(zhuǎn)速改變夠大，控制器才可以針對(duì)系統(tǒng)誤差進(jìn)行最大的調(diào)節(jié)量。故而在發(fā)電機(jī)組速度控制系統(tǒng)中，由于單純的速度反饋控制系統(tǒng)對(duì)負(fù)荷的擾動(dòng)不夠敏感，動(dòng)作存在著明顯的時(shí)間滯后性，這也導(dǎo)致了系統(tǒng)動(dòng)作誤差無法有效降低，從而延誤了速度控制系統(tǒng)的整個(gè)動(dòng)作調(diào)節(jié)時(shí)機(jī)。因此在柴油發(fā)動(dòng)機(jī)調(diào)速控制器中增加前饋控制器，可以更好應(yīng)對(duì)負(fù)荷改變而帶來的功率不均勻，穩(wěn)定發(fā)動(dòng)機(jī)速度。

據(jù)此，本文使用圖3 所示的雙入口單出口二維模糊控制器。模糊原理建立在理論研究的基礎(chǔ)上，如圖3流程，由于柴油機(jī)組在正常工作中，當(dāng)負(fù)荷變化，輸出一個(gè)扭矩，即可對(duì)發(fā)電機(jī)負(fù)荷和油閥門系統(tǒng)齒條的位置進(jìn)行控制，從而得到一定的模糊規(guī)律。

圖3 二維模糊控制器工作原理Fig.3 Working principle of two-dimensional fuzzy controller

需注意的是，如果發(fā)電機(jī)的電壓是由勵(lì)磁裝置保證電壓始終固定，那么有功能量的轉(zhuǎn)變，就有賴于汽輪機(jī)出口電流有功成分的轉(zhuǎn)變。當(dāng)負(fù)載變動(dòng)時(shí)，壓力轉(zhuǎn)變量反應(yīng)最大。本文采用汽輪機(jī)出口電流的有功成分及其轉(zhuǎn)變量當(dāng)作模糊控制器的信號(hào)，就是希望可以利用模糊控制器原理，不經(jīng)過常規(guī)PID 控制器，提早調(diào)節(jié)柴油的進(jìn)油閥門及系統(tǒng)齒片的位置，使其發(fā)電系統(tǒng)的產(chǎn)生力矩遠(yuǎn)小于風(fēng)阻轉(zhuǎn)矩，從而實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定控制發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的目標(biāo)。

本文在模糊控制器結(jié)構(gòu)中引入了模糊控制原理，使用if..and...Then...語句編寫自模糊控制規(guī)范。為了更好地解釋，特選擇了模糊前饋控制器的輸入變量i和變量ic來描述發(fā)動(dòng)機(jī)出口電流。當(dāng)機(jī)構(gòu)旋轉(zhuǎn)時(shí)，油門閥的傳動(dòng)齒條會(huì)隨之移動(dòng)，并通過模糊控制器的輸入信號(hào)w，確定油門閥的運(yùn)行方向。

如果發(fā)電機(jī)的電流達(dá)到IMAX，那么輸入變量i的范圍將被限制在零到I M A X 之間。在[-I M A X，IMAX]范圍內(nèi)，有許多研究聚焦于輸出變量ic的相關(guān)性。ic=ik-ik-1，表示上一次數(shù)值與本次數(shù)值之間的差異。一般來說，輸出變量w的范圍是[-L，L]，其中L為油門閥的位置變化量。

當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷增加后，發(fā)動(dòng)機(jī)的有功電壓增加，此時(shí)效應(yīng)器的控制信號(hào)w將加大，即增加了發(fā)動(dòng)機(jī)的供油流量，使發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速更加穩(wěn)定，負(fù)荷增加的越大，效應(yīng)器的控制信號(hào)w也就越大；當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷減少后，發(fā)動(dòng)機(jī)的有功電壓就減少，此時(shí)執(zhí)行機(jī)的控制信號(hào)w降低，即減少發(fā)動(dòng)機(jī)的供油流量，使發(fā)動(dòng)機(jī)的工作速度更穩(wěn)定，而負(fù)荷增加的愈小，執(zhí)行機(jī)的控制信號(hào)w就愈小。

當(dāng)系統(tǒng)中存在死區(qū)，也就是系統(tǒng)在空載時(shí)，由于模煳控制規(guī)范的制定依賴于專業(yè)人士的經(jīng)驗(yàn)，并且在處理死區(qū)問題時(shí)仍然存在許多技術(shù)漏洞，因此，死區(qū)情況一般會(huì)被標(biāo)記為“-”。

最終，本文得出了17 條if...and...then...的模糊規(guī)則。

2 控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與仿真

使用Matlab 軟件進(jìn)行模擬實(shí)驗(yàn)，并借助Fuzzy 控件構(gòu)建一個(gè)具有模糊前饋功能的發(fā)電機(jī)控制器，最終把輸入變量i的范圍調(diào)整為[0，1]，輸入變量ic的范圍調(diào)整為[-1，1]，而輸出量w的范圍則調(diào)整為[-1，1]。

為了保證仿真的準(zhǔn)確性以及真實(shí)性，船舶柴油機(jī)及其仿真速度控制系統(tǒng)采用圖4 所示的結(jié)構(gòu)。由數(shù)字仿真設(shè)備和物理建模設(shè)備組成整個(gè)系統(tǒng)，用小型直流電機(jī)模擬船舶的柴油機(jī)，而船舶柴油發(fā)電機(jī)由低功率發(fā)電機(jī)同步展現(xiàn)，負(fù)載建模原理類似汽車燈泡建模。

圖4 船用柴油機(jī)及其調(diào)速系統(tǒng)仿真原理Fig.4 Simulation principle of marine diesel engine and its speed control system

借助數(shù)字控制器得出的功率和速度數(shù)據(jù)，不僅可以直接影響控制器的速度，同時(shí)也實(shí)現(xiàn)了船舶柴油機(jī)在變速器控制下的精準(zhǔn)運(yùn)行。

而在具體的柴油機(jī)指示扭矩上，Mi（N·m）為：

式中：Hu為燃油低熱值，J/kg；ni為柴油機(jī)的指示熱效率。

本文基于船用柴油機(jī)及其調(diào)速系統(tǒng)仿真原理，結(jié)合柴油機(jī)指示熱效率，其特性曲線為：

式中：n0為柴油機(jī)最高指示效率點(diǎn)對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)速；αt0為過量空氣系數(shù)；d為常數(shù)。

基于以上結(jié)果，得出柴油機(jī)機(jī)械效率的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)回歸結(jié)果：

式中：Ni為柴油機(jī)的指示功率，kW。

基于以上結(jié)果，得出柴油機(jī)的擇氣溫度回歸數(shù)據(jù)：

最終，在模糊控制技術(shù)下得出的船舶柴油機(jī)轉(zhuǎn)速，其方程為：

式中：Me為柴油機(jī)的有效輸出扭矩；Ml為阻力矩，N·m。

需要說明的是，在本次計(jì)算中，因?yàn)樘匾饪紤]到了螺旋槳的阻力（如曲軸的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、減震裝置、推力軸承、飛輪、中間軸及法蘭尾軸、螺旋槳等因素）造成的影響，所以結(jié)果顯示，在本次的模糊控制規(guī)則設(shè)計(jì)中，基于FIS 編輯加以推導(dǎo)程序，能夠證明該模糊控制技術(shù)的可行性。由此說明，該技術(shù)能夠展示應(yīng)用規(guī)范，可以非常直接發(fā)現(xiàn)每個(gè)輸入集的改變和相應(yīng)的數(shù)據(jù)改變，從而對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的輸入規(guī)則進(jìn)一步調(diào)整與完善。

3 結(jié) 語

與機(jī)械和液壓控制器相比，模擬電子控制器在響應(yīng)速度和控制精準(zhǔn)度方面有顯著提高。但是，因?yàn)槠淇刂圃瓌t都是根據(jù)電路的物理結(jié)構(gòu)確定的，所以受可行性研究和繁雜性的影響，無法選擇更加靈活和復(fù)雜的規(guī)則，也難以再次提升機(jī)器性能。而船舶柴油機(jī)調(diào)速系統(tǒng)采用了微型計(jì)算機(jī)技術(shù)的數(shù)字控制器，其控制原理通過軟件實(shí)現(xiàn)完成。本文研究通過大量的數(shù)據(jù)推導(dǎo)，驗(yàn)證了模糊控制技術(shù)在船舶柴油機(jī)控制中的可行性，設(shè)計(jì)了一種充分融合了前饋控制器與反饋控制的混合控制器。該技術(shù)不僅可以有效改善調(diào)速精度與動(dòng)態(tài)精度，同時(shí)也可以有效解決柴油機(jī)增益的非線性。