船舶柴油發(fā)電機(jī)調(diào)速控制系統(tǒng)研究

黃辰燁

摘 要：針對在船舶柴油發(fā)電機(jī)組的控制中，發(fā)電機(jī)頻率不能及時準(zhǔn)確調(diào)整的問題。在傳統(tǒng)的控制回路中增加前饋模糊控制器，對柴油機(jī)的油門進(jìn)行調(diào)節(jié)控制，穩(wěn)定柴油機(jī)的轉(zhuǎn)速，達(dá)到穩(wěn)定頻率的目的。

關(guān)鍵詞：柴油發(fā)電機(jī)；調(diào)速控制器；模糊控制

1.船舶柴油發(fā)電機(jī)調(diào)速器簡介

目前，在船舶交流電力系統(tǒng)中，發(fā)電裝置廣泛采用柴油發(fā)電機(jī)，即柴油機(jī)驅(qū)動同步發(fā)電機(jī)為船舶進(jìn)行供電。船舶交流電的質(zhì)量是通過電壓和頻率的穩(wěn)定性來反映的，頻率的穩(wěn)定是取決于原動機(jī)的調(diào)速系統(tǒng)。由于船舶電力系統(tǒng)容量相對較小，諸如船舶側(cè)推器、機(jī)船大粟等大型用電設(shè)備起停時，都會使船舶電力系統(tǒng)負(fù)載發(fā)生顯著變化。隨著船舶交流電力系統(tǒng)負(fù)載的變化，根據(jù)功率守恒，發(fā)電機(jī)輸出的有功功率也要發(fā)生相應(yīng)地變化，這個過程是個電磁變化過程，而且非常迅速。因此，柴油機(jī)的轉(zhuǎn)速控制在船舶電力系統(tǒng)中極為重要。

柴油機(jī)調(diào)速裝置的作用是通過改變油量調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)，將柴油機(jī)的轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)到規(guī)定的轉(zhuǎn)速范圍，并且根據(jù)柴油機(jī)負(fù)載的大小自動調(diào)節(jié)供油量，使其轉(zhuǎn)速維持在一規(guī)定范圍[1]。《鋼制海船入級與建造規(guī)范（2006）》第3篇的9.7.3.1條規(guī)定，帶發(fā)動機(jī)的原動機(jī)（包括柴油機(jī)和汽輪機(jī)）必須裝有調(diào)速器，其調(diào)速特性應(yīng)符合下列規(guī)定：當(dāng)突然卸去額定負(fù)載時，其瞬時調(diào)速率不大于額定轉(zhuǎn)速的10%，穩(wěn)定調(diào)速率不大于額定轉(zhuǎn)速的5%，即頻率的變化率不大于5%，穩(wěn)定時間（即轉(zhuǎn)速恢復(fù)到規(guī)定的波動率范圍的時間）不超過5s。

2.帶前饋模糊控制系統(tǒng)的組成和控制原理

2.1 控制系統(tǒng)的組成

系統(tǒng)主要由前饋模糊控制器、PID控制器、執(zhí)行器、柴油機(jī)（原動機(jī)）和測速反饋裝置組成。如圖1所示。

傳統(tǒng)的柴油發(fā)電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)是由測速裝置測量柴油機(jī)的轉(zhuǎn)速，反饋給PID控制器。根據(jù)給定的轉(zhuǎn)速值進(jìn)行比較，并輸出控制信號給到執(zhí)行機(jī)構(gòu)（油門閥），通過調(diào)整油門閥齒條的閥位，控制柴油機(jī)的給油量，以此來穩(wěn)定柴油機(jī)的轉(zhuǎn)速。

用傳統(tǒng)PID控制器取代機(jī)械式的離心式調(diào)速器，可以減少由于柴油機(jī)機(jī)組機(jī)理帶來的干擾，能精確的控制柴油機(jī)的油門大小，提高柴油使用效率。再加入前饋控制器，使得控制效果更為準(zhǔn)確，大大增加了調(diào)速器的響應(yīng)速度[2]。

2.2 控制系統(tǒng)的原理

前饋控制又稱擾動補(bǔ)償，它與反饋控制原理完全不同，是按照引起被控對象參數(shù)變化的干擾大小進(jìn)行調(diào)節(jié)。在這種調(diào)節(jié)系統(tǒng)中要直接測量負(fù)載干擾的變化，當(dāng)干擾剛剛出現(xiàn)并能被測出時，調(diào)節(jié)器就能發(fā)出調(diào)節(jié)信號使調(diào)節(jié)量做相應(yīng)的變化，使兩者在被調(diào)量發(fā)生偏差之前抵消。因此，前饋調(diào)節(jié)對干擾的克服比反饋調(diào)節(jié)更為及時[3]。對于整個柴油發(fā)電機(jī)組來說，它是一個慣性系統(tǒng)，由于機(jī)組存在熱力學(xué)、機(jī)械、電磁等過程的特性，機(jī)組表現(xiàn)出較大的滯后性，導(dǎo)致當(dāng)功率不平衡已經(jīng)出現(xiàn)時，轉(zhuǎn)速不能突變，轉(zhuǎn)速反饋控制器的偏差信號不能立即產(chǎn)生，經(jīng)過一定的延時，速度變化足夠大時，控制器才會根據(jù)系統(tǒng)偏差給出較大的控制量。很顯然，在發(fā)電機(jī)組轉(zhuǎn)速控制中，單純的轉(zhuǎn)速反饋控制對負(fù)載的擾動不夠靈敏，有著明顯的滯后性，這就使得系統(tǒng)動態(tài)偏差不能及時減小，延長了系統(tǒng)的整個動態(tài)調(diào)整時間。所以，在柴油發(fā)電機(jī)調(diào)速控制系統(tǒng)中加入前饋控制器，能更好的響應(yīng)負(fù)載變化所引起的功率不平衡，穩(wěn)定柴油機(jī)轉(zhuǎn)速[4]。

本文采用雙輸入單輸出的二維模糊控制器。柴油發(fā)電機(jī)組在運(yùn)行時，當(dāng)負(fù)載發(fā)生變化，輸出轉(zhuǎn)矩與阻轉(zhuǎn)矩會有差值，導(dǎo)致柴油機(jī)轉(zhuǎn)速發(fā)生變化。同時，發(fā)電機(jī)的輸出功率也會發(fā)生變化。若假定發(fā)電機(jī)電壓由勵磁系統(tǒng)保持電壓始終穩(wěn)定，則有功功率的變化取決于發(fā)電機(jī)輸出電流的有功分量的變化。在負(fù)載變化時，電流的變化是響應(yīng)最快的。因此本文以發(fā)電機(jī)輸出電流的有功分量及其變化量作為模糊控制器的輸入，第一時間響應(yīng)負(fù)載變化所引起的轉(zhuǎn)速變化。通過模糊控制器，不經(jīng)過傳統(tǒng)PID控制器，早一步控制柴油的油門閥齒條的位移，使得發(fā)電機(jī)組的輸出轉(zhuǎn)矩等于阻轉(zhuǎn)矩，達(dá)到穩(wěn)定柴油機(jī)轉(zhuǎn)速的控制目標(biāo)。在模糊控制器中建立模糊控制規(guī)則，使用if..and...then...語句編輯模糊控制規(guī)則。為了便于說明，在本文中，發(fā)電機(jī)輸出電流指的有功電流，即模糊前饋控制器的輸入變量選擇發(fā)電機(jī)輸出電流i及其變化量ic。執(zhí)行機(jī)構(gòu)旋轉(zhuǎn)角度對應(yīng)了油門閥齒條的位移，所以模糊控制器的輸出信號w選擇油門閥齒條的位移。如圖所示是二維模糊前饋控制器的結(jié)構(gòu)原理圖。

假設(shè)發(fā)電機(jī)輸出電流最大為IMAX，則輸入變量i的基本論域?yàn)閇0，IMAX]。另一輸出變量ic的基本論域?yàn)閇-IMAX，IMAX]。其中ic=ik-ik-1，ic為本次采集值與前次采集值之差。輸出變量w的基本論域?yàn)閇-L，L]，L為油門閥的位移量[5]。

模糊規(guī)則是建立于專家經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上的，可以根據(jù)簡化的發(fā)電機(jī)負(fù)荷與油門閥齒條的位移關(guān)系，得出相應(yīng)的模糊規(guī)則。

（1）當(dāng)發(fā)電機(jī)負(fù)載增大時，發(fā)電機(jī)的有功電流增大，則執(zhí)行器的控制信號w應(yīng)增大，即增大發(fā)電機(jī)的供油量，使發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速穩(wěn)定，負(fù)載增加的越大，執(zhí)行器的控制信號w應(yīng)越大；當(dāng)發(fā)電機(jī)負(fù)載減小時，發(fā)電機(jī)的有功電流減小，則執(zhí)行器的控制信號w應(yīng)減小，即減小發(fā)電機(jī)的供油量，使發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速穩(wěn)定，負(fù)載增加的越小，執(zhí)行器的控制信號w應(yīng)越小。

（2）系統(tǒng)存在死區(qū)，比如在空載時，有功電流i為S時，電流趨勢ic不會出現(xiàn)FB、FM的狀態(tài)；或者當(dāng)發(fā)電機(jī)短路故障，有功電流i為B時，電流趨勢ic不會出現(xiàn)ZM、ZB的狀態(tài)。由于模糊控制規(guī)則是根據(jù)專家經(jīng)驗(yàn)而來，對于死區(qū)的控制研究還存在較大的不足，所以死區(qū)狀況在模糊控制規(guī)則表中用“-”表示。

模糊規(guī)則表如表2所示：

由表2可以得出17條if...and...then...的模糊規(guī)則。

（1）IF（i is S）and（ic is FS）then（w is FS）

（2）If（i is S）and（ic is O）then（w is O）

（3）If（i is S）and（ic is ZS）then（w is ZS）

（4）If（i is S）and（ic is ZM）then（w is ZM）

（5）If（i is S）and（ic is ZB）then（w is ZB）

（6）If（i is M）and（ic is FB）then（w is FB）

（7）If（i is M）and（ic is FM）then（w is FM）

（8）If（i is M）and（ic is FS）then（w is FS）

（9）If（i is M）and（ic is O）then（w is O）

（10）If（i is M）and（ic is ZS）then（w is ZS）

（11）If（i is M）and（ic is ZM）then（w is ZS）

（12）If（i is M）and（ic is ZB）then（w is ZM）

（13）If（i is B）and（ic is FB）then（w is FM）

（14）If（i is B）and（ic is FM）then（w is FS）

（15）If（i is B）and（ic is FS）then（w is FS）

（16）If（i is B）and（ic is O）then（w is O）

（17）If（i is B）and（ic is ZS）then（w is ZS）

3.控制系統(tǒng)的設(shè)計與仿真

本文采用Matlab軟件進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)，用Matlab軟件中的Fuzzy控件，編輯發(fā)電機(jī)模糊前饋控制器。模糊控制器是二維控制器，在FIS編輯界面內(nèi)確定輸入變量i及ic，以及輸出量w。如圖5所示。在第二節(jié)內(nèi)已經(jīng)描述過每個輸入變量和輸出量的論域值。為了方便在Matlab中計算，我們選取輸入變量i的論域?yàn)閇0 1]，輸入變量ic的論域?yàn)閇-1 1]，輸出量w的論域?yàn)閇-1 1]。如圖6所示。

在模糊控制規(guī)則中，輸入由表2所得出的控制規(guī)則。如圖7所示。在FIS編輯中，可以通過規(guī)則查看器查看模糊控制器內(nèi)部推理過程。它可以顯示正在使用的規(guī)則，也可以隸屬度函數(shù)的圖像以及其對應(yīng)的結(jié)果，設(shè)計人員可以詳細(xì)的看到規(guī)則控制器中的每一個結(jié)果。如圖8所示。

設(shè)計人員也可通過曲面觀察器查看整個系統(tǒng)的輸出曲面?？梢院苤庇^的看到整個輸入集的變化所對應(yīng)的輸出變化，并對整個系統(tǒng)的控制規(guī)則不斷的修改及優(yōu)化。如圖9所示。

參考文獻(xiàn)：

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[3]盧賢基. 船舶發(fā)電柴油機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的研究與設(shè)計：（碩士學(xué)位論文）.大連：大連海事大學(xué)，2013

[4]龐中華，崔紅.系統(tǒng)辨識與自適應(yīng)控制MATLAB仿真. 北京：北京航空航天大學(xué)出版社.

[5]李云伍，烏建中，劉彥伯等. 內(nèi)燃發(fā)電機(jī)組頻率前饋補(bǔ)償PID神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制.內(nèi)燃機(jī)學(xué)報，2007，25（4）：279-283.