全變速電控柴油發(fā)電機調(diào)速參數(shù)的優(yōu)化應(yīng)用

殷 俊,孫向勇

(江蘇鎮(zhèn)揚汽渡有限公司，江蘇 鎮(zhèn)江 212000)

0 引言

變速發(fā)電技術(shù)是一個新興技術(shù)，當(dāng)前已經(jīng)逐步推廣到各行各業(yè)，特別是在新能源發(fā)電、風(fēng)力發(fā)電、航空航天等領(lǐng)域。但在傳統(tǒng)船舶交流配電系統(tǒng)中，恒頻恒速柴油發(fā)電機技術(shù)依然延續(xù)使用。近年來，變速發(fā)電技術(shù)被引入到柴油發(fā)電機組中，因其良好的經(jīng)濟性、減振降噪性和低維護費用而得到迅速發(fā)展[1]。

由于2016年《鋼質(zhì)內(nèi)河船舶建造規(guī)范》和《內(nèi)河船舶法定檢驗技術(shù)規(guī)則》對船舶機艙出入口布置及破損穩(wěn)定計算作了新的調(diào)整，在向相關(guān)科研設(shè)計部門咨詢后，我單位提出了將汽車渡船動力推進方式由直推改為電推的方案，可將為全船動力設(shè)備供電的柴油發(fā)電機組集中布置在中艙，這樣既可以滿足新規(guī)的要求，又可以提升電推渡船的經(jīng)濟性。

電推渡船運行時的經(jīng)濟性與發(fā)電機組的轉(zhuǎn)速運行區(qū)間密切相關(guān)，而機組能否實時響應(yīng)船舶電能管理系統(tǒng)(PMS)的調(diào)整需求是關(guān)鍵。調(diào)速器作為調(diào)節(jié)柴油機轉(zhuǎn)速的特定裝置，在船舶電站中得到了廣泛的應(yīng)用。調(diào)速器的作用是通過執(zhí)行機構(gòu)改變油量調(diào)節(jié)機構(gòu)的位置，從而改變循環(huán)供油量，將柴油機的轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)到設(shè)定轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)[2]。

目前，國內(nèi)外研究人員對變速柴油發(fā)電機組進行了很多研究，比如變頻器性能優(yōu)化、變頻器控制策略、柴油發(fā)電機最佳運行轉(zhuǎn)速等，但是對變速柴油發(fā)電機組的調(diào)速控制的研究相對較少，因此有必要對變速柴油發(fā)電機組的調(diào)速控制進行研究。

本文首先比較了幾種電控調(diào)速方法，確定了全變速的調(diào)速方式，并基于該方式建立了硬件調(diào)速系統(tǒng)和控制邏輯；其次采用了優(yōu)化的調(diào)速算法，使用INCA7.0標(biāo)定軟件，參考博世工程經(jīng)驗，針對算法參數(shù)進行整定，完成了變速柴油發(fā)電機組的最佳運行轉(zhuǎn)速曲線的控制；最后進行了優(yōu)化前后全變速電站油耗試驗驗證。

1 電控發(fā)電機轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)的主要方式

1.1 固定轉(zhuǎn)速調(diào)速

通過一個開關(guān)量輸入，電控制單元(ECU)收到一個觸發(fā)信號，使機組轉(zhuǎn)速到達設(shè)定的轉(zhuǎn)速，這個轉(zhuǎn)速是固定不可調(diào)節(jié)的。此方案不符合該全變速機組設(shè)計的目標(biāo)，只能作為機組故障時候的應(yīng)急方案。

1.2 電子油門調(diào)速

電子油門通過用線束(導(dǎo)線)來代替拉索或者拉桿。柴油機的電子控制單元(ECU)通過采集加速踏板中比例位置傳感器的兩個電壓信號，獲得相應(yīng)的油門位置。但是由于西門子PMS系統(tǒng)不兼容該電壓信號的原因，所以未采用。

1.3 多轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)

當(dāng)設(shè)定了一定的目標(biāo)轉(zhuǎn)速之后，控制系統(tǒng)會自動將發(fā)動機穩(wěn)定在設(shè)定的轉(zhuǎn)速附近，電控柴油機的多轉(zhuǎn)速控制是通過電子控制單元(ECU)控制轉(zhuǎn)速來實現(xiàn)的。PMS通過多轉(zhuǎn)速開關(guān)激活發(fā)動機轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)功能，然后通過轉(zhuǎn)速增加和轉(zhuǎn)速減少信號，實現(xiàn)對發(fā)動機轉(zhuǎn)動速度的無級速度調(diào)整功能。

本船升級采用電控高壓共軌技術(shù)路線后，在不增加額外設(shè)備的條件下，通過柴油機自帶的電子控制單元(ECU)的多轉(zhuǎn)速調(diào)速接口，實現(xiàn)全變速調(diào)速功能，而且通過ECU數(shù)據(jù)標(biāo)定實現(xiàn)更加精準(zhǔn)和多樣的調(diào)速特性，系統(tǒng)設(shè)計簡單可靠。

2 電控變速發(fā)電機多轉(zhuǎn)速調(diào)速組成及邏輯

2.1 多轉(zhuǎn)速調(diào)速組成

電控變速發(fā)電機多轉(zhuǎn)速調(diào)速控制硬件接線見圖1。ECU通過針腳K18、K37、K32、K12分別獲取PMS發(fā)出的“加速”、“減速”、“變速”、“定速”控制指令。ECU根據(jù)開關(guān)狀態(tài)，選擇是否進入全變速模式。如進入全變速發(fā)電模式，ECU按PMS給定的目標(biāo)轉(zhuǎn)速進行動態(tài)調(diào)節(jié)。西門子PMS系統(tǒng)架構(gòu)圖見圖2。只有在PMS系統(tǒng)故障或按下定速越控按鈕的情況下，發(fā)電機組才會進入全功率定速發(fā)電模式。

圖1 多轉(zhuǎn)速調(diào)速硬件接線圖

圖2 PMS系統(tǒng)架構(gòu)圖

2.2 多轉(zhuǎn)速調(diào)速邏輯

某型號ECU多轉(zhuǎn)速調(diào)速功能邏輯概圖見圖3。

圖3 多轉(zhuǎn)速調(diào)速邏輯圖

當(dāng)PMS給多轉(zhuǎn)速開關(guān)發(fā)出使能信號后，多轉(zhuǎn)速狀態(tài)計算模塊和轉(zhuǎn)速設(shè)定模塊進行比較, 確定加速/減速狀態(tài)，控制器根據(jù)當(dāng)前模式，選擇對應(yīng)的控制參數(shù)，協(xié)調(diào)發(fā)動機轉(zhuǎn)速區(qū)間控制器，輸出扭矩請求，經(jīng)過扭矩-油量轉(zhuǎn)換后，輸出噴油量,實現(xiàn)控制發(fā)動機轉(zhuǎn)速[3]。其中，多轉(zhuǎn)速調(diào)速控制模塊是全變速機組調(diào)速性能的關(guān)鍵。

3 多轉(zhuǎn)速調(diào)速算法

3.1 PI控制算法

自動控制系統(tǒng)的核心是控制器。控制器的控制算法影響系統(tǒng)各個性能指標(biāo)的準(zhǔn)確性，如：穩(wěn)態(tài)誤差、響應(yīng)速度、超調(diào)量等。

雖然目前市面上有多種控制算法，如：自校正控制、預(yù)測控制等，但是PID控制技術(shù)以其發(fā)展時間久遠，技術(shù)成熟，控制效果好，方法易操作等特點，使PID控制器處于行業(yè)核心地位，在自動化控制領(lǐng)域里得到廣泛應(yīng)用。博世EDC17平臺關(guān)于多轉(zhuǎn)速調(diào)速功能使用了PI算法。

在控制系統(tǒng)中，PI 算法表達式為：

式中：u(t)為控制器輸出的控制量；e(t)為偏差值；KP為比例系數(shù)；Ti為積分時間常數(shù)。

PI系統(tǒng)原理框圖見圖4。圖中Y(s)、U(s)、E(s)、R(s)分別為控制器輸出量、輸入量、偏差值和設(shè)定值的拉普拉斯變換；S為復(fù)參數(shù)。

圖4 PI系統(tǒng)原理框圖

PI 控制器各校正環(huán)節(jié)的作用如下：

(1)比例系數(shù)KP。一般增大KP將加快系統(tǒng)的響應(yīng)速率，在有靜差系統(tǒng)中有利于減小靜差，但加大比例系數(shù)能減小靜差，卻不能根除靜差。而且當(dāng)KP過大，會使系統(tǒng)產(chǎn)生超調(diào)，并產(chǎn)生振蕩或使振蕩次數(shù)增多，調(diào)節(jié)時間加長，并使系統(tǒng)變得不穩(wěn)定。比例系數(shù)太小，又會使系統(tǒng)的動作遲緩。

(2)積分時間常數(shù)Ti，主要用于消除靜差，提高系統(tǒng)的無差度。積分作用的強弱取決于Ti：Ti越大，積分作用越弱， 反之越強。通常在KP不變的情況下，Ti越大，積分作用越弱，閉環(huán)系統(tǒng)的超調(diào)量越小，系統(tǒng)的響應(yīng)速度變慢。Ti減小將使系統(tǒng)調(diào)節(jié)速度加快，超調(diào)變小，但會使系統(tǒng)穩(wěn)定性變差。

由上得出：在整個控制過程中,比例系數(shù)和積分時間常數(shù)的配置是個難點,很難達到兼顧平衡。如果引入分段控制的方法,即將比例系數(shù)與積分時間常數(shù)根據(jù)偏差值的大小,動態(tài)調(diào)整對應(yīng)的值，而不是整個控制過程始終一個恒定值。當(dāng)偏差信號較大時,配置較大的比例與積分作用,使輸出值迅速增強;而當(dāng)偏差較小時,配置較小的比例與積分作用,讓PI輸出減速；當(dāng)偏差很小時,再在之前基礎(chǔ)上縮小比例與積分作用,讓PI的輸出加速度再度放慢。這樣，控制過程在偏差較大時加快了調(diào)節(jié)速度,偏差較小時又避免了超調(diào)情況出現(xiàn),使得整個系統(tǒng)的控制性能大大提高[4]。

3.2 分段PI控制算法

針對運行工況復(fù)雜的柴油機，不可能根據(jù)其受控對象的物理特征建立起數(shù)學(xué)模型，只能依據(jù)系統(tǒng)辨識理論。按照上述控制思路，ECU系統(tǒng)對于不同轉(zhuǎn)速區(qū)間的PI 參數(shù)的使用范圍進行了定義。根據(jù)發(fā)動機實際轉(zhuǎn)速、發(fā)動機設(shè)定的轉(zhuǎn)速與設(shè)定窗口寬度的關(guān)系共劃分了3個區(qū)域：正向大轉(zhuǎn)速區(qū)、反向大轉(zhuǎn)速區(qū)、窗口轉(zhuǎn)速區(qū)，見圖5。圖中，曲線為發(fā)動機實際轉(zhuǎn)速，2條虛線分別表示2條設(shè)定的轉(zhuǎn)速值，4條黑色線表示正向、負向的窗口轉(zhuǎn)速；假設(shè)正向、反向的窗口轉(zhuǎn)速分別為30 r/min 和-30 r/min。

圖5 轉(zhuǎn)速標(biāo)定區(qū)間術(shù)語定義

根據(jù)上述轉(zhuǎn)速區(qū)間的定義，系統(tǒng)會根據(jù)不同的轉(zhuǎn)速區(qū)間段選取表1中的比例和積分參數(shù)。

綜上分析可知，不同PI參數(shù)的組合會產(chǎn)生不同的控制效果，要取得合適的控制效果，必須對表1中相關(guān)參數(shù)進行整定。

4 PI控制參數(shù)的整定

PID參數(shù)整定方法有兩種[5]：

(1)理論計算整定方法。它是依靠系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，經(jīng)過理論分析和計算來控制器參數(shù)。它對系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型依賴性很強，實施起來比較困難。

(2)工程整定方法。它主要依托工程經(jīng)驗，不需要提前了解系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，只需要在過程中對控制系統(tǒng)進行整定就可以實現(xiàn)。因為此方法的實現(xiàn)比理論計算整定法更加簡單，所以在實際工程設(shè)計中常被使用。工程整定法主要有臨界比例度法、Ziegler-Nichols 法和衰減曲線法3種。

表1 PI參數(shù)表

本控制器使用INCA7.0標(biāo)定軟件建立試驗環(huán)境，采用臨界比例度工程整定方法，依賴博世工程經(jīng)驗，在實船變速機組中進行現(xiàn)場整定，優(yōu)化控制器參數(shù)性能，達到設(shè)計調(diào)速曲線目的。

臨界比例度法標(biāo)定PI參數(shù)的流程如下：

(1)把所有I參數(shù)標(biāo)定為0，此時控制器只有比例系數(shù)KP起作用，以避免相互影響。把比例系數(shù)KP調(diào)整到一合適數(shù)值，等機組平衡運行一段時間，使系統(tǒng)切換到自動運行狀態(tài)。

(2)以合適的步長，從小到大逐漸調(diào)整調(diào)節(jié)比例系數(shù)KP。每次KP調(diào)整后的維持時間約為2～4 s ，至機組轉(zhuǎn)速和扭矩發(fā)生明顯的抖動時再逐漸減小KP值至機組轉(zhuǎn)速和扭矩恢復(fù)平穩(wěn)停止，見圖6。原則為在該點之后再減小KP值時機組扭矩和轉(zhuǎn)速的抖動不再明顯改變。找到臨界點位置后，此時的比例系數(shù)記作臨界比例度δ，相鄰兩個波峰間的時間間隔記作臨界振蕩周期T。通過分析計算機測量記錄文件得到，δ=8.18，T=10.46 s。

(3)根據(jù)臨界比例度和臨界振蕩周期的值，由經(jīng)驗公式計算出轉(zhuǎn)速分段對應(yīng)的PI各參數(shù)的值，見表2。

(4)按“先比例后積分”的順序，把表1中的控制器參數(shù)按表2的經(jīng)驗公式進行計算。如果配置后還是不夠滿意，可再進一步微調(diào)表1中的整體PI修正系數(shù)。

最終將正向、反向的窗口轉(zhuǎn)速標(biāo)定為25 r/min 和-25 r/min。

圖6 發(fā)動機處于臨界震蕩點

表2 臨界比例度法整定PI參數(shù)博世經(jīng)驗參數(shù)表

5 試驗結(jié)果驗證

根據(jù)YC6K560L—C20型柴油機萬有特性最佳運行油耗線，本船隨機記錄的定速發(fā)電模式、PI整定前變速發(fā)電模式、PI整定后變速發(fā)電模式各航次油耗的對比曲線圖見圖7。為控制器標(biāo)定前發(fā)電機組的運行區(qū)間見圖8。從圖中看出，明顯散亂無規(guī)律，發(fā)電機沒有按照設(shè)定的經(jīng)濟油耗曲線運行，節(jié)油效果不明顯，且波動較大。控制器參數(shù)工程整定后的運行曲線見圖9。從圖中看出，基本是在最佳運行轉(zhuǎn)速曲線上運行，節(jié)油效果明顯, 且波動較小。從試驗結(jié)果看，經(jīng)過整定的全變速發(fā)電模式較定速發(fā)電模式平均節(jié)油約22%，比未經(jīng)整定的變速發(fā)電模式平均節(jié)油約13%，達到了令人滿意的效果。

6 結(jié)語

對于電力推進船舶，其全變速電站的調(diào)速控制十分重要，它影響著船舶最終節(jié)能效果。本文從多轉(zhuǎn)速調(diào)速邏輯入手，采用優(yōu)化的分段PI算法，并以實船為例，使用INCA標(biāo)定軟件并參考博世工程經(jīng)驗進行整定，充分利用ECU數(shù)據(jù)標(biāo)定實現(xiàn)更加精準(zhǔn)的調(diào)速特性，提高了控制器參數(shù)匹配的效率，在不增加額外成本的情況下，使電控柴油機發(fā)電機組運行在設(shè)計的最佳油耗轉(zhuǎn)速曲線，明顯提升了全變速發(fā)電機組的經(jīng)濟效用。本文研究的內(nèi)容對于全變速發(fā)電機組的調(diào)速控制有一定的參考應(yīng)用價值。

圖7 油耗對比

圖8 PI整定前運行曲線