某船柴油机推进系统控制策略优化研究

范 凯

（海军装备部驻上海地区军事代表局 上海200135）

某船柴油机推进系统控制策略优化研究

范 凯

（海军装备部驻上海地区军事代表局 上海200135）

通过对某船推进系统进行仿真建模的基础上，开展了柴油机起动、接脱排、正常操控、应急操控、双机并车等过程控制策略的优化研究，研究成果应用于该船推进监控系统的研制，并经推进系统陆上联调试验得到成功验证。

柴油机推进系统; 控制策略; 优化研究

引 言

柴油机推进形式在舰船上已得到越来越多的应用，随着近几年计算机仿真技术的发展，特别是动态系统仿真软件的发展，对柴油机推进系统控制策略的研究也得以越来越深入。本文利用仿真软件建立某船推进系统的仿真模型，在此基础上进行柴油机起动、接脱排、正常操控、紧急操控、双机并车等过程控制策略的仿真试验以及优化比较研究，最终提出适用于该船推进系统的合理的控制策略。

1　仿真试验模型简介

某船推进系统采用柴油机四机双桨的推进形式，每套推进装置由两台HMM-SEMT Pielstick 16PC2-6中速柴油机通过联轴器、双机并车减速齿轮箱（含内嵌多片式摩擦离合器）和轴系驱动调距桨。仿真试验模型在Matlab 2009a及Simulink V7.3环境下构建，主要包括柴油机模型、调速器模型、联轴器模型、带摩擦离合器的减速齿轮箱模型、轴系模型、调距桨及其控制系统模型以及船体运动模型［1］。推进系统仿真模型模块见下页图1，将其按实际物理意义连接所组成的船舶推进装置控制系统Simulink仿真模型限于篇幅，则不在此阐述。

图1　推进系统仿真模型模块

2　控制策略优化研究

2.1柴油机起动过程控制策略优化研究

空载柴油机起动过程分为三个阶段［2］：

第一阶段为压缩空气起动阶段。在此阶段，主起动阀打开，压缩空气通过空气分配器依次进入柴油机各气缸，推动活塞，主机转速上升，达到发火转速，约为80 r/min（HMM-SEMT Pielstick 16PC2-6型柴油机）。

第二阶段为起动油量供油阶段。在此阶段，主起动阀关闭，停止供气，转入起动油量供油阶段，油量恒定（40%满油门位置，喷油泵油量调节机构固定的位置简称油门位置，每一个油门位置对应不同的油量），柴油机爆发做功，转速达到切换转速（切换转速指油门从定值控制向PID控制切换的转速）。

第三阶段为转速调节阶段。在此阶段，PID控制器（某船采用电子调速器，控制器与执行机构分开）通过调节供油量来调节转速，使其稳定在操作手柄给定的怠速转速上（约为250 r/min）。

下面重点对不同起动油量、不同切换转速、不同PID参数设置进行对比优化研究。

2.1.1不同起动油量条件下的柴油机空车起动

仿真研究

对不同起动油量条件下（40%、30%、25%满油门位置）柴油机转速进行对比分析，仿真曲线如图2所示。可见，柴油机起动油量越大、柴油机响应速度越快、转速超调也越大。

图2　不同起动油量下的柴油机起动转速曲线

不同起动油量下的柴油机油门位置曲线对比如图3所示。起动油量越高，柴油机在第二阶段所经历的时间越短。

图3　不同起动油量条件下柴油机油门位置曲线

2.1.2不同PID参数条件下的柴油机空车起动仿真研究

为考察不同PID参数对柴油机起动转速的影响，分别选择不同控制参数对起动过程进行仿真试验，从图4给出的不同参数下柴油机转速对比曲线可以看出， PID组合为Kp=0.22，Ki=0.2，Kd=0.002 5时有较好的控制效果。

图4　不同PID参数下柴油机转速曲线

在此基础上，利用参数整定经验得到提前采用稳定积分量的控制策略，使柴油机空车起动达到较为理想的效果。对应该仿真过程的油门位置曲线如图5所示。

图5　不同PID参数下柴油机油门位置曲线图

2.1.3不同切换转速条件下的柴油机空车起动仿真研究

为考察不同切换转速对柴油机切换转速的影响，分别选择不同切换转速对起动过程进行仿真试验，从图6、图7给出的不同参数下柴油机转速对比曲线可以看出：切换转速设置为250 r/min时，切换过程油门波动最小。因而从经济性和可控性等因素考虑，切换转速设置为250 r/min时的控制效果最好。

图6　不同切换转速下柴油机转速变化曲线图

图7　不同切换转速下柴油机油门位置曲线图

通过上述研究发现，PID控制参数为Kp=0.22、Ki=0.2和Kd=0.002 5时，有较好的控制效果。利用参数整定经验得到提前采用稳定积分量的控制策略，能使柴油机空车起动达到较为理想的效果。此外，切换转速设置为250 r/min时，切换过程油门波动最小，具有良好的经济性和可控性。

2.2柴油机接脱排过程控制策略研究

由于柴油机并车系统接排过程时间由液压执行机构决定，在并车过程中不能对接脱排时间进行控制。因此，本文主要对柴油机并车系统接脱排过程中的转速控制策略进行研究。

2.2.1柴油机接排过程

为研究优化柴油机接排过程的控制，分别采用多组PID控制参数对柴油机接排过程进行控制仿真试验。通过多次试验，得到一组适合于对柴油机接排过程控制的参数：Kp=0.46、Ki=0.025、Kd=1.5，采用新的控制参数与柴油机空载控制参数的对比（如图8所示）。可见，新的控制参数作用下，系统的动态性能有了明显的改善和提高。因此对接排过程应采用一组新的参数进行控制。

图8　不同PID参数下柴油机接排过程转速

考虑到接排过程柴油机与轴系之间的能量传递和能量损失，为避免柴油机转速下降过多引起熄火，本研究提出一种新的柴油机接排控制策略：当控制系统发出接排指令时，迅速提升空载柴油机转速达到350 r/min（单机接排允许的最大转速），然后接排。

采用提升转速控制策略下与直接接排控制策略下柴油机转速变化曲线（如图9所示）。从图中可以看出，采用提升转速后接排控制策略，接排瞬间柴油机转速下降至214.6 r/min，而保持转速为250 r/min接排，转速下降至154.2 r/min，接近最低工作稳定转速（150 r/min）。因此，采用提升转速后接排控制策略能够使接排过程中柴油机转速保持在相对较高的范围内，保证其稳定工作。

图9　不同控制策略下柴油机接排过程转速

当螺距比不为零时接排，由于螺旋桨转动惯量变大，根据能量平衡原理，柴油机转速下降较多。图10给出了不同螺距比接排时，柴油机转速变化情况。当螺距比为最大时（P/D=1.44），柴油机转速下降至194 r/min，保持在稳定工作转速。

图10　不同螺距比柴油机接排过程转速

2.2.2柴油机脱排过程

对柴油机脱排过程进行了仿真模拟。脱排时由于柴油机负载突然减少，柴油机转速突升。为优化柴油机脱排过程的控制，研究分别采用多组PID控制参数对柴油机接排过程进行控制仿真试验。通过多次试验，得到一组适合于对柴油机接排过程控制的参数：Kp=0.46、Ki=0.025、Kd=1.5。采用这种方法，转速可突升至最高转速255.8 r/min（如图11所示）。

图11　不同PID参数下的柴油机脱排过程转速

当柴油机在520 r/min时脱排，转速突升至535.8 r/min，未达到超速保护装置作用转速（582 r/min），如图12所示。

图12　额定转速运行时的脱排过程转速

由以上研究可以看出，柴油机接脱排过程控制的参数宜选：Kp=0.46、Ki=0.025、Kd=1.5。采用提升转速后接排控制策略能够使接排过程中柴油机转速保持在相对较高的范围内，保证其稳定工作。

3　推进系统正常操控控制策略研究

船舶的正常操控是指在非应急操作状态下，船非全速前进至全速后退或非全速后退至全速前进时的操控［3］。利用该推进装置仿真模型对正常操控控制策略进行仿真研究，柴油机转速按照正常情况下的热机加减速曲线（如图13所示）进行加减，同时调距桨的螺距按照一定的规律进行变化。在不同的机桨联控策略下，得到了船舶加速和换向过程中的柴油机转速、螺距比、航速和前进距离。

为优选动力系统正常操控情况下的控制策略，分别对不同柴油机转速和船桨螺距变化控制策略进行仿真研究。四种正常操控控制策略如下：

策略一：柴油机转速控制和船桨螺距控制各自按规律变化；策略二：先对柴油机进行转速控制，达到目标转速后再对船桨螺距控制；策略三：先对船桨螺距进行控制，达到目标螺距后再对柴油机转速控制；策略四：螺距控制跟随柴油机转速同步控制。以上四种控制策略的仿真对比结果见表1、表2，限于篇幅，每种策略下的对比图不在此列出。

表1　四种策略正常操控船舶加速时间和距离比较

表2　四种策略正常操控船舶停船时间和距离比较

从表1中看出，采用第四种控制策略相比其他控制策略在加速过程中没有受到油门的限制，船舶具有最短的加速时间，同时加速距离最短。因此综合以上仿真结果，在实际正常加速控制中应采用第四种控制策略。从表2结果来看，在第三种控制策略作用下系统的停船距离最短，在第四种控制策略作用下停船时间最短。因此可根据不同需要选择合适的控制策略。

4　推进系统紧急操控的控制策略研究

为优选动力系统紧急操控情况下的控制策略，分别对不同柴油机转速和船桨螺距变化控制策略进行仿真研究。四种紧急操控的控制策略如下：

策略一：柴油机转速控制和船桨螺距控制各自按规律变化；策略二：先对柴油机进行转速控制，达到目标转速后再对船桨螺距控制；策略三：先对船桨螺距进行控制，达到目标螺距后再对柴油机转速控制；策略四：螺距控制跟随柴油机转速同步控制。以上对四种紧急加速控制策略的仿真结果参见表3和表4，限于篇幅，每种策略下的对比图不在此列出。

表3　四种策略紧急操控船舶停船时间和距离比较

表4　四种策略紧急操控船舶停船时间和距离

从表3可以看出，采用第四种控制策略时柴油机受油门限制最少，船舶具有最短的加速时间和加速距离。因此在船舶紧急加速的控制中，应采用第四种船桨螺距随主机转速变化的控制策略。由表4可见，应用四种控制策略对紧急换向过程进行仿真过程中，系统均受到柴油机油门限制，但采用第三种控制策略停船时间和距离均最短，因此对紧急换向控制应采取第三种控制策略，即先对船桨螺距进行调整，再对主机转速进行控制的方法。

5　柴油机双机并车控制策略研究

本船采用单调速器法实现主机双机并车运行控制［4-5］，当指令要求由单机/轴变为双机/轴时，控制系统先将待接排的柴油机（2号主机）转速调整到与已接排柴油机（1号主机）相同的转速，然后发出离合器接合命令。当功率平衡控制器（LBC）接到第二台主机离合器已接合的信号后，由功率平衡控制器实施功率平稳转移；保持第一台柴油机的转速，同时增加第二台柴油机的功率，大约20 s后（具体时间根据并车时的工况，空车最快，进五最慢），使同轴上的两台柴油机达到功率平衡（功率不平衡度≤±5%）。功率分配完成后，车令由单机工况变为双机工况，转速和桨角按加速速率变化给定到双机工况，当实际转速和桨角达到给定值后，并车过程完成。根据1号主机和2号主机转速不同的情况，本研究分别从2号主机转速等于、低于、高于1号主机转速等三种情况对双机并车控制策略进行研究（限于篇幅，每种情况的对比图在此未列出）。

研究结果表明：当2号主机转速接近于1号主机转速时，柴油机双机并车控制效果最好，转速变化较为平稳。当2号主机转速与1号主机转速有一定偏差时，虽然转速出现一些转速波动，但并不会影响系统的并车控制。

6　结 论

对某船柴油机推进系统控制策略进行的仿真试验以及对比优化研究成果，已应用于该船的推进监控系统研制。在该船的推进系统陆上联调试验中，推进监控系统运行稳定、工作可靠，柴油机的起动、接脱排、正常操控、应急操控、双机并车等过程均与研究结果吻合，为后续实船的试验及正常运行奠定了坚实的基础。

［1］ 朱辉，王丽清，张幽彤，等.用MATLAB/SIMULINK实现柴油机及其控制系统的动态仿真［J］.内燃机学报，1998（3）：314-321.

［2］ 张连方，刘炽棠，顾宏中. 柴油机原理［M］. 上海:上海交通大学出版社，1987.

［3］ 施仲篪，杨承参，施润华. 轮机学［M］.上海:上海交通大学出版社，1988.

［4］ 侯馨光，张敏. 船舶主柴油机并车运行新方法［J］. 上海船舶运输科学研究所学报，2007（2）：75-80.

［5］ 徐斌.舰船主柴油机双机并车控制仿真技术的研究［J］.上海船舶运输科学研究所学报，2001（2）：96-101.

On optimization of control strategy of propulsion system for marine dual engine connected in parallel

FAN Kai
(Representative Bureau of Naval Armament Ministry in Shanghai, Shanghai 200135, China)

Based on the simulation and modeling of a ship’s propulsion system, this paper carries out the optimization research of the control strategy of diesel starting, normal operation control, emergency operation control, dual engine connected in parallel, and so on. The achievements are applied on the propulsion monitoring system and have been successfully verified through the land-based coordination-test of the propulsion system.

dual engine connected in parallel?control strategy; optimization research

U664.121

A

1001-9855（2015）02-0064-06

2015-03-03；

2015-03-31

范 凯（1986-），男，工程师，研究方向：舰船建造。