船用柴油机转速智能控制系统设计与实现

李岩 ,卢崇旭 ,李笑粼

江南造船(集团)有限责任公司  上海市  201913 

摘要：传统船舶柴油机转速控制系统在运行过程中，存在控制延迟过长的问题，对此设计船舶柴油机转速智能控制系统。对传统船舶柴油机速度控制模型进行简化，设计 PID 控制器，利用遗传算法实现控制器参数的在线整定，对执行器的外围信号处理电路进行抗干扰滤波设计，提高系统各单元集成效果，实现对船舶柴油机转速智能控制。实验数据表明与传统控制系统相比，使用设计的智能控制系统，柴油机加速控制延迟降低 27%，减速控制延迟降低 32%，说明该控制系统能有效降低柴油机转速延迟。

关键词：船用柴油机；转速智能控制；系统设计；实现

引言

柴油机通过燃烧柴油实现发动机的运行，发动机扭矩较大，并且具有较好的经济性能以及热效率。因此，其成为诸多船舶的主要动力设备。发动机以凸轮轴为驱动，以高压油泵为基础，将柴油输送至燃油室中，在此过程中，发动机的转速快慢会直接影响供油效果。柴油机在应用过程中，其呈现显著的非线性变化，同时影响其自身转速的因素较多。为保证柴油机的应用效果，需有效控制其转速。为保证柴油机的稳定运行，提出基于 Elman 神经网络的柴油机转速调整系统。该系统以PID为基础，采用神经网络调整PID的控制参数，以此实现柴油机转速调整。但是该系统在控制过程中，无法呈现控制结果。

1.柴油机转速发展历史

动力机械上最早出现的转速自动调节装置，即调速器是1784年瓦特(James Watt)发明的用于蒸气机上的离心式机械调速器，它揭开了调速器历史的第一页。四十年代末五十年代初，出现了间接作用的机械液压式调速器，这是调速器发展的第二代。上述的两代调速器中，由于敏速装置和控制装置都是由机械元件来实现。因而，不可避免地存在惯性滞后及摩擦阻力大等固有缺陷。这就决定了它们难于实现较为复杂的调节规律和控制功能，无法满足降低油耗、减少有害排放、进一步提高调节精度和自动化程度的要求。

六十年代，美国WOODWARD公司将新兴的电子技术成功地应用于柴油机的调速系统，推出了一种全新的调速器，即2301/EC3P型电液调速器。它由转速传感器、电子控制器和电液执行器三个基本部分组成。该调速器的转速反馈环节采用了非接触式磁电传感器，通过频率电压转换器得到转速值。控制部分采用了模拟电子线路组成的PID调节器，由其输出电信号驱动电液执行器，以输出机械角位移，进而驱动喷油泵齿条运动，使发动机供油量与外界负载变化相适应，达到转速调节的目的。该电液调速器莫定了模拟式电子调速器一第三代调速器的基本结构模式。六十年代至八十年代初，是模拟式电子调速技术迅速发展的鼎盛时期，并在越来越多的场合，取代了传统的机械一液压调速器。模拟式电子调速器，虽然可以大大提高柴油机调速精度和扩展系统控制功能，但是由于其各项功能全部依靠硬矛盾也难以得到很好的解决。

随着数字集成电路以及计算机控制技术的发展，自八十年代以来，又出现了以微处理器为控制器核心的第四代调速器一数字式电子调速器。在数字式电子调速器中，控制器由专门的控制用微处理器和一系列输入、输出接口电路所构成。除了各输入、输出信号的转换外，系统的各项控制与调节功能主要依靠软件编程加以实现。因而，对硬件的依菲程度大大降低，只需改变控制软件和配置必要的接口，就可以用于各种系统和完成不同的控制功能。这一特点决定了它具有极强的适应性和几乎无限的功能扩展潜力。

2.船用柴油机转速智能控制系统设计与实现

2.1船用柴油机转速智能控制系统架构

舰船柴油机在应用过程中，输出转速会直接影响功率的输出结果。如果功率输出不稳定，则会直接影响船舶的运行状态。为实现柴油机转速智能控制，采用电子调速器，设计柴油机转速智能控制系统，系统整体架构如图 1 所示。

图一

该控制系统整体分为 3 个模块，分别是上位机模块、电子调速模块以及柴油机模块。上位机模块通过PC 机下达转速控制指令后，指令经由 CAN 总线传送至电子调速模块中，该模块主要是依据数字式电子调速器，对柴油机模块中柴油机的转速进行控制，并将控制结果回传至上位机中。

（1）上位机模块。该模块主要是由 PC 机、CAN 接口、电源、显示器等部分组成，该模块的能够实现柴油机转速控制指令的下达以及控制结果呈现。

（2）电子调速模块。该模块是系统的执行核心模块，以电子调速器为主，该调速器包含微控制器、PWM 驱动器、位置信号调理器、转速信号调理器、曲轴信号处理器等部分组成。其主要作用是对柴油机模块中，柴油机的负荷转矩不确定性、外在因素影响、柴油机的加载、卸载以及负载情况导致的转速异常进行控制。

（3） 柴油机模块。该模块是柴油机发电机终端模块，主要包含柴油机的整个组成部分，包含油路、喷油路、柴油机等。此外，该模块中安装传感器，其主要作用是检测柴油机曲轴位置、供油调节执行器位置等状态参数以及发动机当下转动状态数据等，并通过CAN 总线，将传感器采集的数据结果回传至上位机模块中。

2.2CAN 总线的收发机制

船用柴油机转速控制过程中，控制指令的下达和柴油机运行数据的回传均需依据 CAN 总线进行传送。在进行系统设计过程中，为保证指令和数据传送的安全性，设计 CAN 总线的收发机制，结构如图 2 所示。该机制主要采用中断式设计，以此进行数据的接收和发送，并且采用环形缓冲区设计，保证柴油机运行数据的安全传送。CAN 总线的接收中断服务程序，可完成柴油机整个运行数据的拷贝，并存储到环形缓冲区中。CAN 总线的发送中断服务程序在进行数据发送时，每完成一次数据发送后，均在环形缓冲区内对下一个待发送数据进行拷贝，依据该方式，完成所有数据的传送。

图二

3.船用柴油机转速智能控制策略

柴油机转速控制实质上，是调速器根据柴油机的运行状况和外界的负载变化，通过调整喷油泵的齿条位置以改变供油量，从而使柴油机的转速保持在给定的转速范围内。因此调速器对柴油机的转速控制属于闭环控制。从闭环控制理论上看，合理地建立系统的数学模型，是进行分析研究和设计的基础及关键。但是，由于柴油机结构复杂、影响因数众多，其工作过程的非线性、时变性和不确定性，使得用数学方法对其特性加以准确描述具有很大困难，甚至是不可能的。

因此，这就限制了过于依赖精确数学模型的控制方法在柴油机调速系统中的应用。另外，由于成本等因素，控制器普遍使用单片机系统，这也使得复杂控制算法无用武之地。像其它行业的自动控制装置一样，目前实际应用中的电子调速器，无论是模拟式还是数字式的，其控制方案基本上均采用PID控制方式。但是，由于PID控制器本身稳定性和快速性之间的矛盾，以及柴油机在不同工况下其系统参数不能够全部能够得到最优秀的控制效果。

总之，在数字式调速系统的应用中，PID控制算法为了同时兼顾调速器的动稳态性能以及补偿柴油机本身的非线性，实际上都采用了基于过程运行条件测量的增益调度控制u,以弥补常规PID控制器的不足。

4.结束语

设计船舶柴油机转速智能控制系统，提出柴油机的简化数学模型、执行器及其信号处理的接口电路和基于基于遗传算法的 PID 控制器的设计方法，实现系统集成，降低柴油机转速控制延迟。实验数据表明，该系统实现设计预期目标，具有实际应用价值。

参考文献

[1]胡清, 沈兵, 高申德, 等. 一种模拟船舶发电机调速控制系统的设计[J]. 机械工程与自动化, 2016, 4(4): 179–180.

[2]张金菊. 船舶抗信号干扰的低通数字滤波器设计[J]. 舰船科学技术, 2018, 40(5A): 107–108.

[3]贾癸卯. 基于遗传算法 PID 控制的车辆转向液压驱动响应仿真[J]. 兰州工业学院学报, 2018, 25(5): 73–75.

[4]涂环, 陈辉. 船舶柴油机转速的线性自抗扰控制[J]. 船舶工程,2016, 5(3): 31–36.