船舶柴油发电机调速控制系统研究

黄辰烨

摘 要：针对在船舶柴油发电机组的控制中，发电机频率不能及时准确调整的问题。在传统的控制回路中增加前馈模糊控制器，对柴油机的油门进行调节控制，稳定柴油机的转速，达到稳定频率的目的。

关键词：柴油发电机；调速控制器；模糊控制

1.船舶柴油发电机调速器简介

目前，在船舶交流电力系统中，发电装置广泛采用柴油发电机，即柴油机驱动同步发电机为船舶进行供电。船舶交流电的质量是通过电压和频率的稳定性来反映的，频率的稳定是取决于原动机的调速系统。由于船舶电力系统容量相对较小，诸如船舶侧推器、机船大粟等大型用电设备起停时，都会使船舶电力系统负载发生显著变化。随着船舶交流电力系统负载的变化，根据功率守恒，发电机输出的有功功率也要发生相应地变化，这个过程是个电磁变化过程，而且非常迅速。因此，柴油机的转速控制在船舶电力系统中极为重要。

柴油机调速装置的作用是通过改变油量调节机构，将柴油机的转速调节到规定的转速范围，并且根据柴油机负载的大小自动调节供油量，使其转速维持在一规定范围[1]。《钢制海船入级与建造规范（2006）》第3篇的9.7.3.1条规定，带发动机的原动机（包括柴油机和汽轮机）必须装有调速器，其调速特性应符合下列规定：当突然卸去额定负载时，其瞬时调速率不大于额定转速的10%，稳定调速率不大于额定转速的5%，即频率的变化率不大于5%，稳定时间（即转速恢复到规定的波动率范围的时间）不超过5s。

2.带前馈模糊控制系统的组成和控制原理

2.1 控制系统的组成

系统主要由前馈模糊控制器、PID控制器、执行器、柴油机（原动机）和测速反馈装置组成。如图1所示。

传统的柴油发电机调速系统是由测速装置测量柴油机的转速，反馈给PID控制器。根据给定的转速值进行比较，并输出控制信号给到执行机构（油门阀），通过调整油门阀齿条的阀位，控制柴油机的给油量，以此来稳定柴油机的转速。

用传统PID控制器取代机械式的离心式调速器，可以减少由于柴油机机组机理带来的干扰，能精确的控制柴油机的油门大小，提高柴油使用效率。再加入前馈控制器，使得控制效果更为准确，大大增加了调速器的响应速度[2]。

2.2 控制系统的原理

前馈控制又称扰动补偿，它与反馈控制原理完全不同，是按照引起被控对象参数变化的干扰大小进行调节。在这种调节系统中要直接测量负载干扰的变化，当干扰刚刚出现并能被测出时，调节器就能发出调节信号使调节量做相应的变化，使两者在被调量发生偏差之前抵消。因此，前馈调节对干扰的克服比反馈调节更为及时[3]。对于整个柴油发电机组来说，它是一个惯性系统，由于机组存在热力学、机械、电磁等过程的特性，机组表现出较大的滞后性，导致当功率不平衡已经出现时，转速不能突变，转速反馈控制器的偏差信号不能立即产生，经过一定的延时，速度变化足够大时，控制器才会根据系统偏差給出较大的控制量。很显然，在发电机组转速控制中，单纯的转速反馈控制对负载的扰动不够灵敏，有着明显的滞后性，这就使得系统动态偏差不能及时减小，延长了系统的整个动态调整时间。所以，在柴油发电机调速控制系统中加入前馈控制器，能更好的响应负载变化所引起的功率不平衡，稳定柴油机转速[4]。

本文采用双输入单输出的二维模糊控制器。柴油发电机组在运行时，当负载发生变化，输出转矩与阻转矩会有差值，导致柴油机转速发生变化。同时，发电机的输出功率也会发生变化。若假定发电机电压由励磁系统保持电压始终稳定，则有功功率的变化取决于发电机输出电流的有功分量的变化。在负载变化时，电流的变化是响应最快的。因此本文以发电机输出电流的有功分量及其变化量作为模糊控制器的输入，第一时间响应负载变化所引起的转速变化。通过模糊控制器，不经过传统PID控制器，早一步控制柴油的油门阀齿条的位移，使得发电机组的输出转矩等于阻转矩，达到稳定柴油机转速的控制目标。在模糊控制器中建立模糊控制规则，使用if..and...then...语句编辑模糊控制规则。为了便于说明，在本文中，发电机输出电流指的有功电流，即模糊前馈控制器的输入变量选择发电机输出电流i及其变化量ic。执行机构旋转角度对应了油门阀齿条的位移，所以模糊控制器的输出信号w选择油门阀齿条的位移。如图所示是二维模糊前馈控制器的结构原理图。

假设发电机输出电流最大为IMAX，则输入变量i的基本论域为[0，IMAX]。另一输出变量ic的基本论域为[-IMAX，IMAX]。其中ic=ik-ik-1，ic为本次采集值与前次采集值之差。输出变量w的基本论域为[-L，L]，L为油门阀的位移量[5]。

模糊规则是建立于专家经验的基础上的，可以根据简化的发电机负荷与油门阀齿条的位移关系，得出相应的模糊规则。

（1）当发电机负载增大时，发电机的有功电流增大，则执行器的控制信号w应增大，即增大发电机的供油量，使发电机的转速稳定，负载增加的越大，执行器的控制信号w应越大；当发电机负载减小时，发电机的有功电流减小，则执行器的控制信号w应减小，即减小发电机的供油量，使发电机的转速稳定，负载增加的越小，执行器的控制信号w应越小。

（2）系统存在死区，比如在空载时，有功电流i为S时，电流趋势ic不会出现FB、FM的状态；或者当发电机短路故障，有功电流i为B时，电流趋势ic不会出现ZM、ZB的状态。由于模糊控制规则是根据专家经验而来，对于死区的控制研究还存在较大的不足，所以死区状况在模糊控制规则表中用“-”表示。

模糊规则表如表2所示：

由表2可以得出17条if...and...then...的模糊规则。

（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.控制系統的设计与仿真

本文采用Matlab软件进行仿真实验，用Matlab软件中的Fuzzy控件，编辑发电机模糊前馈控制器。模糊控制器是二维控制器，在FIS编辑界面内确定输入变量i及ic，以及输出量w。如图5所示。在第二节内已经描述过每个输入变量和输出量的论域值。为了方便在Matlab中计算，我们选取输入变量i的论域为[0 1]，输入变量ic的论域为[-1 1]，输出量w的论域为[-1 1]。如图6所示。

在模糊控制规则中，输入由表2所得出的控制规则。如图7所示。在FIS编辑中，可以通过规则查看器查看模糊控制器内部推理过程。它可以显示正在使用的规则，也可以隶属度函数的图像以及其对应的结果，设计人员可以详细的看到规则控制器中的每一个结果。如图8所示。

设计人员也可通过曲面观察器查看整个系统的输出曲面。可以很直观的看到整个输入集的变化所对应的输出变化，并对整个系统的控制规则不断的修改及优化。如图9所示。

参考文献：

[1]孙培延，李斌等. 船舶柴油机.大连：大连海事大学出版社.

[2]刘大鹏. 基于可变论域模糊控制的柴油机调速器研究：（硕士学位论文）.哈尔滨：哈尔滨理工大学，2009.

[3]卢贤基. 船舶发电柴油机调速系统的研究与设计：（硕士学位论文）.大连：大连海事大学，2013

[4]庞中华，崔红.系统辨识与自适应控制MATLAB仿真. 北京：北京航空航天大学出版社.

[5]李云伍，乌建中，刘彦伯等. 内燃发电机组频率前馈补偿PID神经网络控制.内燃机学报，2007，25（4）：279-283.