船舶柴油机转速智能控制系统仿真

船舶柴油机转速智能控制系统仿真*

江国和，刘西全，杨松林

（江苏科技大学机械与动力工程学院，江苏镇江212003）

摘要：以MTU16V396柴油机为对象，建立了柴油机控制系统的简化传递函数和执行器模型。采用PID控制，并利用遗传算法优化控制器参数，对柴油机动态调速过程进行仿真分析，和基于Z-N（Ziegler-Nichols）法的参数整定方法做了比较，结果表明遗传算法的性能远优于传统的参数整定法。

关键词：遗传算法；船舶柴油机；控制系统；仿真

中图分类号：TK424.3 文献标识码：A 文章编号：1001－4357（2005）04－0009－03

Simulation of Intelligent Speed Control System on

Marine Diesel Engine

JIANG Guohe, LIU Xiquan, YANG Songlin

(School of Mechanical and Power Eng., Jiangsu University of Science and Technology, Zhenjiang Jiangsu 212003)

Abstract: Transfer function and controller models are established for the control system on MTU16V396 diesel engine. Adopting traditional PID algorithm, simulation analysis on dynamic regulating process of governing system for diesel engine is carried out, parameters of PID controller are optimized by Genetic Algorithm. Simulation results are compared with those based on Zigler-Nichols method, which indicates that the using genetic algorithm can obtain more excellent characteristics than Z-N method.

Keywords: genetic algorithm; marine diesel engine; control system; simulation

1 引言

船舶柴油机的调速系统是典型的多层次复杂系统，难以用合适的数学模型来表达系统的输入输出关系。以前采用的大多是根据达朗贝尔原理在某一平衡点的柴油机模型，对于全工况的建模比较困难。采用传统PID控制的电子调速器，当柴油机工况变化时，控制性能变坏，甚至会出现不稳定的现象，或者当系统启动或在不同工况间切换时，由于短时间内出现大偏差及系统本身延迟，积分饱和使PID调节器饱和，系统将出现过量超调或振荡，故传统的PID控制不能获得满意的控制效果。而船舶受到风浪、水浪等环境的直接影响，对柴油机来说，负载是随时变化的，因此，要想保持船舶在某一航速下航行，就对船用调速系统提出了更高的要求。本文主机系船用主机，为使该船具有良好的运行性能，必须对主机转速控制系统控制参数进行智能整定。目前整定PID控制器参数的方法很多，遗传算法是其中的一种。它将“优胜劣汰，适者生存”的生物进化原理引入优化参数形成的编码串联群体中，按所选择的适配值函数并通过遗传中的复制、交叉及变异对个体进行筛选，使适配值高的个体被保留下来，组成新的群体，新的群体既继承了上一代的信息，又优于上一代。这样周而复始，群体中个体适应度不断提高，直到满足一定的条件。这种算法较为简单，可并行处理，能得到全局最优解。本文采用遗传算法优化控制器参数，对某船用主机MTU16V396进行了转速控制动态仿真。

2 模型研究

柴油机转速控制系统如图1所示。本文对柴油机模型进行简化，考虑延迟并作线性化处理后，可作为一阶惯性延迟环节。电子调速系统中的执行器采用环形电枢直流伺服电机，可认为是一个标准的二阶环节。加上PID控制器，即组成一完整的柴油机调速模型，可用于对柴油机动态过程的仿真，并利用仿真结果来研究该模型的合理性和准确性。

柴油机

Diesel Engine

第27卷(2005)第4期Vol.27(2005)No.4

收修改稿日期：2005－03－09

*基金项目：江苏省船舶先进设计制造技术重点实验室开发基金课题资助（院编：2001111）

柴油机

图1 柴油机转速控制系统框图

2.1 柴油机模型

非增压柴油机的运动可用以下方程描述:

)

()()(d )(d t t t y t t y T λτηα−−=+ 式中：y (t )为柴油机转速，是时间t 的函数（无因次量）；

)(t η为控制供油量的齿条位置，是时间t 的

函数（无因次量）；

)(t λ为扰动，是时间t 的函数﹙无因次量﹚；

αT 为柴油机时间常数，s ；

τ为齿条位移的纯滞后时间，s 。

将上式拉氏变换可得非增压柴油机的简化传递函数：

1

1)()()

(+=Λ−−s T s s H e s Y s ατ

同理，对涡轮增压柴油机的运动可用二次方程式表示，经拉氏变换后得到简化传递函数：

2

222)()()

(n

n n

s w s w s w s s H e s Y ++=Λ−−ετ 式中: )(s Y 是对)(t y 进行拉氏变换的结果；

H (s )是)(t η的拉氏变换； )(s Λ是)(t λ的拉氏变换。

设扰动)(t λ=0，即得到简化的柴油机模型，可用一阶惯性延迟环节来近似代替原柴油机模型。简化后的柴油机传递函数为：

1

)()(+=

−s T e s H s Y s

ατ 由于s e

e s s τττ+≈=−11

1

于是)

1)(1(1

)()(s T s s H s Y ατ++≈ 利用参考文献[1]中的数据计算得82.0=αT s ，

13.0=τs ，其传递函数为：

195.0107.01)()

(2++=

s s s H s Y 2.2 执行器模型

执行机构为可逆的直流伺服电机，一般采用环

形电枢直流伺服电机，可认为是一个标准的二阶环

节，其方框图如图2所示。

图2 执行环节的方框图

整个执行环节的传递函数为： 2

2

2

2)()

(nd nd d nd g W s W s W s H s H ++=ξ 式中：H g (s )为给定齿条位移)(t g η的拉氏变换；

H (s )为齿条位移)(t η的拉氏变换；

W nd 为执行机构的无阻尼自然振荡角频率，rad/s ；

d ξ为执行机构的阻尼因子。

在工程设计中常取d ξ＝0.4～0.8。在这个取值范围内可使调整时间s t 达到较小，而最大超调量和上升时间又不太大。由参考文献[2]可知，当d ξ＝

0.707时称为最佳阻尼比。为使执行环节具有较好的动态响应特性，取d ξ=0.707，W nd =35.4，其传递函数为：

1250

501250

)()(2++=s s s H s H g 3 控制器设计

3.1 PID 控制原理

常规PID 控制系统原理如图3所示 。

图3 PID 控制系统原理框图

其控制规律为：

写成传递函数形式为：

式中：k p 为比例系数；

T I 为积分时间常数； T D 为微分时间常数。 3.2 优化目标函数的选取

·10· 第27卷第4期

柴 油 机