1、本 科 毕 业 设 计船舶柴油机自动调速系统设计与仿真所在学院 专业班级 电气工程与自动化 学生姓名 学号 指导教师 职称 完成日期 年 月 II摘 要随着自动控制技术的发展，柴油机的调速器开始由传统的机械式调速器向电子调速器方向发展，国内外相继开发了多种电子调速系统。这些调速系统大都采用 PID 控制技术，它虽然具有结构简单、可靠稳定等特点，但它常不能有效克服负载、模型参数的大范围变化及其非线性因素的影响，因此它不能保证柴油机在任何工况下都以较优的性能运行。本文设计了比较先进的柴油机自动调速系统并进行了软件仿真。首先搭建了合适的被控对象数学模型，为控制方法的设计与仿真提供了一个基础。然后进行
2、了传统的 PID 控制和模糊控制的研究，在分析了传统 PID 控制算法和模糊控制算法的基础上，针对两种方法中存在的不足，将两种方法综合起来，取长补短，提出一种比较完善的模糊-PID 控制器参数自整定算法，建立了智能的模糊自整定 PID 控制器，实现了 PID 控制参数的在线自整定。最后利用MATLAB/SIMULINK 软件进行了仿真实验。仿真结果表明，柴油机的控制效果得到了显著的提高，特别是在克服扰动(负荷变化)方面效果明显。关键词:船舶柴油机；调速器；数学模型；PID 控制；模糊控制IIIABSTRACTWith the development of automatic control t
3、echnique, the governor of diesel engine is developing from mechanical governor to electronical governor, many kinds of electronical governors have been developed. Many of these governors adopt traditional PID as control rule. The traditional PID controller has many good characters, such as simple st
4、ructure, high reliability and stability, but it cannot satisfy the control requirement at every work condition.This article designs more advanced diesel engine automatic speed control system and a software simulation. First builds a mathematical model of controlled object suitable for control design
5、 and simulation provides a foundation. Followed by a traditional PID control and fuzzy control study, the analysis of the traditional PID control algorithm and fuzzy control algorithm based on two methods for the shortcomings, the two methods together, learn from each other, put forward a more impro
6、ve the fuzzy-PID controller parameter tuning algorithm, the establishment of intelligent fuzzy self-tuning PID controller, PID control parameters to achieve the online self-tuning. Finally, analyse the simulation experiments using MATLAB / SIMULINK software. Simulation results show that the control
7、effect of diesel has been significantly improved, especially in overcoming the disturbance (load change) significant effect.Key Words: marine diesel engine; governor; mathematical model; PID control; fuzzy controlIV目 录第 1 章 绪论 .11.1 课题的背景及意义 .11.2 柴油机数字式调速技术的发展 .11.3 主要研究内容 .2第 2 章 调速系统数学模型的建立 .42.1
8、 柴油机数学模型 .42.2 执行机构的模型 .52.3 转速检测单元模型 .52.4 船舶主机简化模型 .6第 3 章 PID 控制技术 .73.1 传统的模拟 PID 控制器 .73.1.1 比例作用 .73.1.2 积分作用 .73.1.3 微分作用 .83.2 数字 PID 控制器 .83.2.1 位置式 PID 控制算法 .83.2.2 增量式 PID 控制算法 .9第 4 章 模糊控制 技术 .104.1 模糊控制器 .104.1.1.精确量的模糊化 .104.1.2.输入输出空间的模糊分割 .114.1.3.模糊控制器的控制规则 .114.1.4.输出量的去模糊化 .124.2
9、Matlab 中的模糊控制器仿真设计方法 .124.2.1 Fuzzy Toolbox 的主要功能 .124.2.2 定义输入输出变量 .134.2.3 定义语言变量隶属函数 .13V4.2.4 定义模糊控制规则 .134.2.5 输出预览 .13第 5 章自动调速系统设计及其仿真 .145.1 基于 PID 控制的船舶柴油机自动调速系统设计 .145.1.1 PID 控制参数的整定 .145.1.2 PID 调速系统仿真模型的建立 .145.2 基于模糊-PID 控制的船舶柴油机自动调速系统设计 .145.2.1 PID 控制器参数的模糊调整原理 .145.2.2 PID 控制器参数的模糊调
10、整经验知识 .155.2.3 PID 参数模糊调整规则的确立 .165.2.4 模糊-PID 控制的调速系统仿真模型的建立 .185.3 仿真软件简介 .205.4 控制系统的仿真对比研究 .21小结 .23致谢 .24参考文 献 .251第 1 章 绪论1.1 课题的背景及意义柴油机的历史已经有百年之久了，它的效率高，功率范围广，适应性好。目前在工业上的应用相当广泛，而且在今后的较长一段时间也降继续保持这样的地位。随着科学技术的不断进步，柴油机的技术水平出现过三次飞跃：第一次飞跃是 20 世纪 20 年代，采用了机械喷射式供油系统，淘汰了原来的蓄压式供油系统；第二次飞跃是 20 世纪 50
11、年代采用了增压技术；第三次飞跃是 20 世纪 80 年代应用了电子控制技术。随着石油资源的日益短缺，在提高柴油机的动力性能的同时降低排放是将来主要的发展方向，然而在其它条件基本相同的情况下，充分发挥柴油机的动力性能必须借助于先进的调节控制技术。而调速系统作为柴油机调节控制的核心，其不断发展和进步在柴油机发展过程中扮演着重要的角色。随着我国的经济不断增长和不断全球化，船舶航运事业不断发展，在国民经济中的地位不断提高。而大部分船舶的主动力都采用柴油机。目前在用的大部分 20 年前的船舶上大都采用机械液压式调速器，采用这种调速器，调控水平较低，很难兼顾柴油机的稳定性和动态指标、怠速和负载性。然而采用
12、先进的数字是调速器可以实现柴油机全自动的控制调速，在不同的运行条件下自动调节最佳的参数，以适应不同的工况。在国外，一些企业早在 20 世纪 80 年代末，已将装有微处理器的数字式电子调速器投入了实际应用，例如日本的 NABCO、挪威 NORCON 公司的 DGS8800e 型。如今，高压电控燃油喷射技术也已进入实用阶段。可见国内的调速技术发展相对滞后，应当加快步伐，发展先进的柴油机调控技术，利用微电子技术，即采用数字式电子调速器取代机械液压式调速器，整体升级我国船舶柴油机的技术，提升我国船舶事业的整体水平。本课题正是在这样的背景下提出的，为提高船舶柴油机的调速性能，将数字式电子调速器应用到柴油
13、机的自动调速系统中去，并使用 MATLAB 实现仿真，对调速系统研究发展打下基础。1.2 柴油机数字式调速技术的发展目前，国外主要有两种柴油机调速控制算法的研究，一种是对传统 PID 控制算法的改进，如将模糊控制、自适应控制理论引进对 PID 参数的整定，动稳态模式分离、分段 PID 控制等等；另一种是对先进算法的研究应用，如自适应控制、神经网络算法、预测控制等。但实际应用的还只有经典 PID 控制，模糊 PID 和自适应控制，其他的智能算法还未实际应用到工程中。六十年代，美国 WOODWARD 公司利用电子技术推出了一种全新的调速器，即 2301/EG3P型电液调速器。它由三个基本部分组成：
14、转速传感器、电子控制器和电液执行器。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。2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。目前世界上中低成本的数字式电子调速器的开发研究与应用，仍是电控喷油系统研究的一个重要方向。这类调速器的
15、代表性产品主要有：挪威 NORCON 公司用于低速船用柴油机上的 DGS8800e 调速系统、德国 MTU 公司用于高中速柴油机上的 8082 电子调速器、德国HEINZMANN 公司的 E100/E200 数字式电子调速器、日本石川芝浦机械公司的 DELCOS 带微处理器电子调速器以及美国 CATERPILLAR 牵引机公司的 PEEC(柴油机电子控制装置)、WOODWARD公司的 723 数字式电子调速器等等。国外对于柴油机仿真系统的开发研究也给予了很大重视。由于系统仿真的设备简单，操作方便，而且可以考核电子调速器与多种发动机的匹配性能，因此很快被国外众多电子调速器生产公司采用，并研制出各
16、自的仿真试验装置。颇具代表性的有美国 WOODWARD 公司 AK6型电子调速器试验装置，日本 NABCO 公司的数字式电子调速器试验装置，德国的 Isermann等人开发出的基于神经网络的增压柴油机模型的 HIL 仿真系统用于柴油机的控制系统设计与调试等。从世界的先进水平来看，用于大功率柴油机的数字式电子调速系统，其控制器的核心己开始采用 32 位的 CPU，这将为复杂控制算法及功能扩展的实现打下了良好的硬件基础。另外，就其控制功能来看，除了原有的调速功能之外，某些数字式电子调速器已具备负荷控制、水温限制、油量限制、增压器控制、供油提前角控制以及控制系统的故障检测和故障保护等功能。使柴油机的
17、电子控制由单任务控制到多任务控制，进而发展到柴油机数字化的全电子控制。我国由于电控系统开发的时间相对比较晚。八十年代初，成都仪表厂引进德国HEINZMANN 公司生产许可证开始了柴油机电子调速器的研究。因此技术水平相对于世界水平还存在一定的差距。但是在部分研究内容上(如控制算法等)达到或接近了国外的水平。上世纪 80 年代末，交通部上海船舶运输科学研究所研制成功了中国第一台 PD-1 型电子调速器，其功能和性能指标基本上达到了德国同类型的产品水平。在数字式电子调速器方面，从九十年代开始，国内许多科研院所相继开展了这方面研究工作。哈尔滨工程大学研制出一种基于8088CPU 用于中高速柴油电站的数
18、字式电子调速器。该调速器除了能保证高精度的转速有差或无差调节外，还可以实现系统压力、温度等参数对柴油机工况的限制，转速和负荷限制，系统各运行和状态参数的监测与指示，调速系统与其它设备的信息交换以及故障诊断，安全保护等多种附加功能。目前，清华大学己经将嵌入式实时操作系统应用于汽车电子控制中，并自主研制出基于 OSEK/VDX 标准的 PowerOSEK 嵌入式操作系统。清华大学、上海交通大学、天津大学等国内高校都在柴油机高压共轨式控制系统方面进行了研究并取得了一定的成果。哈尔滨工程大学研制出的电液调速器、模拟式电子调速器、数字式电子调速器等都是国内领先产品。例如自主研发的 DK 100 型、DT
19、082 型电子调速器等，在国内已经得到了广泛的应用。1.3 主要研究内容柴油机数字式电子调速技术涉及的内容相当广泛，不仅包括控制原理、信号处理等理论3研究内容，还包括硬件合理配置、软件编制、配机试验等大量的工程实际问题。本人通过查阅大量有关调速器和自动控制方面的文献资料，对目前数字式电子调速器的技术现状也有了一定的了解：1. 柴油机数字式电子调速技术不是简单地用数字控制代替以往的模拟控制，而是要充分发挥数字控制可实现智能控制的潜力；要考虑柴油机特殊的动态特性，灵活运用数字控制的设计理论和方法。2. 船舶柴油机运行工况变化范围较大，由于常规 PID 控制器控制参数的固定不能很好适应各种工况。因此
20、，有关于智能 PID 控制算法的研究成为这一工作的关键。因此，本文将利用仿真软件，对目前常用的几种控制算法的作一番研究学习。全文共分五章，内容安排如下：第 1 章，先概述国内外柴油机调速控制的发展历史及当前 PID 控制算法的研究现状，给出本文的研究内容。第 2 章，在深入了解柴油机结构和原理的基础上，经过仔细研究最终，建立合适的船舶柴油机调速系统的数学模型。第 3 章，详细介绍传统 PID 控制算法及其控制器设计理论，为后面的自动调速系统设计工作做铺垫。第 4 章，系统论述了模糊控制算法及其控制器设计方法，为下一步研究做好准备。第 5 章，结合前面的论述知识，利用前人对 PID 参数的调整经
21、验，先后设计了单纯 PID自动调速系统和基于模糊-PID 控制器的柴油机自动调速系统，最后进行仿真对比研究，得出结论。4第 2 章 调速系统数学模型的建立要建立合适的自动调速系统，首先要建立合适的数学模型。柴油机闭环调速系统主要由柴油机、调速器、执行机构与转速检测单元组成。对于柴油主机这样一个比较复杂的控制对象进行建模是比较困难的，因为它关系到柴油机汽缸内部的状态与燃烧过程、船舶本体状态与航行条件等多方面因素，尤其是目前还有许多内在机理不清楚。一般来说，建立模型可以通过系统辨识或参数估算方法来进行，但在测试条件与测试技术尚不具备的条件下，为了对自动控制系统进行初步的分析和研究，笔者在工程允许的
22、范围内，通过分析法建立了一个简化的机理数学模型。本人经过分析思考将柴油机、轴系、螺旋桨三者一体化柴油机模型作为船舶主机系统的被控对象。该被控对象的输入量是燃油泵齿条的位移信号，输出量为装置的转速。明确了对象输入量和输出量之后，就要找出两者之间关系的数学表达式。2.1 柴油机数学模型经过参考，确定了柴油机的一体化数学模型以柴油机、螺旋桨、轴系及必要的中间变量的数学表达式为基础来进行推导。近似认为柴油机发出的扭转力矩是其供油量 Q 和输出转速 n 的函数。则有：（2-1）gggM柴油机的供油量 Q 是柴油机和柴油机转速 n 和燃油泵齿条行程 s 有关系，其供油变化量以Q 表示，则：（2-2）Qsn
23、螺旋桨的阻力矩从是柴油机转速 n 与外界负荷扰动及螺矩角 a 的函数。由于固定螺矩螺旋桨的螺矩角 a 为常数，则有：（2-3）LLLMn柴油主机轴系运动方程可以直接根据达兰培尔定律写出，即：（2-4）2=-gLdJt 其中，J 为轴系的总惯性矩，n 为柴油机转速，ML 为阻力变化量，Mg 为扭转力矩的变化量。将式(2-1)、(2-2)、(2-3)代入式(2-4)，消除中间变量，经整理后得：22ggL LMMdnJnst 取相对变化量，并且令 ，则有：LgK5（2-5）12gxHHLxHMdnMsJsKtknK 其中， 为燃油齿条相对位移量， 是转速的相对变化量， , 和 分别为主机的额xsx
24、s定转矩、额定转速和最大齿条位移量；左边第一项系数是主机时间常数，右边第一项系数是调节通道放大系数，第二项系数是干扰通道放大系数。参见式(2-5)，令柴油主机时间常数为 ，调节通道放大系数为 2HaTJnK，干扰通道放大系数 ，则主机运动方程为：1 =gHMsKn 21 =LHM（2-6）12 aTnttstt令 Ko=K2/K1，采用拉式变换且设 N(s)为转速 n (t)的拉式变换，S (s)为供油量齿条位移 s (t)的拉式变换，e (s)为干扰量。(t)的拉式变换，则主机传递函数为：（2-7）0 ()() /( 1)laNsSKsTs另外，还必须考虑柴油主机转速信号在传递过程中的迟滞问
25、题，比如控制供油量的齿条位移纯滞后时间、柴油机发火延迟时间等。纯迟滞对系统稳定性是不利的，且滞后越大，调节性质就越恶化。通常工程上的处理方法是在通道上串连一个迟滞环节 , 参数可以根se据实测或经验来选取。根据船舶资料显示：时间常数 ，通道放大系数12.aT，模型纯迟滞时间 。则一体化柴油机的数学模型为：198.5K=0.37s-0.37198.5 () sGe2.2 执行机构的模型柴油机工作时执行机构是通过对高压油缸高压侧开关阀的控制来改变腔内高压燃油量，进而改变正时活塞位置，实现对喷油正时的调节。通过研究，在本系统中选用直流电动机作为执行机构的数学模型，其传递函数为：（2-8）2()1aKGsT其中，Ka 为放大倍数，Ta 为时间常数。通过查阅资料 Ta=0.3 秒，Ka=1.05。于是执行机构的数学模型为： 2.05()31s2.3 转速检测单元模型转速检测单元由安装在凸轮轴上加工精度较高的齿轮轮齿从磁棒尖端的频率获取转速信号，简单、可靠。其数学模型可看作比例环节，为简便起见将比例系数设为 1，则的数学模
