基于FNN的船舶電站柴油機(jī)轉(zhuǎn)速前饋補(bǔ)償控制研究

孫 彬 曾凡明 李燕飛 李天水 秦久峰

（海軍工程大學(xué)船舶與動力學(xué)院 武漢 430033）

0 引 言

隨著船舶綜合全電力系統(tǒng)的深入發(fā)展和高科技新型電子裝備的使用，要求船舶電站具有更大的容量、更高的穩(wěn)定性和適應(yīng)各種負(fù)荷變化的能力.電站柴油機(jī)轉(zhuǎn)速控制是電站控制的核心，也是電站并車工作穩(wěn)定與否的關(guān)鍵.如果柴油機(jī)轉(zhuǎn)速跟不上船舶用電設(shè)備啟動或停止帶來的瞬變，當(dāng)負(fù)載突加時，會引起柴油機(jī)轉(zhuǎn)速突減，電網(wǎng)頻率減小，電壓降低，影響其他設(shè)備的正常運行；反之當(dāng)負(fù)荷突減時，柴油機(jī)轉(zhuǎn)速會突加，電網(wǎng)頻率突加，電壓也會變大，嚴(yán)重時將導(dǎo)致其他電子設(shè)備燒壞，柴油機(jī)也可能飛車［1］.控制柴油機(jī)的轉(zhuǎn)速，提高柴油機(jī)的動態(tài)性能是一個值得研究的問題.本文通過模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（FNN）來實現(xiàn)負(fù)載擾動前饋補(bǔ)償，建立了基于FNN的前饋補(bǔ)償控制方法.

1 柴油機(jī)轉(zhuǎn)速前饋補(bǔ)償控制方法

電站柴油機(jī)的控制主要是基于轉(zhuǎn)速的反饋控制.轉(zhuǎn)速反饋控制普遍采用PID控制規(guī)律.通常柴油機(jī)PID的參數(shù)是按額定工況整定的，在額定工況或在額定工況點附近，控制性能良好.但柴油機(jī)存在變增益非線性問題［2］，當(dāng)柴油機(jī)遠(yuǎn)離額定工況工作時，整定好的參數(shù)不再適合，控制性能將明顯下降.另外，對于相對容量較小的船舶電站，船上一些大功率負(fù)載啟動或停止時，將會引起柴油發(fā)電機(jī)組的負(fù)載在大范圍變化.研究電站柴油機(jī)轉(zhuǎn)速控制就必須面對這個問題.

對于電站柴油機(jī)的控制方式還有一種是擾動前饋控制.柴油發(fā)電機(jī)組轉(zhuǎn)速變化的原因是發(fā)電機(jī)組的負(fù)載與柴油機(jī)輸出功率不平衡，因而負(fù)載擾動是系統(tǒng)穩(wěn)定的主要干擾源.當(dāng)船舶電站柴油機(jī)的負(fù)載發(fā)生變化時，由于機(jī)組有較大的轉(zhuǎn)動慣量，轉(zhuǎn)速反饋控制明顯滯后于負(fù)載的擾動，使得動態(tài)誤差較大，動態(tài)調(diào)整過程較長.根據(jù)這一特點，控制系統(tǒng)采用擾動前饋控制可提高動態(tài)性能.當(dāng)負(fù)載有擾動時，前饋控制器立即輸出與擾動量成比例的控制量直接調(diào)節(jié)油泵的噴油量，使柴油機(jī)輸出功率迅速變化.擾動前饋控制雖然大大提高控制器的動態(tài)性能，但它只適用于擾動可測的場合，而且一個補(bǔ)償裝置只能補(bǔ)償一種擾動，對其他擾動不起作用.對于柴油發(fā)電機(jī)組控制系統(tǒng)，只采用擾動前饋控制很難滿足控制的要求［3－4］.

所以將反饋控制與擾動前饋控制結(jié)合起來，當(dāng)負(fù)載突變時，擾動前饋控制起作用，實現(xiàn)對擾動的補(bǔ)償.而反饋控制消除其他因素產(chǎn)生的偏差.從上面的分析可以看出，將負(fù)載擾動前饋控制與反饋控制結(jié)合起來組成前饋補(bǔ)償控制系統(tǒng)，是對電站柴油機(jī)控制行之有效的方法.

2 FNN前饋補(bǔ)償控制設(shè)計

柴油機(jī)前饋補(bǔ)償控制系統(tǒng)設(shè)計的主要思想是：用常規(guī)PID控制實現(xiàn)柴油機(jī)轉(zhuǎn)速反饋控制，用FNN來實現(xiàn)負(fù)載的前饋補(bǔ)償控制，用PID的輸出作為誤差來調(diào)整FNN的權(quán)值.通過訓(xùn)練網(wǎng)絡(luò)，調(diào)整FNN的參數(shù)以及網(wǎng)絡(luò)輸出，使反饋控制輸出逐漸趨于最小.前饋控制輸出逐漸增大，并最終取代PID反饋控制成為控制轉(zhuǎn)速的主導(dǎo).柴油機(jī)前饋補(bǔ)償控制的原理如圖1所示.

圖1 柴油機(jī)前饋補(bǔ)償控制的原理圖

2.1 柴油機(jī)轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)模型

柴油機(jī)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，影響因素眾多，而且存在大量的非線性因素，根據(jù)研究目的的不同，柴油機(jī)模型也有著較大的區(qū)別.由于本文研究電站柴油機(jī)轉(zhuǎn)速的控制，因此采用簡化的傳遞函數(shù)模型進(jìn)行定性研究，見圖2.

圖2 柴油機(jī)轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)模型

1）調(diào)速器模型 調(diào)速器采用PID控制，模型為

式中：Kp為比例系數(shù)；Ki為積分系數(shù)；Kd為微分系數(shù).

2）執(zhí)行器模型 執(zhí)行器采用電磁執(zhí)行器，其模型為一階慣性環(huán)節(jié).模型為

式中：Ts為執(zhí)行機(jī)構(gòu)時間常數(shù).

3）延時等效模型 噴油泵齒條位置改變后，柴油機(jī)的功率和扭矩響應(yīng)存在延遲，主要原因是噴油系統(tǒng)、燃燒系統(tǒng)存在慣性延時，同時柴油機(jī)系統(tǒng)本身噴油發(fā)火的間斷性造成的延時.對于這些情況，可通過在調(diào)速器輸出位置后加上一個純延遲和一個慣性延遲環(huán)節(jié)來反映.延時等效模型為

式中：τ為延遲時間，包括一個純延遲和一個慣性延遲.

4）柴油機(jī)系統(tǒng)模型 由柴油發(fā)電機(jī)組轉(zhuǎn)矩平衡方程線性化處理并化簡得，柴油發(fā)電機(jī)組的模型為

式中：Ta為轉(zhuǎn)子飛升時間常數(shù)；β為自平衡系數(shù).

2.2 FNN網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)設(shè)計

根據(jù)文獻(xiàn)［5－6］對前饋控制的研究結(jié)論，結(jié)合電站柴油機(jī)轉(zhuǎn)速控制的特點，本文采用動態(tài)智能前饋控制策略來改善柴油機(jī)動態(tài)特性.

根據(jù)FNN在系統(tǒng)中的作用和電站柴油機(jī)控制的特點，網(wǎng)絡(luò)以柴油發(fā)電機(jī)組的負(fù)載作為輸入，網(wǎng)絡(luò)的輸出為前饋控制信號.為了能適應(yīng)柴油機(jī)的時變特性，網(wǎng)絡(luò)采用帶時延單元的動態(tài)網(wǎng)絡(luò).FNN網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)具體設(shè)計如圖3所示.網(wǎng)絡(luò)的各層節(jié)點數(shù)分別為：2－6－9－9－1.模糊推理采用sum－product方法，解模糊采用加權(quán)平均法.由于對柴油機(jī)負(fù)載擾動信號的擾動通道進(jìn)行辨識非常困難，很難求的誤差信號，所以用PID反饋控制信號代替誤差信號，對FNN系統(tǒng)進(jìn)行訓(xùn)練［7－8］.

圖3 FNN網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)設(shè)計

3 FNN前饋補(bǔ)償控制仿真分析

為了研究模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)前饋補(bǔ)償控制的控制效果，本文對FNN前饋補(bǔ)償控制進(jìn)行了仿真分析.所進(jìn)行的仿真研究是基于MATLAB7.0及Simulink4.1軟件環(huán)境中實現(xiàn)的.

在柴油機(jī)轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)模型中，利用S函數(shù)實現(xiàn)模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)前饋控制器及其算法的嵌入.在柴油機(jī)模型中，純延時時間常數(shù)確定為0.04s，慣性延時時間常數(shù)確定為0.03s，所以系統(tǒng)延時大約為0.07s.若采樣時間取0.1s，則網(wǎng)絡(luò)輸入取相鄰的兩次采樣值.訓(xùn)練工況為在仿真時間第2s時，柴油機(jī)突加100%階躍負(fù)載擾動，仿真運行時間設(shè)為30s.

網(wǎng)絡(luò)誤差平方和在訓(xùn)練過程中的變化情況如圖4所示.由圖可見，整個訓(xùn)練過程是收斂的，且收斂速度較快，在經(jīng)過2～3次訓(xùn)練后，誤差平方和基本不再變化.

圖4 網(wǎng)絡(luò)誤差隨訓(xùn)練次數(shù)的變化曲線

圖5是FNN前饋控制輸出對應(yīng)的齒桿相對量（簡稱為FNN前饋控制輸出）、PID反饋控制輸出對應(yīng)的齒桿相對量（簡稱為PID反饋控制輸出）及柴油機(jī)轉(zhuǎn)速在訓(xùn)練過程中變化情況.由圖可以看出，隨著訓(xùn)練的進(jìn)行，PID反饋輸出減小，而FNN前饋控制輸出逐漸增大，并最終取代反饋在控制中期的主要作用.

圖5 FNN訓(xùn)練輸出數(shù)據(jù)比較

圖6是柴油機(jī)突加100%滿負(fù)載時，將訓(xùn)練好的前饋補(bǔ)償帶入柴油機(jī)控制系統(tǒng)，與無前饋補(bǔ)償控制時比較柴油機(jī)轉(zhuǎn)速的變化情況.從圖中可見，當(dāng)負(fù)載突加，無前饋補(bǔ)償時，轉(zhuǎn)速下降12～13 r，穩(wěn)定時間為3s，而有前饋補(bǔ)償時，柴油機(jī)轉(zhuǎn)速下降僅僅7～8r／min，穩(wěn)定時間為2.5s，降低了柴油機(jī)的轉(zhuǎn)速波動率和穩(wěn)定時間.值得注意的是，前饋補(bǔ)償還減小了由于PID參數(shù)沒整定好引起的穩(wěn)態(tài)誤差，提高了柴油機(jī)的穩(wěn)態(tài)特性.

圖6 有無FNN前饋控制的比較

圖7 突加突減柴油機(jī)轉(zhuǎn)速變化曲線

為了驗證FNN的泛化能力，對系統(tǒng)施以突加滿負(fù)載而后突卸全負(fù)載.即空負(fù)載－滿負(fù)載－空負(fù)載過程.圖7為該情況下有無負(fù)載前饋擾動控制時柴油機(jī)轉(zhuǎn)速變化曲線.由圖7可見，有前饋補(bǔ)償控制明顯比無前饋補(bǔ)償時波動小、穩(wěn)定時間短，而且無論加減負(fù)載，它都能克服無前饋補(bǔ)償時的穩(wěn)態(tài)誤差.訓(xùn)練好的FNN具有一定的泛化能力.

4 結(jié) 論

電站柴油機(jī)轉(zhuǎn)速控制是涉及電站性能的關(guān)鍵問題之一.為了提高目前電站柴油機(jī)的動態(tài)和穩(wěn)態(tài)性能，本文采用了兼顧神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和模糊控制特點的FNN，來實現(xiàn)負(fù)載擾動前饋補(bǔ)償，建立了基于FNN的前饋補(bǔ)償控制方法，通過對其的仿真分析，可以得出如下結(jié)論.

1）采用FNN實現(xiàn)前饋控制對負(fù)載擾動具有較強(qiáng)的適應(yīng)能力，經(jīng)過訓(xùn)練的FNN可以對任意變化的負(fù)載擾動進(jìn)行補(bǔ)償控制，并且效果較好，因此訓(xùn)練好的FNN具有一定的泛化能力.

2）由于采用反饋輸出作為誤差對FNN前饋網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行訓(xùn)練，所以本文采用的前饋補(bǔ)償控制系統(tǒng)，對反饋控制的要求不嚴(yán)，降低了反饋控制環(huán)節(jié)的參數(shù)整定要求.

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