應(yīng)用PLC 技術(shù)的艦船燃?xì)廨啓C轉(zhuǎn)速控制方法

吳靜進，許仙明

(南昌大學(xué) 科學(xué)技術(shù)學(xué)院, 江西 南昌 330029)

0 引 言

艦船動力系統(tǒng)的主要推進方式為全電力推進。燃?xì)廨啓C具備資源利用率高、啟動速度快等優(yōu)勢[1]，被廣泛應(yīng)用于艦船動力系統(tǒng)中。對于燃?xì)廨啓C來說，轉(zhuǎn)速控制至關(guān)重要[2]。合理控制燃?xì)廨啓C轉(zhuǎn)速，可提升艦船航行的安全可靠性[3]。如鄧望權(quán)等[4]利用遺傳算法優(yōu)化PI 控制器的參數(shù)，利用參數(shù)優(yōu)化后的PI 控制器，控制艦船燃?xì)廨啓C轉(zhuǎn)速。該方法在轉(zhuǎn)速調(diào)整過程中，具備較快的上升時間與調(diào)整時間。郭森闖等[5]為提升燃?xì)廨啓C轉(zhuǎn)速控制效果，設(shè)計雙輸入反正切神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制方法。該方法在不同工作環(huán)境溫度時，均可有效控制燃?xì)廨啓C轉(zhuǎn)速，具備較優(yōu)的轉(zhuǎn)速控制魯棒性。但上述方法的工作特性較為固定，針對性強，通用性差，當(dāng)艦船運行工況較差時，上述2 種方法便無法精準(zhǔn)控制燃?xì)廨啓C轉(zhuǎn)速。

PLC 技術(shù)具備模擬量輸入/輸出、高速計數(shù)器與PID回路性能，符合艦船燃?xì)廨啓C轉(zhuǎn)速控制需求，且PLC 技術(shù)具備較優(yōu)的通用性，適用于任何工況[6]。為解決上述方法中存在的問題，研究應(yīng)用PLC 技術(shù)的艦船燃?xì)鈷嗥疝D(zhuǎn)速控制方法，確保艦船運行的安全可靠性。

1 艦船燃?xì)廨啓C轉(zhuǎn)速控制方法

1.1 基于PLC 技術(shù)的轉(zhuǎn)速控制方法技術(shù)架構(gòu)

以PLC 為核心，設(shè)計艦船燃?xì)廨啓C轉(zhuǎn)速控制方法，該方法的整體技術(shù)架構(gòu)如圖1 所示。

圖1 艦船燃?xì)廨啓C轉(zhuǎn)速控制方法的技術(shù)架構(gòu)Fig. 1 Technical architecture of speed control method of Marine gas turbine

PLC 與電液轉(zhuǎn)換器、油動機、位移傳感器、轉(zhuǎn)速傳感器、汽輪機構(gòu)成轉(zhuǎn)速控制單元；PLC 與觸摸屏構(gòu)成監(jiān)視單元；PLC 與安全閥、危急遮斷器、報警裝置構(gòu)成運行保護單元。

轉(zhuǎn)速控制單元利用轉(zhuǎn)速傳感器采集艦船燃?xì)廨啓C的脈沖信號；通過PLC 處理采集的脈沖信號，得到燃?xì)廨啓C的轉(zhuǎn)速偏差，并輸入可變論域模糊PID 控制算法內(nèi)，輸出燃?xì)廨啓C轉(zhuǎn)速控制信號，經(jīng)由電液轉(zhuǎn)換器將控制信號變更成對應(yīng)的油壓信號，控制油動機的行程，調(diào)節(jié)汽閥開度，達(dá)到燃?xì)廨啓C進汽量控制的目的，調(diào)整燃?xì)廨啓C的轉(zhuǎn)速。利用位移傳感器采集油動機的輸出信號，并對比分析該信號與PLC 輸出的控制信號，如果兩者差值不是0，那么實際輸出轉(zhuǎn)速和設(shè)定轉(zhuǎn)速不符，需要再次利用PLC 內(nèi)的可變論域模糊PID 控制算法調(diào)整轉(zhuǎn)速。

監(jiān)視單元利用轉(zhuǎn)速與位移傳感器采集艦船燃?xì)廨啓C轉(zhuǎn)速信號，并輸入PLC 內(nèi)，經(jīng)過計算與變換后，傳輸至觸摸屏內(nèi)，實現(xiàn)艦船燃?xì)廨啓C轉(zhuǎn)速的監(jiān)控與管理。

在艦船燃?xì)廨啓C出現(xiàn)超速與軸向位移較大故障時，運行保護單元利用報警裝置發(fā)出聲光警報，如果達(dá)到停機值，那么PLC 會傳輸停機信號至安全閥，去除主汽閥油動機的高壓油，通過危機遮斷器關(guān)閉主汽閥與調(diào)節(jié)汽閥，并持續(xù)發(fā)出聲光警報。

1.2 燃?xì)廨啓C轉(zhuǎn)速控制的PLC 基本組成

艦船燃?xì)廨啓C轉(zhuǎn)速控制方法的核心為PLC，PLC的基本組成如圖2 所示。

圖2 PLC 的基本組成Fig. 2 Basic composition of PLC

PLC 運算與控制中心是微處理器，通過微處理器實現(xiàn)可變論域模糊PID 控制算法的邏輯與數(shù)字運算，得到艦船燃?xì)廨啓C轉(zhuǎn)速控制信號。微處理器還負(fù)責(zé)協(xié)調(diào)各子單元間的聯(lián)系。

存儲器負(fù)責(zé)存儲PLC 的運行程序、用戶程序以及艦船燃?xì)廨啓C轉(zhuǎn)速控制信號[7]。

輸入子單元負(fù)責(zé)接收轉(zhuǎn)速與位移傳感器采集的燃?xì)廨啓C相關(guān)信號。輸出子單元負(fù)責(zé)輸出燃?xì)廨啓C轉(zhuǎn)速控制的模擬量與數(shù)字量[8]。輸入、輸出子單元的信息傳輸?shù)慕涌诰鶠镮/O 接口。

利用編程器為PLC 內(nèi)部進行程序編程，加快PLC信息處理速度，提升PLC 信息處理精度。通過開關(guān)電源為PLC 內(nèi)各子單元提供電力。

1.3 實現(xiàn)燃?xì)廨啓C轉(zhuǎn)速控制

利用PLC 內(nèi)的可變論域模糊PID 控制算法，得到艦船燃?xì)廨啓C轉(zhuǎn)速控制信號u(t)，該算法的輸入是燃?xì)廨啓C轉(zhuǎn)速偏差e(t)，其中，t為時間。

令該控制算法的輸入伸縮因子是g(e)，輸出伸縮因子是h(t) ，g(e)的計算公式如下：

其中，Emax為燃?xì)廨啓C轉(zhuǎn)速偏差初始論域的最大值；a為常數(shù)，0 ≤a≤1；b為非常小的正數(shù)。

h(t)的計算公式如下：

式中：CI為比例常數(shù)；h(0)為初始伸縮因子；n為艦船燃?xì)廨啓C轉(zhuǎn)速偏差樣本數(shù)量；ei為第i個偏差樣本。

u(t)的計算公式如下：

式中：KP、KI、KD分別為比例、時間、微分系數(shù)；?e(t)為艦船燃?xì)廨啓C轉(zhuǎn)速偏差變化率。

利用自適應(yīng)差分進化算法，優(yōu)化可變論域模糊PID 控制算法的KP、KI、KD，提升艦船燃?xì)廨啓C轉(zhuǎn)速控制信號的輸出精度。具體步驟如下：

步驟1 以浮點數(shù)編碼方式，編碼處理KP、KI、KD，構(gòu)建初始種群M。

步驟2 求解M內(nèi)的個體適應(yīng)度f，計算公式如下：

式中，tend為艦船燃?xì)廨啓C轉(zhuǎn)速控制結(jié)束時間；tr為燃?xì)廨啓C轉(zhuǎn)速控制過渡時間；w1、w2、w3為權(quán)重。

步驟3 依據(jù)自適應(yīng)變異算子Q，變異處理每個個體，Q的計算公式如下：

式中：k為迭代次數(shù)；kmax為k的最大值。

步驟4 求解第i個目標(biāo)向量xi與第i個變異向量yi的f值，利用交叉概率算子Z，交叉處理每個個體。當(dāng)f(xi(Q))f(yi(Q+1))時，則Z=Zmax。

步驟5 對交叉后的個體進行交叉處理， 形成新種群，并獲取最佳適應(yīng)度值對應(yīng)的最佳個體，即最佳可變論域模糊PID 控制算法KP、KI、KD的取值。

步驟6 分析算法是否達(dá)到kmax，如果達(dá)到kmax，則結(jié)束算法，輸出最佳KP、KI、KD的值，代入可變論域模糊PID 算法內(nèi)，輸出最佳的艦船燃?xì)廨啓C轉(zhuǎn)速控制信號。如果未達(dá)到kmax，則返回步驟3。

2 實驗分析

以某艦船燃?xì)廨啓C為實驗對象，該燃?xì)廨啓C的主要參數(shù)如表1 所示。

表1 艦船燃?xì)廨啓C主要參數(shù)Tab. 1 Main parameters of Marine gas turbine

正常工況下，利用本文方法采集該艦船燃?xì)廨啓C轉(zhuǎn)速的脈沖信號，轉(zhuǎn)速脈沖信號采集結(jié)果如圖3 所示。

圖3 艦船燃?xì)廨啓C轉(zhuǎn)速脈沖信號采集結(jié)果Fig. 3 Acquisition results of Marine gas turbine speed pulse signal

分析可知，本文方法可有效采集艦船燃?xì)廨啓C轉(zhuǎn)速的脈沖信號，該艦船燃?xì)廨啓C轉(zhuǎn)速的脈沖信號存在一定的波動情況。利用本文方法將采集的脈沖信號轉(zhuǎn)換成轉(zhuǎn)速信息，并計算獲取艦船燃?xì)廨啓C的轉(zhuǎn)速偏差。

正常工況下，利用本文方法依據(jù)轉(zhuǎn)速偏差，進行艦船燃?xì)廨啓C轉(zhuǎn)速控制，轉(zhuǎn)速控制結(jié)果如圖4 所示。

圖4 艦船燃?xì)廨啓C轉(zhuǎn)速控制結(jié)果Fig. 4 Speed control results of Marine gas turbine

可知，本文方法可有效控制艦船燃?xì)廨啓C的轉(zhuǎn)速，當(dāng)艦船燃?xì)廨啓C運行至10 s 左右時，燃?xì)廨啓C轉(zhuǎn)速便可將轉(zhuǎn)速迅速提升至3500 r/min 左右，達(dá)到額定轉(zhuǎn)速。因此可以得出，正常工況下，本文方法可快速控制艦船燃?xì)廨啓C，且無超調(diào)量。

當(dāng)艦船燃?xì)廨啓C存在轉(zhuǎn)速超速故障時，利用本文方法對其進行轉(zhuǎn)速控制，轉(zhuǎn)速控制結(jié)果如圖5 所示。

圖5 故障時的燃?xì)廨啓C轉(zhuǎn)速控制結(jié)果Fig. 5 Gas turbine speed control results at fault

當(dāng)艦船燃?xì)廨啓C存在轉(zhuǎn)速超速故障時，本文方法依舊可有效控制燃?xì)廨啓C轉(zhuǎn)速，令轉(zhuǎn)速穩(wěn)定在3500 r/min 左右。同時在出現(xiàn)故障時，該方法可有效向操作人員發(fā)送警報信息，提醒操作人員，艦船燃?xì)廨啓C存在轉(zhuǎn)速故障。因此可以得出，出現(xiàn)故障時，本文方法也具備燃?xì)廨啓C轉(zhuǎn)速控制的可行性。

分析本文方法在艦船燃?xì)廨啓C出現(xiàn)突降負(fù)載時，其轉(zhuǎn)速控制效果，分析結(jié)果如圖6 所示。

圖6 突降負(fù)載時的燃?xì)廨啓C轉(zhuǎn)速控制效果Fig. 6 Gas turbine speed control effect under sudden load drop

當(dāng)燃?xì)廨啓C出現(xiàn)突降負(fù)載情況時，本文方法依舊可有效控制燃?xì)廨啓C轉(zhuǎn)速；當(dāng)突降50%負(fù)載時，轉(zhuǎn)速控制時間在19 s 左右，存在較小的超調(diào)量；當(dāng)突降100%負(fù)載時，轉(zhuǎn)速控制時間有所增加，在22 s 左右，超調(diào)量也略有增長，但整體超調(diào)量較小。因此可以得出，突降負(fù)載時，本文方法轉(zhuǎn)速控制的速度也較快，且超調(diào)量較小，本文方法轉(zhuǎn)速控制的穩(wěn)定性較優(yōu)。

3 結(jié) 論

為確保燃?xì)廨啓C及時響應(yīng)與穩(wěn)定運行，提升艦船航行的安全性，研究應(yīng)用PLC 技術(shù)的艦船燃?xì)廨啓C轉(zhuǎn)速控制方法，清晰呈現(xiàn)燃?xì)廨啓C轉(zhuǎn)速控制結(jié)果，提升轉(zhuǎn)速控制效果，為日后艦船燃?xì)廨啓C轉(zhuǎn)速控制研究領(lǐng)域提供新的參考方向。