柴油机转速（精选7篇）
柴油机转速 篇1
船舶柴油机是一种往复式动力机械,其结构复杂,运动部件繁多且相互关联,对其进行实用化的有效监测和故障诊断难度较大,有许多问题有待探索。作为柴油机零部件中最容易发生故障的部件一气阀机构,其故障率占整机故障15%。作为燃烧室一部分的气阀,工作条件恶劣,气阀头部底部直接与气缸内高温气体接触,排气阀还受到高温燃气的高速冲刷作用。在高增压柴油机中,排气阀打开瞬间,燃气温度可达900～1 000℃,流速达800 m/s,排气阀的工作温度可达800℃;气阀的频繁落座和敲击的冲击力相当大,气阀在气体爆发压力作用下容易产生变形,由于气阀配合部位过度磨损或烧损阀面和阀座将导致漏气故障,严重时阀头被高温燃气吹穿而导致阀面破损,破损碎片进入涡轮工作轮将叶片打坏,产生重大事故和经济损失。因此对气阀机构进行检测与故障诊断意义十分重大[1]。
目前柴油机监测与诊断方法较多,如油液分析法和振动分析法,但由于气阀不是润滑的对象,所以其故障信息并不能表现在油液中,所以油液分析法在这里是不适用的。振动诊断法具有诊断速度快,准确率高和能够实现在线诊断的特点,正在被广泛使用[2]。但是振动信号随机性大,并且对振动测量位置敏感,实际应用中仍存在较多问题。
某时刻的柴油机瞬时转速指的是在该时刻其转速的瞬时值,实际测量中往往用一段极短时间内的平均转速来代替,它和柴油机扭矩有着直接联系。由于各缸相继做功以及往复组件惯性力的影响,机器的输出扭矩是瞬间变化的,而扭矩的变化直接反映在转速的瞬时波动上。所以瞬时转速中包含着大量的机器运行信息,并且瞬时转速测量方便,不需对机器进行解体,是一种较理想的故障诊断信号源,因而基于瞬时转速的故障诊断技术在近些年来得到了长足的发展。从理论上说,利用瞬时转速信号来进行气阀故障的诊断也是可行的,因为当气阀漏气时,必将使缸内燃气压力降低,影响输出扭矩,导致瞬时转速波形发生改变,从而可依此进行故障诊断。所以笔者使用瞬时转速信号来判断气阀泄漏故障,通过实验分析与验证,得到了良好的诊断效果,证明了这是一种有效的故障诊断方法。
1 试验设计及测量结果
不同的瞬时转速信号实际对应着不同的机器功能故障,利用动力学模型可以发现其中的一些规律,但仿真结果与实际状况往往有着极大的差距,必须从实际试验中去对比和修正。笔者采用模拟故障的方法,使用调节气阀间隙、破坏阀面等方法模拟了气阀泄漏故障,测量了正常和气阀泄漏状态下的实际瞬时转速,从而了解不同机器状态下瞬时转速变化的规律。
1.1 实验测量装置
以6-135G型(非增压)柴油机为实验研究对象,柴油机的基本参数为:
单列立式、六缸水冷、四冲程,气缸直径为135 mm,活塞行程为140 mm,压缩比为16.5:1,额定转速为1 500 r/min,额定功率88 kW,发火顺序1-5-3-6-2-4。测功器采用普通水力测功设备。
测量的参数有瞬时转速信号和上止点信号,即在测量瞬时转速信号的同时进行上止点信号测量,以便确定故障缸位置。
柴油机的瞬时转速信号通过磁电传感器测取,采用软件计数法结合插值法[3]进行瞬时转速计算。
这样,整个装置可以测量飞轮端的瞬时转速信号,较准确地测定上止点时间,为研究工作提供了良好的实验平台。
1.2 模拟故障
笔者采用模拟故障的方法来研究瞬时转速和发动机气阀泄漏故障间的对应关系。对此课题分为以下几种状态进行模拟:气阀间隙过小状态和气阀泄漏状态。模拟方法如下:
a.正常状态。
作为故障的对比状态,首先要测量正常状态的参数。对实验柴油机进行油量均衡试验、喷油压力测试、气阀间隙测试、气阀-缸套间隙测量等调整,从而保证机器处于良好状态,进行正常状态下的试验。
b.气阀间隙过小状态。
调小5#缸排气阀间隙模拟气阀泄漏,正常状态间隙应为0.35 mm,将其调为负值使气阀在机器运行过程中始终打开。模拟方法为在间隙为零之后再拧调节螺钉1/4圈进行试验。
c.气阀泄漏状态。
在5#缸排气阀边缘对称位置处用锉刀锉两个小缺口,见图1。缺口大小定为1 mm×2 mm,这个尺寸经过了理论仿真计算,由于篇幅的关系,具体计算过程不再赘述。
1.3 试验测量结果
经过实验测量,得到了不同工况、不同状态下的瞬时转速数据,在1 000 r/min、输出功率40 kW工况下,得到的正常状态、气阀间隙过小状态和气阀泄漏状态下的波形曲线分别见图2、图3、图4。每条曲线代表一个完整柴油机工作循环时间内的瞬时转速变化情况,横坐标为曲轴转角,因为6-135柴油机是四冲程机,故其一个工作循环的转角为720℃A,曲线的起点为第一缸做功上止点。从图中可看出,每条曲线都有六个大的波峰,这是分别由六个气缸轮流发火做功造成的。在正常状态下,六个波峰大小基本均匀,表明各缸做功均衡;在气阀间隙过小状态和气阀泄漏状态下,代表故障部位5#缸的第二个波峰高度有着明显的降低,表明第五缸做功能力下降。这表明,瞬时转速信号对启发泄漏故障有着较强的敏感性,用其来进行故障诊断是可行的。
2 故障特征提取
针对6-135型柴油机瞬时转速波形的特点,通过对大量实验样本的分析,经过筛选和比较,从时域参数中选择了以下几个较能反映故障的无量纲化原始特征:
a.最大波动范围与各缸平均波动范围比:
式中,Fmax为循环内最大转速波动值,Si为第i缸做功过程中的速度升程,见图5。
b.最小升程与平均升程比:
式中,Smin为六个缸做功过程中的最小速度升程。
c.做功压缩后速度最大变化值与平均升程值比:
式中,Dmax为六个缸做功压缩过程中的速度最大改变值。
3 结论
利用介绍的实验装置,在平均转速1 000 r/min,功率40 kW工况下得到了模拟故障和机器正常状态下的各100个瞬时转速数据样本,每个样本长度为720个点,对应一个完整的工作循环时间。对这些样本进行特征参数检验计算,分别使用三个特征参数进行状态识别,其识别正确率见表1:
可以看出,特征参数P2和P3,的故障识别正确率很高,在100个检验样本中,特征参数P2只有一个误判,P2有三个误判,完全达到了工程实用的标准。
这样,通过对实测瞬时转速数据的分析,我们得到了两个故障判断正确率很高的特征参数。经检验证明,使用这两个特征参数可以达到较理想的诊断效果,为气阀故障的诊断提供了一种新的思路。
参考文献
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[2]吴明赞.基于振动信号分析的船用柴油机智能化故障诊断技术研究.东南大学博士学位论文,2002.
[3]孙云岭,朴甲哲,张永祥.插值算法在内燃机瞬时转速测量中的应用研究[J].内燃机学报,2002,20(4): 335-338
柴油机转速 篇2
实际生活中人们急中生智的不多, 而忙中出乱的不少。由于在农忙时节农业机械出现故障, 农机手和维修师傅为了抢时间, 往往思考方向单一、缺乏全面考虑, 忙于急检快修, 结果却难于求成。无论什么情况, 排除故障时都要遵循排除故障的基本原则和方法:先观察后思考再动手, 先简后繁、先外后内、先熟后生, 先部件后整机。尽量不要上手就大拆大卸, 结果却劳而无功, 甚至适得其反, 引起二次故障发生。
下面以下乡巡回指导过程中遇到的一起“柴油机转速不稳”故障的排除为例进行说明。
故障现象:有一台S195柴油机在作业过程中, 中、小负荷时转速稳定, 当遇到负荷变化升高时, 就出现转速不稳且急剧下降、甚至熄火的现象。当负荷升高出现转速不稳或下降时, 及时减小负荷或卸去负荷后, 柴油机转速又恢复稳定。
农机手和维修师傅反映:针对这一故障, 他们进行了多次检查维修, 先后拆卸检查调试了调速器、喷油泵和喷油器, 但柴油机负荷升高后转速不稳的故障没有一点改观。显然, 这一故障的主要原因均已被排除, 再次重复检查调试已没有必要。因此, 必须重新分析考虑其他可能引起转速不稳故障的环节。
在农机故障现场, 一边了解情况一边仔细观察负荷变化时柴油机的工作状况。此柴油机作业过程中, 中、小负荷时转速稳定, 只要加大负荷转速马上下降;减小或卸去负荷, 转速又恢复稳定状态。这说明柴油机转速不稳与调速器无关, 而与柴油供给有关。高压油泵和喷油器已经检查调试过, 未发现问题, 说明高压油路没有问题。那么, 问题就只有发生在低压油路。低压油路只有油箱、粗滤器、细滤器和输油管。经查油箱、粗滤器没有问题, 细滤器内没有气体, 输油管及接头连接处也未发现问题, 这就奇怪了。维修师傅的一句话很有哲理:“没病不死人”, 问题肯定有, 就是找不到, 所以三番五次未修好。
这时就需要静下心来, 细心观察负荷不断变化和多次突然加大“油门”时柴油机低压油路每一环节的细微变化。经过反复试验, 逐个节点排除, 终于在高压油泵进油管连接处发现问题。就是在负荷和转速突然升高的瞬间, 在高压油泵进油管连接处的透明塑料管内有小气泡出现时转速马上下降, 降低负荷或减小“油门”后转速又恢复稳定。熄火后拆下高压油泵进油透明塑料管连接处, 发现透明塑料管接头处有一微小裂纹, 切掉裂纹后重新装好试验, 转速恢复正常, 故障彻底排除。
由于人们往往忽略低压油管, 很少对它进行仔细检查, 再加上油管接头处有油污等杂质, 油管微小裂纹不容易发现, 因此造成多次排除故障均未能找到根本原因而无功而返。
那么, 为什么只有在负荷和转速突然升高的瞬间, 才有气泡出现呢?气泡又是怎样形成的呢?冬季户外作业进油塑料软管变硬变脆, 在使用维护过程中, 如果弯曲度过大或发生碰撞, 严重时会产生断裂, 轻者也往往容易在接头处产生微小裂纹。当柴油机在中小负荷时, 需要供油量较小, 空气不会进入油管接头处, 转速是稳定的。当负荷突然加大或突然加速时, 柴油机需要供油量增多, 柴油流速增高, 在进油管接头处容易产生真空, 空气就会从油管微小裂纹处进入而产生气泡形成气阻, 影响柴油的供给, 造成柴油机转速不稳。
柴油机转速 篇3
柴油机瞬时转速信号可以反映机器的工作平稳性、各缸负荷均匀性,表征柴油机扭矩甚至缸内压力,蕴含着大量柴油机故障信息,并有着信号测取方便,费用低廉的优点,非常适合用于柴油机的故障诊断。目前常用的测量方法是使用磁电式传感器,利用机器固有的编码盘(一般为固定在主轴上的齿轮齿圈,如飞轮齿圈)进行瞬时转速测量。由于直接输出电压信号,故不必使用电荷放大器,价格低廉,测取方便,在恶劣环境中也能工作,非常适合于柴油机的瞬时转速测试。但是影响测量精度的因素很多,有的因素已经经过一定程度的分析和研究,如齿形分度误差、轮盘偏心误差、测量过程中的计数量化误差等,而有的因素还未曾被考虑,轴心轨迹就是其中一个重要因素。
1 柴油机瞬时转速测量原理
以齿轮—磁电式传感器装置为例,其原理见图1。齿轮上的齿和齿隙依次经过磁电式传感器,磁通和磁阻发生变化,导致穿过线圈的磁通量发生周期性变化,线圈中于是感应出类似正弦波的电压信号,每个正弦波对应飞轮上一个齿。使用硬件电路对测量信号进行整形放大,整形后的转速信号为方波,为了获得每个齿对应的瞬时转速,可使用高频晶振进行计数,以测量转过一个齿所需的时间。设计齿轮有z个点,计数周期为Ti,两相邻齿脉冲间的计数值为k,则每个齿的瞬时转速为:
此外还可以使用软件计数法进行瞬时转速计算,当A/D板的采样频率满足一定条件时,磁电式传感器拾取的电压信号,经A/D采样板直接进行时域采样,编程计算每个正弦波周期,从而求出每个齿的瞬时转速。
2 轴心轨迹对柴油机瞬时转速测量影响的机理分析
假设飞轮匀速旋转且不考虑其它因素影响,传感器输出信号应为近似的连续正弦波,见图2上部曲线,每个飞轮轮齿对应一个正弦波周期。对于磁电传感器,转速波动的影响表现为对其进行频率和幅度的双重调制。从传感器信号中计算瞬时转速,其实质是一个信号的频率解调过程。但由于众多因素的影响,传感器输出的是一个被多种因素调制的复杂的调频、调幅信号,使瞬时转速的高精度计算十分困难。
由于柴油机工作的特殊性,其曲轴主轴承承载复杂的周期载荷,使轴颈运动轨迹比旋转机械要复杂得多,且运动范围也要大得多。尤其是测速齿轮(一般指飞轮),受力作用后运动要放大[1]。这样使得测速传感器与轮齿产生了相对位移,相对位移存在于旋转平面的各个方向上,可以分解为两个方向的分位移:位于齿轮所处平面内且与传感器附近的齿轮转动方向平行的分位移,这里称为x方向的位移;位于齿轮所处平面内且与传感器附近的齿轮转动方向垂直的分位移,称为y方向的位移。
两个方向的相对位移变化会对传感器输出信号产生复杂的的调频、调幅现象从而影响瞬时转速的测量精度。见图2,由于轴心轨迹的存在,使得传感器与齿面在径向距离发生了变化,当传感器与测速齿轮间的距离变小时,传感器输出电压变大,反之变小,产生幅度调制。同时由于轴心轨迹存在一个切向速度,这样使得传感器与齿轮之间的相对切向运动不仅是由于柴油机转速引起的,还叠加了一个轴心轨迹切向速度,从而引起传感器输出信号的调频作用。这样,由于轴心轨迹的存在,使得传感器信号同时产生了调幅和调频作用,如图2下部曲线。据我们的已有研究结论[2],切向运动对瞬时转速的影响已到不可忽视的程度,必须给予剔除。
3 轴心轨迹对柴油机瞬时转速测量影响的仿真计算
轴心轨迹和瞬时转速波动会对磁电式传感器输出信号产生幅度调制和频率调制,而由于瞬时转速波动率很小,一般在千分之几的水平,所以可以忽略瞬时转速波动产生的幅度调制影响。故在此仅考虑轴心轨迹产生的幅度调制和频率调制以及瞬时转速波动产生的频率调制因素,此时轴心轨迹和瞬时转速波动为调制信号,均匀转速下磁电式传感器输出信号为载波信号。均匀转速下磁电式传感器输出信号为近似正弦信号,且差别较小,故这里认为载波为标准正弦信号,其角频率为:
式中,nave为内燃机平均转速,r/min;z为飞轮齿数。
这样,载波信号表达式为:
式中,A为传感器输出信号峰值。
内燃机瞬时转速变化主要由各缸压力和往复惯性力引起,从仿真和实测数据看,各缸负荷均匀时,主要由基频和二倍频成分组成,三倍频以上衰减很快,故仿真时仅考虑其对转速波动产生的一、二倍频影响。其基频频率为:
式中,m为气缸数目。
这样,瞬时转速可表达为:
式中,为各倍频转速波动系数。
轴心轨迹引起的调幅因素源于传感器与齿顶间法向距离变化,调频因素源于传感器与齿顶间切向距离变化,将轴心位移分解为飞轮在传感器安装部位法线和切线两个方向,令h1(t)为轴心位移在传感器所在法线方向上的分量,h2(t)为轴心位移在传感器所在法线方向上的分量。其中h0为初始安装间隙,则综合考虑轴心轨迹影响因素,磁电测速传感器输出电压可表示为:
式中,R为测速齿轮齿顶处的回转半径。
由上式可知,由于轴心的运动,我们测得的电压信号是一个调幅、调频并存的信号,调幅信号[3]对测量瞬时测量影响很小,而轴心轨迹引起的调频信号影响较大,必须予以考虑。因此,我们可以在两个相互垂直的方向上安装两个位移传感器,测量轴心位移,经处理得到轴心运动速度在测速传感器安装处沿齿面切线方向的分量V,然后从由V(t)切信号计算得到的瞬时转速中扣除,这样即可剔除轴心轨迹对测量的影响。
4 仿真计算和结果分析
对此我们进行仿真计算,以6-135G型柴油机为例进行,该型机气缸数目为6,飞轮齿数为125,选取额定转速1 500 r/min进行仿真,取A为1(归一化处理)。根据已有的实验测试数据,在该转速下,循环内转速波动幅度大致为±7r/min,根据其各倍频成分比例取B01为0.3%,B02为0.4%。用于仿真的轴心轨迹图见图3。根据该图的两个位移分量,计算得到传感器输出电压波形,再进行瞬时转速计算。
当不考虑轴心轨迹影响时,瞬时转速仿真波形见图4(a),波形非常理想。当考虑图3中轴心轨迹的影响时,瞬时转速仿真波形见图4(b),波形发生了较为明显的畸变,这证明轴心轨迹对瞬时转速测量有着较大的影响,在工程实际测量中必须予以重视。
利用已有的轴心轨迹信息,按照以上所述方法逆向运算可以消除轴心轨迹的影响。因此进行瞬时转速测量时,应该同时测量轴心轨迹,以便消除其误差影响。
参考文献
[1]钟秉林,黄仁.机械故障诊断学[M].北京:机械工业出版社,1997.
柴油机转速 篇4
现代船舶中最常用的是柴油机动力装置,其在动力性和经济性方面具有独特的优势,因此,充分运用计算机和网络技术,开展对柴油机的监控技术研究有着极其重要的意义。柴油机转速的闭环控制算法是柴油机监控技术的核心,它的开发过程主要通过3种途径:(1)建立柴油机和控制器的数学模型,利用计算机仿真平台进行全数字仿真;(2)将监控装置连接柴油机,直接开发柴油机控制程序;(3)选用或构造类似柴油机数学模型的物理装置与监控装置组成仿真系统,进行半实物仿真。
开发过程的3种途经具有各自的优缺点,适用于开发研究的不同阶段。直接对柴油机进行控制,费用高、风险大,适合在仿真和测试工作完成后运用;全数字仿真经济实惠,广泛用于初步研究中,近年来,神经网络、遗传算法等智能控制理论均在柴油机控制中实现仿真,但是仿真应用到实际中常会引发一系列的问题[1,2];半实物仿真则综合前两种途径的优势,高效、风险小、经济性好,而且将研究成果运用到柴油机监控中可达到事半功倍的效果[3]。
本研究选用与柴油机数学模型类似的直流电动机作为被控对象,采用以c RIO为核心的NI硬件监控装置,构建柴油机转速闭环控制的半实物仿真试验平台,初步运用PID控制策略对直流电动机进行控制,用于柴油机的信号监测和控制算法的研究与开发。
1 模型的比较
船舶柴油机及其调速系统是典型的复杂系统,难以用合适的数学模型来准确表达。柴油机转速控制系统如图1所示。目前,常采用达朗贝尔原理在某一平衡点的柴油机模型,通过线性化方式进行简化。考虑的因素不同,可以得到不同的简化模型。这类模型通常比较简单、精度低,但计算速度快,一般只能在要求不高的场合使用,适合对柴油机转速控制作初步的研究[4]。
1.1 柴油机模型
考虑以柴油机齿杆位移为输入,柴油机转速为输出的单输入、单输出系统,同时考虑延迟并作线性化处理,可将柴油机近似为一个一阶惯性加延迟环节。
非增压柴油机的运动方程可描述为:
式中:Ta—柴油机时间常数,ω(t)—柴油机曲轴的转速,η(t)—控制供油量的齿条位移,λ(t)—柴油机负载和干扰引起的扰动,τ—齿条位移的纯滞后时间。
若设扰动λ(t)=0,对式(1)进行拉普拉斯变换,可得柴油机转速Ω(s)与齿条位移H(s)的传递函数,即由一个一阶惯性加延迟环节构成的柴油机简化模型。如下:
对于增压柴油机,增压器对整个装置的动态特性有很大影响,可像Fowler一样增加对应的模型。由于实际系统是非线性的,线性化模型的参数与工况有很大关系,当研究大幅变动工况时,可以采用分段或分区线性化模型,近似为此模型[5]。
1.2 直流电动机模型
直流电动机模型通常简化为:
式中:Tm—电动机机电时间常数,ω(t)—电动机转速,ua(t)—电动机电枢电压,Mc(t)—折合到电动机轴上的总负载转矩,K1、K2—电动机相关系数。
在式(3)中,若令Mc(t)=0,通过拉普拉斯变换,可得电动机转速Ω(s)与电枢电压Ua(s)的传递函数,即由一个一阶惯性环节构成的直流电动机简化模型[6]:
比较式(2)和式(4)可知,柴油机和直流电动机转速模型均可简化为一阶系统模型。通常柴油机齿条位移的纯滞后时间τ值较小,若忽略τ,直流电动机与柴油机模型相似,而且可以通过更换直流电动机附加的同轴飞轮质量块来改变电动机的转动惯量,用来模拟不同类型的柴油机。
2 硬件构成
半实物仿真平台采用NI公司PXIe 1062Q机箱、PXIe 8108控制器作为开发管理平台,采用c RIO-9114机箱、c RIO-9024控制器及AO 9264模块和AI 9205模块等组成现场监控装置。该监控装置适应恶劣环境,抗冲击性能好,能够应用于实验室以及机舱环境的实时控制、各种信号的同步采集及处理等。PXIe 1062Q为提供每插槽1 GB/s的专用带宽和超过3 GB/s的系统带宽的8槽机箱;PXIe 8108控制器配备2.53 GHz双核T9400处理器、800 MHz DDR2内存和1 GB/s的系统带宽,可显著缩短PXI Express和基于Compact P-CI Express自动化系统的测试时间;c RIO-9114是一款八槽嵌入式机箱,采用Xilinx Virtex-5可重新配置的I/O(RIO)FPGA LX110核心,能高效执行特定任务,同步执行并行任务,具有高的可靠性;c RIO-9024控制器为800 MHz Freescale工业实时处理器,能可靠执行Lab VIEW Real-Time应用程序,实现实时控制、数据分析、记录和通信等功能;AO 9264模块和AI 9205模块作为c RIO上可热插拔的I/O模块,具有内置式信号调理功能,分别提供16路模拟输出和32路模拟输入通道,每通道均可直接与传感器和激励器相连。
本研究设计的直流电动机转速监控试验平台硬件结构图如图2所示,PXIe 1062Q机箱内配置PXIe8108控制器、外接显示器,作为整个控制程序的开发管理平台,在监控应用软件中承担初始参数的设置、状态参数及图表的显示、数据纪录和实验过程的管理;通过以太网线连接c RIO-9114机箱,该机箱配置c RIO-9024控制器,插有9264 AO模块和9205 AI模块,实现控制信号输出和测量信号的采集;被控对象选用清华大学的小功率SYL-5E2型永磁式直流力矩电动机,通过联轴器与70CYD-1型永磁式直流测速发电机相连;采用学校自制的功率放大器,将AO模块输出的控制信号功率放大后驱动电动机,并对测速发电机的转速信号进行处理。
3 控制的实现
3.1 控制算法简介
船舶柴油机的控制算法,根据船舶航行的各种工况和柴油机所承担的负载特性进行设计和选择。本研究选用自动控制领域最常用的PID控制,利用LabVIEW编程实现算法,其算法如下:
式中:u(t)—输出量,e(t)—偏差量,Kp—比例系数,Ti—积分时间常数,Td—微分时间常数。
在PID调节规律中,Kp起主要作用,Ti起消除静差的辅助作用,而Td则起抑制偏差变化的辅助作用。
3.2 Lab VIEW软件介绍和程序设计
Lab VIEW采用图形化编程方式,提供丰富的界面控件和驱动程序,是一个功能强大的应用程序开发及调试环境。根据柴油机半实物仿真试验平台的硬件配置,可以在3种应用环境下进行Lab VIEW编程设计:运行在PXI机箱的主机VI、运行在c RIO实时控制器的Real-Time VI和FPGA I/O端口的FPGA VI。不同的编程环境,实现的功能不同。
PXI机箱通过传统的DAQmx驱动实现触发式I/O任务,而在c RIO硬件平台上,可利用Lab VIEW FPGA直接通过I/O节点函数完成读/写模拟或数字通道;c RIO RT控制器定时较PXI嵌入式控制器精确,一般是微秒级的,而FPGA操作位于硬件层,逻辑可靠,实时响应可以达到纳秒级。对于直流电动机这种简单的被控对象,使用传统PXI嵌入式控制器或者RT控制器就已足够,考虑日后拓展到更复杂的船舶自动化监控系统,对几种编程环境均进行了运用。
在程序设计中,PID控制模块可选用Lab VIEW控制与仿真工具包中的PID图标直接进行配置,并且在前面提到的3种编程环境中均能实现。本次试验对3种环境中的PID控制均进行了尝试,下面是在实时响应最高的FPGA环境下编写的直流电动机转速PID监控程序:
FPGA VI,是直流电动机转速监控程序的核心部分,完成包括I/O端口连接(含控制信号输出和测量信号的采集)、PID控制模块,程序框图如图3所示。运行在c RIO RT控制器上的Real-Time VI,是连接FPGA的转速监控主程序,FPGA VI中的输入控件和显示控件可作为寄存器,在程序中进行读取和写入,并建立FPGA VI和Real-Time VI的通信同步;由于RT控制器存储空间有限而不支持文件存储,对采集的大量实时数据,本研究采用TCP/IP通讯方式将数据传递至主机VI进行存储,以便于数据的查询;程序包括用户界面设计、初始参数设置、图形显示和状态参数的存储、TCP发送、超限报警和辅助管理等部分,程序的前面板界面和框图设计分别如图4、图5所示;运行在PXI机箱中的主机VI,主要完成TCP数据读取与存储,程序框图如图6所示。
更换质量更大的直流电动机同轴飞轮块后,调节PID参数,前面板图表显示界面如图7所示,同图4前面板中图表信息相同,给定电压值初设定为2 V,变化曲线为测量电压值。
3.3 实验分析
笔者针对上述实验,分析如下:
(1)设定不同的PID控制参数,观察转速监控主程序前面板的状态参数显示控件和测量电压监测图表,可以看到:采用纯比例控制,控制及时,调节比例参数始终存在静差;采用比例积分控制,测量值最终能稳定于给定值,但控制时间相对较长,积分参数设置过大会出现饱和现象;采用比例微分控制,相对纯比例控制,静差减小,但不能消失,由于微分环节的抑制偏差作用,系统稳定性得到提高,控制时间减短;图4采用PID控制,根据“先比例、然后积分、最后微分”的策略对Kp、Ti、Td共3个参量进行整定,通过调节,直流电动机转速控制效果良好。这些现象与PID控制的特点一致[7]。
(2)更换质量大的直流电动机同轴飞轮块后,仍采用图4 PID控制参数,直流电动机转速控制过渡过程时间过长,控制很不理想。根据被控对象惯性较大的特征,调节增大比例和微分参数,控制效果得到改善,如图7所示。将其与图4中图表界面比较,明显大质量飞轮块较小质量的上升时间长,这是由于直流电动机同轴飞轮块的改变引起电动机转动惯量变化,而直接影响公式(4)中电动机的机电时间常数造成的。
4 结束语
本研究选用与柴油机数学模型类似的直流电动机,作为柴油机半实物仿真的控制对象,通过LabVIEW设计编程,初步采用PID控制策略对电动机进行转速监控,测试了PID 3个参数对被控对象的影响,并通过更换飞轮质量块模拟了不同柴油机的控制效果,为开展柴油机实物的信号监测和控制算法研究奠定了基础。另外,本实验采用的以c RIO为核心的NI硬件监控装置,实时控制效果好,并可同步进行多路模拟和数字信号采集,对开展船舶机舱自动化的控制研究有较好的应用前景。
参考文献
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[6]胡寿松.自动控制原理[M].5版.北京:科学出版社,2007.
柴油机转速 篇5
柴油机属于往复式机械, 其故障诊断是机械设备故障诊断的难点, 而瞬时转速信号与缸内压力息息相关, 其中携带着大量机器运行信息, 并且信号测量方便, 这使得基于瞬时转速的柴油机故障诊断技术已成为研究热点[1]。目前常用的瞬时转速测量方法是使用磁电式传感器, 利用机器固有的编码盘 (一般为固定在主轴上的齿轮齿圈, 如飞轮齿圈) 进行测量。齿轮上的齿和齿隙依次经过磁电式传感器, 磁通和磁阻发生变化, 导致穿过线圈的磁通量发生周期性变化, 线圈中于是感应出类似正弦波的电压信号, 每个正弦波对应飞轮上一个齿。为了获得每个齿对应的瞬时转速, 只需要测量转过一个齿所需的时间, 可以用硬件计数法或软件计数法进行计算。磁电式传感器可以直接输出足够强度的电压信号, 价格低廉, 测取方便, 在恶劣环境中也能工作, 非常适合于柴油机的瞬时转速测试[2,3,4]。
在瞬时转速的测量过程中, 磁电式传感器是通过支架安装在机体上的。在柴油机高速运转过程中, 机体会产生剧烈的振动, 振动通过安装支架传至传感器, 传感器本身也会产生剧烈的振动, 由于中间传递环节的影响, 传感器和齿轮的振动不可能完全同步, 这将不可避免地对瞬时转速的测量带来影响。
2 传感器-齿轮相对振动对柴油机瞬时转速测量影响的机理分析
假设飞轮匀速旋转且不考虑其他因素影响, 磁电传感器输出信号应为近似的连续正弦波, 每个飞轮轮齿对应一个正弦波周期。各种影响因素对传感器输出信号的影响表现为对其进行频率和幅度的双重调制, 如图1所示。从传感器信号中计算瞬时转速, 其实质是一个信号的频率解调过程。但由于众多因素的影响, 传感器输出的是一个被多种因素调制的复杂的调频、调幅信号, 使瞬时转速的高精度计算十分困难。
传感器和齿轮的相对振动存在于三维空间的各个方向上, 如图2所示, 可以分解为三个方向的分振动:位于齿轮所处平面内且在传感器附近的齿轮法线方向的分振动, 这里称为x方向的振动;位于齿轮所处平面内且与传感器附近的齿轮切线方向的分振动, 称为y方向的振动;垂直于齿轮平面的分振动, 称为z方向的振动。考虑到齿轮齿面的宽度要比传感器的直径大得多, 故z方向的振动对传感器输出电压波形理论上影响甚微, 可以忽略, 所以这里只讨论x和y方向振动对瞬时转速测量的影响。
x方向振动的影响十分关键, 它与瞬时转速一起对载波进行频率调制, 直接影响瞬时转速的测量计算。y方向的振动会对传感器输出波形产生两方面的影响。
(1) 造成附加的传感器-齿轮间的距离波动, 这首先会产生额外的附加电压波形, 该波形与载波之间是相加关系。由于振动幅度一般远远小于齿轮的齿高, 故附加波形的幅值一般很小, 但不同的传感器安装支架会造成不同频率的振动, 从低频到高频的振动都可能产生, 甚至可能会与瞬时转速波动频率在同一频带, 难以用滤波的方法消除。
(2) 当传感器-齿轮间距较小时, 载波的幅值会较大, 反之会较小, 这样就会对载波进行幅度调制。
3 振动对柴油机瞬时转速测量影响的仿真模型
振动和瞬时转速波动会对磁电式传感器输出信号产生幅度调制和频率调制, 振动还会造成额外的附加电压波形。由于瞬时转速波动率很小, 一般在千分之几的水平, 所以可以忽略瞬时转速波动产生的幅度调制影响。故在此仅考虑三种因素的影响: (1) 振动产生的幅度调制和频率调制因素; (2) 瞬时转速波动产生的频率调制因素; (3) 振动产生的额外附加电压波形。
3.1 载波
均匀转速下磁电式传感器输出信号为近似正弦信号, 且差别较小, 故这里认为载波为标准正弦信号:
式 (1) 中:nave——内燃机平均转速 (r/min) , z——飞轮齿数;A0——传感器输出信号峰值。
3.2 瞬时转速波动造成的频率调制信号
内燃机瞬时转速变化主要由各缸压力和往复惯性力引起, 从仿真和实测数据看, 各缸负荷均匀时, 主要由基频和二倍频成分组成, 三倍频以上衰减很快, 故仿真时仅考虑其对转速波动产生的一、二倍频影响。其基频频率为:
式 (2) 中, m为气缸数目。
由瞬时转速引起的调频函数fins为:
式 (3) 中:A01、A02为各倍频频率调制系数。
3.3 振动造成的调制信号
考虑最简单的情况, 即传感器和齿轮间各方向的相对振动均为单频简谐振动, 假设x方向振动角频率为ωx, y方向振动角频率为ωy。
x方向振动速度vx直接影响传感器和齿轮顶部旋转方向的相对速度, 是造成频率调制的主要因素, 引起的调频函数为:
式 (4) 中:Ax为频率调制系数, 取决于振动造成的相对速度与齿轮顶部旋转速度的相对大小, 齿轮顶部旋转速度可认为等于平均转速与齿轮半径的乘积;而参照ISO10816-6, 不同类型柴油机正常振动速度上限在4.46~70.7 mm/s之间。
y方向振动位移μy改变传感器到齿轮顶部的间隙, 是造成幅值调制的主要因素。引起的调幅函数为:
式 (5) 中:Ay为幅值调制系数, 取决于改变间隙的相对大小。
3.4 振动造成的附加波形信号
仍然考虑简单的情况, 产生的附加波形为单频简谐信号。此时, 附加波形信号表达式为:
式 (6) 中:C0——附加波形信号幅值, ωc——附加波形信号频率。
3.5 综合信号
综合瞬时转速和振动造成的各项影响, 传感器输出波形表达式为:
对于该表达式, 可使用拉格朗日插值法进行瞬时转速计算[3], 用Matlab分别对三类振动影响因素进行仿真, 可察看它们各自对瞬时转速计算的影响大小。
4 振动对柴油机瞬时转速测量影响的仿真计算
下面以6-135G型柴油机为例进行模拟计算, 该型机为四冲程, 气缸数目为6, 飞轮齿数为125, 选取额定转速1 500 r/min进行仿真, 取A0为1 (归一化处理) 。根据实验数据, 在该转速下, 循环内转速波动幅度大致为±7r/min, 根据其各倍频成分比例取A01为0.003, A02为0.004。利用插值法计算得到的瞬时转速为每个齿对应一个值, 每循环共250个瞬时转速值。分析时得到有振动影响和无振动影响的250点瞬时转速值的差值, 对其进行峰值和标准差计算, 以此来衡量振动对瞬时转速测量的影响程度。
(1) 振动造成的调幅因素的影响分析
幅值调制系数Ay取决于改变间隙的相对大小, 传感器到齿轮顶部的安装间隙一般在1~3 mm左右, 参照ISO10816-6标准, 不同类型柴油机正常振动位移上限在71~1 125μm之间, 故幅值调制系数取为0.05~0.9区间;柴油机振动激励频率大部分在1 000 Hz以下, 故调制频率ωy取为发火频率的0.1~10倍区间。
首先, 固定幅值调制系数为0.3, 改变幅值调制频率进行计算, 得到瞬时转速的影响峰值和标准差如表1所示。然后, 固定幅值调制频率为一倍发火频率, 改变幅值调制系数进行计算, 得到瞬时转速的影响峰值和标准差如表2所示。
(2) 振动造成的调频因素的影响分析
频率调制系数Ax取决于振动造成的相对速度与齿轮顶部旋转速度的相对大小, 齿轮顶部旋转速度可认为等于平均转动角速度与齿轮半径的乘积;参照ISO10816-6标准, 不同类型柴油机正常振动速度上限在4.46~70.7 mm/s之间, 故频率调制系数取为0.000 1~0.01区间;调制频率设置与调幅频率相同。
首先, 固定频率调制系数为0.001, 改变调制频率进行计算, 得到瞬时转速的影响峰值和标准差如表3所示。然后, 固定频率调制频率为1/3倍发火频率, 改变频率调制系数进行计算, 得到瞬时转速的影响峰值和标准差如表4所示。
(3) 振动造成的附加波形因素的影响分析
附加波形幅值较小, 根据实验测试数据取为0.01, 改变振动频率进行计算, 得到瞬时转速的影响峰值和标准差如表5所示。
5 结论
通过对6-135G型柴油机进行的瞬时转速模拟计算结果分析, 可得到如下结论。
(1) 传感器与齿轮切向振动产生的频率调制因素对于瞬时转速测量影响最大, 在常见振动范围内一般随着振动频率和幅度的增加而增大, 带来的误差已经达到和正常瞬时转速波动同等级的甚至超过的程度。
(2) 振动造成的附加波形因素对于瞬时转速测量影响明显, 在常见振动范围内一般随着振动频率增加而增大。
(3) 传感器与齿轮法向振动产生的幅值调制因素对于瞬时转速测量影响较小, 在是振动频率较低时可以忽略。
(4) 振动造成的调频干扰和附加波形对瞬时转速测量计算的影响很大, 必须设法进行误差消除。对远离载波中心频率的干扰成分可使用带通滤波手段去除;对于载波附近频段的干扰, 可在保留转频、发火频率及其倍频的前提下, 使用梳状滤波器尽量将其去除。
摘要：柴油机瞬时转速信号包含大量机器故障信息, 但高精度测量非常困难, 传感器和测速齿轮相对振动就是其中一个重要影响因素。分析了相对振动误差的来源和构成, 并得到了在振动干扰下磁电式传感器输出信号的理论表达式;仿真计算结果表明传感器与齿轮切向振动产生的频率调制因素对于瞬时转速测量影响最大, 法向振动产生的附加波形因素对测量影响明显, 幅值调制因素对于瞬时转速测量影响较小。
关键词：柴油机,瞬时转速,振动,仿真
参考文献
[1]刘卫国.内燃机瞬时转速的测量[J].内燃机学报, 1999 (4) :388-390.
[2]孙云岭, 朴甲哲, 张永祥.插值算法在内燃机瞬时转速测量中的应用研究[J].内燃机学报, 2002 (4) :335-338.
[3]叶耀泉.内燃机车停车制动系统浅析[J].机电工程技术, 2012 (7) :222-224.
柴油机转速 篇6
当柴油机处于正常运转时, 转速通过调速器的自动调节来实现, 这时, 转速保持在稳定的状态中。不过, 在柴油机实际工作的过程中, 经常会发生转速不稳的现象, 从而影响了柴油机的性能, 也增加了油耗量, 导致经济性降低, 甚至情况严重时, 柴油机的使用寿命会受到严重的影响, 基于此, 对柴油机转速不稳原因的分析有着十分重要的意义。
1 柴油机转速不稳的原因
1.1 燃油系统故障
燃油系统是柴油机运转的保障, 当燃油系统出现故障时, 会对柴油机转速产生一定的影响。燃油系统在工作的过程中, 需要一定的压力, 当压力比较低时, 燃油系统的供油量就会出现不足的情况, 而且供油也不会均匀, 进而导致柴油机出现转速不稳的问题[3]。另外, 当燃油进气时, 也会导致燃油系统产生故障, 进而造成转速不稳。一般来说, 造成燃油进气的主要原因就是燃油粗滤器的密封出现了不严的情况, 或者出现污堵问题。
1.2 调速器故障
调速器故障主要表现在三个方面:第一, 调速器中会设有调速弹簧, 正常自动调节时, 弹簧必须要具备一定的弹力, 以便于保证调速的灵敏性, 然而, 当弹簧的弹力降低时, 调速的灵敏度也会相应的降低, 进而影响柴油机的转速, 出现时高时低的状况;第二, 在调速器工作的过程中, 会产生零件磨损的情况, 这其中, 油泵油量调节臂与调速杠叉槽、驱动盘之间的磨损比较严重时, 调节器的性能就会受到很大的影响, 进而出现转速不稳的情况;第三, 调速器在使用一段时间之后, 就需要进行内部润滑工作, 同时, 还需要对调速器内部进行检查, 当内部润滑不符合规定、内部检查不彻底时, 就会导致内部零件的正常工作受到阻碍, 进而导致柴油机的转速无法稳定。
1.3 喷油泵故障
喷油泵故障主要表现在三个方面:第一, 燃油系统在燃油的过程中, 可能会含有一些机械杂质, 当这些机械杂质进入到喷油泵中时, 泵内的柱塞偶件就会受到比较严重的磨损, 进而大量的增加泄漏量, 最终对柴油机转速产生影响[1];第二, 喷油泵内含有供油齿杆, 正常状态下, 其运动具有较高的灵活性, 然而, 当供油齿杆发生变形、柱塞套失圆变形等现象出现时, 其灵活性就会受到严重的影响, 导致其运动发涩, 出现转速不稳;第三, 凸轮轴与轴向之间具有一定的间隙, 在凸轮轴工作的过程中, 会不断地发生磨损, 这时, 间隙就会增大, 进而产生轴向移动现象, 造成油量时大时小, 受此影响, 转速也就会时高时低。另外, 当连接杆连接不当、喷油器状态不良时, 都会导致柴油机转速不稳的现象产生。
2 柴油机转速不稳处理方法
2.1 燃油系统故障处理方法
燃油系统故障处理的核心思想便是保证燃油系统的正常工作, 可以从以下几个方面来入手:为了保证燃油中不含有空气和水分, 就需要将空气和水分放掉, 燃油系统在工作的过程中, 会对柴油进行过滤, 要定期对过滤器进行清洗, 以便于在供油时, 油量能够保证充足, 同时也保持在通畅的状态中;定期的检查喷油器, 避出现滴油、漏油等问题, 如果在检查中出现这些问题, 可以进行适当的处理, 如果无法处理, 就需要更换喷油器偶件, 另外, 还需要保证喷油器的雾化效果。通过一系列的检查之后, 可以保证燃油系统的正常工作, 进而保证油量供应充足, 同时, 油量均匀, 避免出现转速不稳的现象。
2.2 调速器故障处理方法
定期对调速器有关零部件进行检查, 在检测中如果发现某个零部件存在故障隐患, 要及时的进行修理, 以便于保证其工作的过程中无任何故障信息[2];当调速器的机油出现多余时, 要及时的将机油放出去;调速器在工作的过程中, 一些运动件的磨损比较大, 当磨损情况比较严重时, 就需要对运动件进行修理, 如果磨损情况过于严重, 就需要更换运动件;定期检查弹簧的弹力, 保证弹簧的弹力符合要求, 当弹簧的弹力过分降低时, 就需要更换弹簧。经过这些检查和修理措施之后, 可以保证调速器正常的运行, 进而保证柴油机的转速保持在稳定的状态下。
2.3 喷油泵故障处理方法
在喷油泵中, 比较容易出现故障的零件有柱塞、齿条、弹簧等, 在喷油泵工作的过程中, 要重点检查这些零件的运行状况, 当需要更换时, 及时的更换, 以便于保证喷油泵正常的运行;喷油泵在工作的过程中, 通过油量调节臂来保证油量的供应, 在进行检查时, 需要对油量调节部件十分的注意, 以便于保证油量供应均匀;供油齿杆在工作的过程中, 齿杆与齿圈之间会发生磨损, 当磨损比较严重时, 供油齿杆的灵活性就会受到严重的影响, 需要进行检修或更换。
3 结论
综上所述, 内燃机车柴油机转速不稳出现的原因主要有三种, 针对影响转速的原因, 制定了相应的处理措施, 进而有效的保证了柴油机转速处于稳定的状态, 这样一来, 柴油机就可以正常运转, 并提高了运转的稳定性, 同时, 还保证了柴油机的使用寿命。
参考文献
[1]杨茸霖.内燃机车柴油机的常见故障及处理探讨[J].科技风, 2013 (24) :144.
[2]梁滨.GK1D型内燃机车“柴油机启动后无法调速”故障的分析与处理[J].科技创新与应用, 2014 (32) :110.
柴油机转速 篇7
舰船柴油机并车推进装置(combined diesel and diesel,CODAD)由2台或多台柴油机通过并车齿轮箱驱动螺旋桨工作,具有可靠性高、生命力强、功率覆盖范围广等优点。但其工作范围变化较大,运行工况和运行环境复杂,运行参数之间及被控对象与船体阻力状态之间的相互配合存在着十分复杂的非线性关系,控制难度大。为确保该型推进装置在各种运行工况均具有良好的转速控制适应性,保证柴油机主机能充分发挥其性能并可靠工作,改善装置的动态特性具有重要的意义。
对柴油机推进装置而言,柴油机转速受调速器制约。舰船用柴油机调速器通常为全制式,其负荷控制方法为油门限制。应用单一的调速器进行推进装置转速控制存在一些弊端,如在控制系统设计时,基于某种运行工况设计的最优控制器无法使系统在全工况范围内均具有优良的特性;在工作制变化或出现外部环境干扰时,柴油机容易偏离设计工作点,出现超负荷或轻载的情况。参考文献[1]认为传统的推进系统涉及转速控制时,其本质上是转速调节,强调了在变工况(如加减速)时改善柴油机动态性能的重要性,提出了基于螺旋桨转矩需求预测的船用柴油机控制程序,提出了转矩预测算法以改进柴油机的控制,将基于控制动作的转矩预测叠加到标准的PI调速器上,使得在极端条件下柴油机的运行点靠近额定工作点(MCR)。参考文献[2]认为在设计时,只部分地考虑了柴油机在复杂海况及加减速运行时的超负荷问题,而没有从全系统的角度进行考虑,因此提出了适用于定距桨推进装置的转速控制自适应算法。参考文献[3]针对在波动的海况下,推进装置中柴油机齿条和调距桨螺距的循环波动产生的不利影响,在负荷控制的基础上,增加一个最优控制器(由观测器与控制器组成),观测桨轴的负荷、柴油机转速和齿条位置及螺距角的近期数据,据此预测桨轴可能负荷,通过优化算法生成最优控制方案对反馈给调速器的信号进行修正,最大可能地保证柴油机转速的稳定性。参考文献[4]将自适应控制技术应用到这种负荷控制系统中,其主要思想是在动态过程或扰动过程中对控制系统参数适时调整以适应其变化,从而达到改善推进系统动态性能的目的。
增益调度(gain scheduling)作为一种非线性控制设计方法,在许多领域中获得成功应用[5,6,7,8]。在工程实践中,常采用增益调度方法控制动态特性随操作条件变化的这类较难控制的非线性对象。将增益调度方法应用于柴油机推进装置的转速控制中,为柴油机推进装置动态性能的改善提供了新的解决方法。
本文深入分析增益调度自适应控制策略,在所建立的舰船动力装置模块化性能仿真模型库的基础上,搭建柴油机并车推进装置的性能仿真模型。采用数值计算的方法,深入研究不同增益调度策略的控制响应,分析其控制效果和有效性。结果表明:离散型增益调度算法能够较好地改善工作制等内部干扰对柴油主机转速控制的不利影响,连续型增益调度算法能较好地改善外部干扰对柴油机主机转速控制的不利影响。测量精度、实时性和适应性是选择增益调度变量的重要标准。本文工作为舰船柴油机并车推进装置的控制策略优化建立理论和计算基础。
1 CODAD推进装置仿真模型的建立与校核
针对舰船动力装置性能仿真的需求,建立了模块化的模型库,不同配置的推进装置通过模型的搭接,可以建立各自的性能仿真模型,为数值分析提供了条件保障。本文分析的柴油机并车推进装置由2台主机通过液力偶合器经齿轮箱驱动调距桨工作,其中主机为带电子调速器的大功率柴油机。针对这一动力装置系统分别建立了各子系统的仿真模型。其中柴油机部分采用修正的准稳态模型,电子调速器是PI控制型模型,传动装置考虑液力偶合器的滑差、齿轮箱减速比与功率损耗。在建模过程中,增压器压气机特性、调距桨特性、船体阻力特性等采用神经网络方法建立模型。图1为按照面向对象的原则,按照能量产生、转化、传递、消耗等整个能量流的传递过程,针对柴油机所建立的模块化数学仿真模型框图。整个柴油机系统模型可大致划分为缸内过程计算、相继增压系统、供油系统、滑油系统、冷却系统等部分。
在能量系统模块结构示意图中,六边形表示能量源模块ES(energy source)。能量源主要包括燃料的化学能或核能,柴油机使用的主要是燃料的化学能。椭圆形表示能量使用模块,M(mechanical)代表机械能;Q(heat)代表热能;E(electrical)代表电能;H(hydraulic)代表液压能;A(pneumatic)代表空气压力能。矩形表示能量传递和转换模块,ES/M代表能量源转换为机械能;ES/Q代表能量源转换为热能;M/M代表机械能的传递,包括机械损失;M/Q代表机械能转换为热能;M/H代表机械能转换为液压能;Q/M代表热能转换为机械能;M/A代表机械能转换为空气压力能;Q/Q代表热能的传递。
调速器采用PI控制算法,油量的大小受到不同转速下的最大喷油量限制。螺旋桨推力系数和扭矩系数由BP神经网络根据螺旋桨特性曲线训练拟合。神经网络模块的输入为螺距比H/D与进速系数J,通过神经网络计算得到推力系数KP或扭矩系数KQ的具体数值。螺旋桨推力p和水动力矩MP的计算如式(1)和式(2)所示。
式中,ρ为海水密度;np为螺旋桨转速;D为螺旋桨直径。
模型建立后,根据已有的性能参数对该模型进行了必要的校核分析,主要包括柴油机、液力偶合器、调距桨等装置部件的参数校核,整套推进装置稳态工况仿真与运行数据的校核,以及加速动态性能校核等内容。表1为所研究的柴油机试验数据与仿真值的比较。通过校核与修正,不同工况下并车推进装置系统各参数的仿真值与试验值较接近,该模型的可靠性可以接受,可以作为后续分析优化的基础。
2 增益调度策略的实现方法
增益调度控制实际上是一种开环自适应控制,在很多情况下过程动态特性随过程的运行条件而变化,动态特性变化的原因可能是由已知的非线性特性所引起,这时就能够通过监测过程的运行条件来调整控制器的控制参数,这种思想称为增益调度。在补偿过程参数变化或补偿对象已知非线性方面,基于对过程运行条件测量的增益调度控制通常是一种有效的方法。图2为增益调度控制的原理框图。
增益调度也可视为一种特殊的反馈控制系统,其反馈增益由前馈补偿实现。设计增益控制系统的主要问题是寻求适当的调度变量,通常是基于系统的物理机理,当调度变量确定后,采用一些适当的设计方法,便可在各种运行条件下算出调节器的参数。因此,可针对每种运行条件,对调节器参数进行整定或标度。对于系统的稳定性和其他性能,一般情况下通过仿真试验来对其作出评价和选择。增益调度控制的优点在于,它能很快地调整调节器的参数以适应对象特性的变化,没有参数估计问题。因此,其限制因素仅取决于辅助测量变量响应过程变化的速度。增益调度控制的缺点在于,它只是一种开环补偿,而且设计相当费时,它的调节器参数必须在很多运行条件下分别进行确定,而系统性能又必须通过广泛的仿真试验进行检验。
并车推进装置在运行过程中特性的变化可以认为是由内部扰动和外部扰动这2种干扰引起。内部扰动主要表现在不同工作制的变化,如本文研究的对象主要是四机双桨工作、双机双桨工作、双机单桨工作及单机单桨工作等工作制;而浅水、窄航道航行、装载量变化、船体污底、风浪及是否拖带等因素造成的阻力特性变化所引起柴油机推进装置重载或轻载的情况属于外部扰动。内部扰动可以明确地区分,而外部扰动无法事先精确地预测。不论是外部扰动还是内部扰动,对推进系统而言均使柴油机的负荷特性发生了变化,使船机桨匹配性能恶化。
3 不同增益调度方法的数值计算与分析
对于柴油机并车推进装置而言,在“船-机-桨”系统阻力特性不变的情况下,由工作制的改变所造成的内部扰动是确定且可预知的;当存在外部扰动造成系统阻力特性改变时,其配合状态的变化情况是不可预知的。若以四机双桨额定工作制下的配合曲线为基准,因为在实际运行过程中不可避免地存在内外部扰动,则船机桨系统会偏离设计的配合曲线,出现重载或轻载的情况。这时,在设计工况下确定的最佳控制参数就无法达到最佳的控制效果。
3.1 离散型增益调度算法分析
离散型前馈增益调度是一种最简单的方法,适用于易于辨识的具有有限个运行工况变化的情况,如因工作制变化引起的推进系统特性变化(重载或轻载)的情况。该方法的控制原理如图3所示。其中,Fr为燃油齿杆位置;nD为柴油机转速;nS为轴系转速;Tp为螺旋桨推力;Qp为螺旋桨转矩;H/D为螺距比。
内部扰动主要表现在不同工作制的变化,可以通过离合器接脱排的开关量信号确定出具体的工作制,然后根据具体的工作制将控制器参数切换到该工作制下的最优控制参数。图4和图5为离散型增益调度控制策略的控制效果。
图4为四机双桨工作制下,主机设定转速从750 r/min阶跃至1 050 r/min的动态过程。可以看出,在四机双桨工作制下,若采用双机双桨工作制下的最优控制参数不能达到最佳的动态控制效果,主机输出转矩偏离其额定转矩较大,没有充分发挥出主机的动力性能。这时,适时地通过离散型增益调度策略将控制参数切换为四机双桨工作制下的最优参数,可以得到该工作制下最佳的动态控制效果。
图5为双机双桨工作制下,主机设定转速从530 r/min阶跃至720 r/min的动态过程。可以看出,在双机双桨工作制下,若采用四机双桨工作制下的最优控制参数,主机输出转矩会超过其额定转矩,一直处于超负荷状态。这时,适时地通过离散型增益调度策略将控制参数切换为双机双桨工作制下的最优参数,可以得到该工作制下的最佳动态控制效果。
3.2 连续型增益调度算法分析
离散增益调度方法与线性时不变LTI负荷控制器相比,在动态特性方面有很大的改进,但它只能适应因内部扰动引起的有限个运行工况的变化,对于因外部扰动引起的系统动态特性的变化(重载或轻载),需要采用连续型前馈补偿控制方法。采用这种控制方法必须通过直接或间接的方法测量能够判断工况变化的信号。外部扰动会直接造成船体阻力特性的变化,因此如果能够直接测量总的阻力“扰动”是实现这种控制策略的最有效方法。实现的方法有多种,如可以通过测量船在水中的实际航速Vs,再通过给定的伴流系数w进行修正而得到船的进速Va。Va一旦确定,通过螺旋桨敞水特性曲线可得到在给定的转速与螺距下的推力系数KT,由此求出螺旋桨的推力T,并根据推力与阻力的关系求出船体总的阻力R
式中,t为推力减额系数。减额系数t与伴流系数w均随船舶的航速、水深、排水量及船体表面情况不同而变化。尽管可以通过修正解决这些问题,但如果将T作为可直接测量的扰动信号,则更为简单可靠,而且在装有推力测量装置的推进系统中也是可以实现的。
图6为基于推力测量的连续型增益调度控制原理。在这种方案中,扰动信号(推力)测量后馈入增益调度表中,确定最佳增益值。虽然从理论上来说,这种方法比LTI控制器有明显改进,但必须研究全工况范围的灵敏性,以避免因模型的小偏差或测量信号的微小误差而导致选择的增益常数发生大的变化。另外,必须在前馈回路上设置低通滤波器以避免高频干扰信号的影响,滤波器的带宽必须略小于发动机的频率响应,这样可以保证系统不会被频率限制以外的信号激励。
推力的大小可以直接反映外部干扰的程度。将推力信号引入增益调度算法中,如果外部干扰引起的配合状态的变化在某2个工作制配合曲线之间变化,则将控制参数在2个工作制下的最优控制参数之间进行线性插值,可由线性算法实时调整控制器的控制参数
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式中,kP为比例控制系数;kI为积分控制系数;T为螺旋桨推力的实际测量值;kP1、kI1、T1、b1分别为工况1时的最佳比例、积分控制系数及螺旋桨的推力和常数;kP2、kI2、T2、b2分别为工况2时的最佳比例、积分控制系数及螺旋桨的推力和常数。
如果外部干扰引起的配合状态的变化在工作制配合曲线之外变化,即出现极端的重载或轻载的情况,则将控制器参数以最邻近的最优控制参数为基准外插,加上饱和限制,具体的外插曲线斜率和饱和点可通过实船试验来确定。
通过以上的调整策略,当扰动使配合曲线与某一工作制下的配合曲线重合时,控制器参数会自动调整为该工作制下的最佳控制器参数;当扰动使配合曲线上下波动时,则控制器参数会自动在邻近的2个最佳参数之间进行线性插值。图7为推力测量后馈入增益调度表的控制效果图。
图7为在四机双桨工作制下,由于外部干扰使阻力增大至4倍设计阻力时,主机设定转速从750 r/min阶跃至850 r/min的控制效果。可以看出,若采用原工况下的最优控制参数不变,会出现主机超负荷的现象,采用增益调度控制策略后,可以避免这一情况,推进系统的动态特性得到改善,使系统抵抗内外部环境干扰的能力大大增强。
另一个可能更为简单的前馈增益调度实现方法是间接法。在这种方案中,增益常数通过在线数据导出。实际上,扰动信号是从测量的转矩和实际的螺距及转速导出的。该方法的控制原理如图8所示。这种方法比直接法更有优势,因为它无须额外安装传感器(并不是所有推进系统都能直接测量推力)。
转矩的大小也可以反映外部干扰的程度。其大小可通过扭矩仪应变片的变形量来确定,还可以通过测量燃油齿条位置Fr来得到。将转矩信号引入增益调度算法中,根据转矩的变化适时地自动调整控制器参数,其调整策略可与基于推力测量的连续型增益调度调整策略一样:当扰动使配合曲线与某一工作制下的配合曲线重合时,控制器参数自动调整为该工作制下的最佳控制器参数;当扰动使配合曲线上下波动时,控制器参数自动在邻近的2个最佳参数之间进行线性插值;当出现极端的扰动情况时,控制器参数自动外插,同时加上饱和限制,保证系统的稳定性和可靠性。
3.3 增益调度变量的选择
从上文的分析可以看出,选择适当的参数变量来反映推进装置系统的内外部干扰是实现增益调度控制策略的关键,而增益调度变量的测量精度、实时性和适应性是选择参数变量的重要标准。对于本文研究的这种柴油机并车推进装置来讲,内部干扰信号可以通过离合器接脱排的开关量信号来准确地反映;外部干扰信号可以通过测量航速、螺旋桨推力、转矩、液力偶合器的滑差、主机油门齿条位置等连续变量来直接或间接地确定。
要较为精确地测量反映外部干扰的连续量参数,要求传感器的相对测量精度较高。一般来讲,螺旋桨推力和转矩的测量通过应变片变形原理测量,相对精度较高,但需加装传感器,这可以与推进装置监控系统结合在一起;油门齿条位置滞后于阻力特性的变化,且齿条位置的波动较大地影响了其相对精度;液力偶合器滑差可以前馈预测螺旋桨转矩,测量的实时性要好于油门齿条位置,但要求有足够精度的转速传感器,原因是在额定工况下,传动轴系测量转速误差1转,则滑差会有0.46的误差,相对误差为27%。
在参数变量的选择上还要根据具体舰船的实际情况来确定,如滑差信号只有在配置液力偶合器的推进装置中才出现,螺旋桨推力只有配备了专门的推力仪才能直接测量。
3.4 增益调度控制策略的实时性与适应性
增益调度控制策略工程应用的一个重要问题是系统的实时性和适应性。对于转速控制中推进装置内外部的干扰信号,如离合器的开关量信号、螺旋桨推力和转矩、液力偶合器的滑差、主机油门齿条位置等变量,实船监控系统可以连续进行实时监测,因此增益调度控制可以实时进行。另一方面,增益调度中控制器参数的切换,其效果主要反映在对转速控制动态特性的改善上,并没有过高的强实时性要求,系统控制的实时性主要由控制器的实时性所决定,而研究表明PI控制算法的实时性是较好的。
增益调度控制策略的适应性主要包括系统的抗干扰性和鲁棒稳定性。常规的PI控制器参数基于线性理论得出,当系统存在强非线性时,其控制的适应性难以保证。通过前面的分析可以看出,在存在工作制变化及阻力特性变化等内外部扰动的情况下,通过增益调度控制策略能够自适应地调整最佳PI控制参数,使柴油机转矩不超负荷,同时又能发挥出主机的性能,改善主机的转速控制性能。另一方面,调整前的控制参数和自适应切换后的控制参数都是经过仿真优化后的最佳参数,对于控制系统结构的摄动和参数的摄动均具有较好的鲁棒性。因此,增益调度控制策略具有较好的控制适应性。
4 结论
(1) 对于柴油机并车推进装置的转速控制问题,内部干扰主要是工作制等因素的变化,通过监测离合器信号,适时地将控制参数切换为新工作制下的最优参数,可以得到新工作制下的最佳动态控制效果。对于阻力特性变化引起的外部干扰,可以选择推力或者转矩作为反馈变量,导入增益调度控制表,对最佳控制参数进行连续调整,获得外部扰动下的最佳转速控制性能。
(2) 在进行增益调度变量选择时,内部干扰信号可以通过离合器接脱排的开关量信号来准确地反映。外部干扰信号可以通过测量航速、螺旋桨推力和转矩、液力偶合器的滑差、主机油门齿条位置等连续变量来直接或者间接地确定。增益调度控制策略具有较好的实时性和控制适应性。
(3) 增益调度转速控制策略能够较好地改善推进装置在内外部干扰情况下的动态性能。本文研究为舰船柴油机并车推进装置的控制策略优化建立了理论和计算基础。
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