船用汽轮机转速控制方法研究

船用汽轮机转速控制方法研究

谷洋洋 张健 白钰

中国船舶集团有限公司第七〇三研究所 黑龙江哈尔滨 150078

摘要：船用汽轮机转速控制系统在汽轮机自动控制系统中占关键地位。由于负荷及供汽压力的扰动使系统存在不稳定性和延迟性。本文运用Matlab对传统PID控制器，模糊控制器，模糊复合PID控制器及模糊自适应PID控制器在汽轮机转速调节系统中进行建模仿真，对比分析它们的控制效果和特点。结果表明模糊自适应PID控制器较其他三种控制器在快速、稳定、鲁棒性取得了更好的控制效果。上述模糊自适应PID控制器也可应用在具有类似结构的复杂控制系统中。

关键词：船用汽轮机转速控制系统；模糊PID自适应控制器；建模；仿真

引言

船舶航行时，要求汽轮机转速总是跟随车钟指令。汽轮机系统属于自平衡系统，但当扰动出现时，转速有较大波动，当扰动消失时，转速不能自动回复到工况值，因此汽轮机的自动控制具有重要的意义。故本文提出了主汽轮机齿轮机组转速控制方案。

1 船用汽轮机组仿真模型

船用主汽轮机组主要由高压汽轮机和低压

汽轮机组成。倒车汽轮机设计在低压汽轮机内部。汽轮机采用喷嘴调节方式，在汽轮机前部设置速关阀和倒车阀

本文只对汽轮机正车工况进行仿真研究，倒车工况与之类似。将汽轮机的数学模型分成六个部分来描述，分别是：进汽量计算、调节级后气室压力的计算、膨胀做功计算、转子模型、转动惯量的计算和负载模型。

通过试验和计算，得到各部分近似数学模型，最后将各部分数学模型串联起来，得到整个机组的近似数学模型。利用Matlab中Simulink进行仿真的模型搭建。

汽轮机组本身属于自平衡系统，在理想的无扰动情况下，系统可以跟随给定值。但受扰动时，机组转速存在很大偏差。因此船用汽轮机必须装设调速系统以对航速进行精确调节。

2 船用汽轮机转速控制策略

船舶主汽轮机组存在着不确定干扰，如浪、涌、潮的扰动等，使控制系统存在着较大的不确定因素。要求控制方法必须具有克服强干扰和平衡控制效果的能力。

2.1 传统PID控制

根据控制理论，在PID控制器中，组成数学模型的比例、积分、微分三部分的作用分别是:

1) 比例环节: 成比例地反映控制系统的偏差信号，偏差一旦出现，控制器立刻产生控制作用，以减少偏差。

2) 积分环节: 主要用于消除静差，提高系统的无差度，积分作用的强弱取决于积分时间常数，该常数越大积分作用越弱，反之则越强。

3) 微分环节: 反映偏差信号的变化趋势并能在偏差信号变大之前，在系统中引入一个有效的早期修正信号，从而加快系统的动作速度，减少调节时间。

数字PID控制的误差输入为设定值与实际输出值的差值：

（1）

将偏差按积分、比例和微分进行计算，得出控制量，其控制规律表达式如下所示：

（2）

或写成传递函数的形式：

（3）

式中： ——控制器的输出信号；

——控制器的输入信号；

——比例增益，无量纲；

——积分时间常数；

——微分时间常数。

2.2 模糊控制

模糊控制系统一般由模糊控制器、输入输出接口、执行机构、被控制对象四部分组成，模糊控制器的设计步骤如下：

(1)确定模糊控制器的输入输出变量；

(2)设计模糊控制器的模糊控制规则；

(3)确定模糊化和非模糊化的方法；

(4)选择模糊控制器的输入输出变量的论域，确定模糊控制器的参数；

(5)编制模糊控制算法的应用程序；

(6)合理选择模糊控制算法的采样时间。

2.3 模糊PID复合控制

模糊控制器本身消除系统稳态误差的性能比较差,难以达到较高的控制精度。而PID调节器的积分调节作用从理论上可使系统的稳态误差控制为零，有着很好的消除误差作用。因此把模糊控制和PID调节器相结合在提高动态特性的同时增加稳态控制性能。

模糊复合控制器设计思想：在控制器中设置一个选择判断模块，当系统偏差变化较大时选择采用模糊控制器，当系统偏差变化较小时采用PID 控制。

2.4 模糊自适应积分分离PID控制器

比例环节是保证被控对象响应快速性的主导环节，容易形成模糊控制规则，比例环节采用模糊策略后已经隐含了微分功能，故微分环节采用常规PID策略；又由于被控对象具有自平衡能力，积分仅用于消除控制稳态时的静差，故采用积分分离的方式。因此仅对比例环节根据专家经验采用模糊控制的方法进行自适应整定。

在该系统中，模糊控制器的具体设计步骤如下：

a）选用单变量二维模糊控制器。

E、EC的论域均为：{－3，－2，－1，0，1，2，3}；

U的论域为：{－4.5，－3，－1.5，0，1.5，3，4.5}；

b）确定模糊变量的赋值表

c）建立模糊控制器控制规则表

根据专家经验可以得到如表1所示的控制规则表，共有49条模糊规则，可以由其余各条语句分别求出控制量u₂，…，u₄₉，则控制量u为模糊集合u，可表示为：

u=u₁+u₂+…+u₄₉ （4）

d）去模糊化

用加权平均法对论域中的每一个元素xi（i=1，2，……，n）进行判决，，输出模糊集合的隶属度 的加权数。从而得到：

（5）

用输出量化因子乘以x0以适应控制要求，从而可得到控制量的实际值。

根据上述步骤利用Matlab/Simulink软件进行离线计算，可以得到模糊控制器Kp的模糊控制表。

3仿真及结果分析

3.1 仿真模型

在Matlab/Simulink软件中将上节建立的控制器进行仿真，对比分析转速输出特性。单纯PID控制仿真模型即去掉模糊控制器。单纯模糊控制仿真模型是去掉PID控制器。模糊复合PID控制器是在模糊控制器与PID控制器之间加一个选择判断模块。

3.2 仿真分析对比

给定转速120r/min的阶跃信号，在时间t=300s和t=600s的时刻，系统分别受到-30%和+30%的负载扰动。

仿真得出PID控制汽轮机转速系统响应较快，但存在较大的超调量，稳态时无偏差，系统抗扰性能较强；模糊控制汽轮机转速系统响应快速性较好，但系统存在稳态偏差，抗扰动能力差；模糊复合PID控制汽轮机转速系统响应较PID控制系统快速性要好，超调量有所减少，稳态无偏差，抗干扰特性与PID控制保持一致。但实际工程应用中模糊复合PID控制方式存在局限性，模糊控制策略与PID的切换值较难判定，需要经过多次测试反复试验获得，大大增加技术人员参数整定的工作量；模糊复合PID控制汽轮机转速系统响应无超调，系统运行平稳，稳态无偏差，系统响应速度较快，抗干扰性强，满足工程设计需要。

4结论

本文针对汽轮机控制系统中的被控对象中存在的非线性、时变性等特点设计PID控制器、模糊控制器、模糊复合PID控制器及模糊自整定PID控制器。模糊自适应PID控制比模糊复合PID控制器设计的前期参数整定工作量少，控制精度更高，具有更强的自适应能力和鲁棒性，能够更好地适应在控制过程中外来扰动对系统的影响，保证系统的运行不会发生不必要的振荡，保持在稳定的状态中。

参考文献：

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[4]徐继友.化工项目自备电厂DEH系统模糊控制研究与应用，2017，西安科技大学硕士学位论文

[5]张申宇，马天兵，罗松松，王程. 基于模糊自适应PID 真空室温度控制的研究. 组合机床与自动化加工技术,2019,11(11): 92-95

作者简介：谷洋洋（1988-11），女，汉族，籍贯：吉林长春，当前职务：技术员，当前职称：工程师，学历：硕士研究生，研究方向：轮机工程。