一种柴油机含凸轮轴的轴系复合振动与调控耦合建模分析系统及其分析方法

摘要

本发明公开了一种柴油机含凸轮轴的轴系复合振动与调控耦合建模分析系统及其分析方法。包括PID控制器、执行器、瞬时喷油量模块、气缸压力模块、负载载荷、传动装置弹性轴系模块；执行器受控制参数调节输出控制电流，决定齿条拉杆位移，齿条拉杆位移量决定瞬时喷油量模块输出的喷油量，喷油量由气缸压力模块换算为汽缸压力输出给传动装置弹性轴系模块；传动装置弹性轴系模块的输入包括气缸压力和负载载荷，输出的各惯量瞬时转速响应中包含轴系复合振动特性，取凸轮轴惯量的瞬时转速响应作为反馈信号，与目标转速的差值输入PID控制器，构成闭环控制系统。本发明成功对PID控制参数进行预测，避免耦合振荡故障发生，保证实船运行的稳定性。

说明书

技术领域

本发明属于振动控制工程领域，尤其涉及一种用于柴油机电子调速器PID控制参数预测的 柴油机含凸轮轴的轴系复合振动与调控耦合建模分析系统及其分析方法。

背景技术

关于动力装置轴系振动与调控的耦合问题，在旋转机械如汽轮机、直升机等对可靠性要 求较高的行业中已得到广泛重视，在理论与实验上对汽轮发电机组电力并网过程中的自激振 荡现象做出解释，并对机电耦合模型、电网与轴系扭振关系分析模型以及燃-蒸联合机组的机 网耦合扭振仿真模型等均有较成熟的研究，例如，华北电力大学的徐衍会建立了机电耦合仿 真模型，分析了汽轮发电机组轴系失稳的原因(【1】徐衍会.大扰动下机电耦合引发扭转模态 式不稳定机理的研究[D].北京：华北电力大学，2003.)；华北电力大学的任福春阐述了汽轮发 电机组轴系扭振与调速、电网、发电机励磁、电力稳定器间的耦合作用，并指出避免措施(【2】 任福春.大型汽轮发电机组轴系扭振耦合问题[J].华北电力大学学报，1996(7)，30-35.)；华北 电力大学的付忠广总结了机网耦合与轴系扭振的关系，并给出分析模型(【3】付忠广.电力系 统扰动对机组轴系扭振影响的探讨[J].电力设备，2007(10)：5-9.)；上海交通大学的邓求恒建 立了燃气-蒸汽联合循环机组机网耦合扭振的仿真模型，分析不同类型、不同位置短路故障对 轴系各质量之间暂态力矩的影响(【4】邓求恒.大型燃气-蒸汽联合循环机组的机网耦合扭振 研究[D].硕士学位论文，上海:上海交通大学,2007.)。对于直升机领域，已有从传动链模型到 与发动机调控系统耦合模型到人-机-调速系统耦合模型，自简单到复杂的研究过程，例如， 中国直升机设计研究所的王辉、陈华等人，建立了直升机扭振系统与发动机控制系统的耦合 闭环系统数学模型，分析了稳定性及稳定裕度(【5】王辉，陈华，刘志文.直升机发动机控 制系统与旋翼/动力/传动扭振系统耦合稳定性分析.直升机技术.2002(4):19-23.)；国外研究者 MarilenaDP等人在研究传动链扭振与发动机燃油调控系统耦合振荡问题时，与飞行员的操作 质量相联系，传动链扭振只是人机耦合振荡闭环系统中的一个部分，给出人-机-调控耦合理 念(【6】MarilenaDP,MichaelJ,BinhD,etal.Adverserotorcraftpilotcouplings-Past,presentand futurechallenges.ProgressinAerospaceSciences.2013,62:1–51P.)。

然而在柴油机等往复机械方面，柴油机的转速控制与扭振是分开研究的，在船舶规范中， 对二者分别提出校核要求，却并不对耦合特性提出校核要求(【7】中国船级社,钢制海船入级 与建造规范,北京:人民交通出版社,2005,3(12).)，往复机械领域的耦合问题研究甚少。国内 外研究者在柴油机调控仿真分析方面的研究甚多，均将轴系处理为单惯量，不考虑轴系本身 的弹性及轴系的振动特性，例如，大连海事大学的杨彬及国外研究者FaroukNaeim等，建立 了柴油机转速控制系统仿真模型，改进PID控制算法(【8】杨彬.柴油机转速控制系统仿真分 析[D].硕士学位论文，辽宁：大连海事大学，2009：32-35P.)、(【9】FaroukNaeim,ShengLiu, SaidLeghmizi.Speedcontrolsystemonmarinedieselenginebasedonaself-tuningfuzzyPID controller.ResearchJournalofAppliedSciences,EngineeringandTechnology.2012,4(6):p 686-690.)。少数文献体现了对柴油机耦合问题的研究，本世纪以来，国外研究者PeyYuenTao 等为了减小螺旋桨引起的流体激励产生的轴系扭振，弹性轴系扭振模型中加自适应神经网络 的控制方法控制螺旋桨的转速波动，并进行了仿真研究，却只是考虑了螺旋桨部分的轴系扭 振特性(【10】PeyYuenTao，ShuzhiSamGe，TongHengLee.AdaptiveNeuralNetworkControl forMarineShaftingSystemUsingDynamicSurfaceControl.16thIEEEInternationalConference onControlApplications，1-3October2007:717-722P.)；哈尔滨工程大学的韩霄针对一特种工作 船的柴油机推进系统，建立了轴系扭振与调速控制耦合仿真模型，并对调试合理的控制参数， 仿真结果与实验结果吻合(【11】韩霄.4000吨工作船柴油机调速系统与推进轴系扭振耦合振 荡研究[D].硕士学位论文，黑龙江：哈尔滨工程大学，2015.)。

综上可知，轴系振动与控制系统耦合问题，在旋转机械领域有较多成果，然而在柴油机 等往复机械领域鲜有研究，柴油机调速控制系统稳定性研究中多将轴系处理为单一惯量，而 不考虑轴系本身的弹性及轴系的振动特性。其中有哈尔滨工程大学的韩霄建立了柴油机轴系 扭振与调控耦合仿真模型并进行了分析，但仅考虑了轴系的扭转振动特性，没有考虑轴系具 有扭振、横向、纵向的复合振动特性，在预估PID控制参数的稳定性分析过程中并未对轴系 复合振动的多个极点进行考虑；其轴系扭振模型并未考虑凸轮轴、正时齿轮系弹性结构。

发明内容

本发明的目的是提供一种能够对PID控制参数进行预测的，柴油机含凸轮轴的轴系复合 振动与调控耦合建模分析系统。本发明的目的还包括提供一种能够提高控制稳定性的，柴油 机含凸轮轴的轴系复合振动与调控耦合建模分析方法。

一种柴油机含凸轮轴的轴系复合振动与调控耦合建模分析系统，包括PID控制器、执行 器、瞬时喷油量模块、气缸压力模块、负载载荷、传动装置弹性轴系模块；

PID控制器通过内部设置P、I、D三个控制参数；

执行器、瞬时喷油量模块和气缸压力模块分别根据柴油机试验数据所得的三条特性曲线 即执行器电流与齿条拉杆位移关系曲线、齿条拉杆位移与喷油量关系曲线、喷油量与气缸压 力关系曲线进行拟合，执行器受控制参数调节输出控制电流，决定齿条拉杆位移，齿条拉杆 位移量决定瞬时喷油量模块输出的喷油量，喷油量由气缸压力模块换算为汽缸压力输出给传 动装置弹性轴系模块；

传动装置弹性轴系模块是将柴油机从曲轴到负载、正时齿轮系、凸轮轴的完整传动系统简化 为由多个转动惯量和弹性轴段组成的，具有扭转、回转、纵向振动复合振动特性的弹性系统 模型，传动装置弹性轴系模块的输入包括气缸压力和负载载荷，输出的各惯量瞬时转速响应 中包含轴系复合振动特性，取凸轮轴惯量的瞬时转速响应作为反馈信号，与目标转速的差值 输入PID控制器，构成闭环控制系统。

一种柴油机含凸轮轴的轴系复合振动与调控耦合建模分析方法，取凸轮轴惯量的瞬时转 速响应作为反馈信号，与目标转速的差值输入PID控制器，PID控制器通过内部设置P、I、 D三个控制参数；

执行器受控制参数调节输出控制电流，决定齿条拉杆位移，齿条拉杆位移量决定瞬时喷 油量模块输出的喷油量，喷油量由气缸压力模块换算为汽缸压力输出给传动装置弹性轴系模 块；

将气缸压力和负载载荷输入传动装置弹性轴系模块，输出各惯量瞬时转速响应。

有益效果：

根据文献查阅结果可知，在传统柴油机调速控制稳定性分析中，轴系简化为单一惯量从 而不考虑轴系弹性及振动特性，在船舶规范中分别对柴油机轴系复合振动及柴油机调速控制 提出要求，两者之间为不耦合的独立系统；传统的柴油机轴系振动特性分析时，并不对凸轮 轴、正时齿轮系的弹性结构进行考虑。

因此，本发明的优势在于：1、将传统调速控制稳定性分析中的单一惯量轴系模型还原为 多惯量、具有扭转、回转、纵向等复合振动特性的弹性系统模型；2、轴系模型包含有正时齿 轮及凸轮轴弹性结构，取凸轮轴惯量的瞬时转速波动作为闭环控制系统的反馈信号；3、在预 测PID控制参数及系统稳定性分析中，在传统柴油机调速控制系统极点的基础上增加了对轴 系复合振动的极点的考虑，从而提高预测所得PID控制参数应用于实船运行时的稳定性。

附图说明

图1是柴油机含凸轮轴的轴系复合振动与调速控制耦合结构示意图；

图2是柴油机含凸轮轴的轴系复合振动与调速控制耦合振荡发生机理图；

图3是4000吨特种工作船柴油机轴系振动与调速系统耦合仿真模型；

图4是原PID控制参数下，4000吨特种工作船轴系复合振动与调速控制耦合模型飞轮惯 量瞬时转速仿真结果；

图5是原PID控制参数下，4000吨特种工作船飞轮惯量瞬时转速实船测试结果；

图6是优化后PID控制参数下，4000吨特种工作船轴系复合振动与调速控制耦合模型飞 轮惯量瞬时转速仿真结果；

图7是优化后PID控制参数下，4000吨特种工作船飞轮惯量瞬时转速实船测试结果。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明做进一步详细说明。

本发明的目的是提供一种柴油机含凸轮轴的轴系复合振动与调控耦合建模分析方法，用 于预测柴油机电子调速器PID控制参数，以提高PID控制参数应用于实船运行时的稳定性。

本发明的目的是这样实现的：

1)将柴油机调速控制稳定性分析中的包含从曲轴到负载、正时齿轮系、凸轮轴的完整轴 系结构，简化为由多个转动惯量和弹性轴段组成的，具有扭转、回转、纵向振动等复合振动 特性的弹性系统模型；

2)柴油机调速控制过程以实船实验数据进行拟合，取多惯量轴系复合振动模型的输出凸 轮轴瞬时转速作为耦合控制系统的反馈信号；

3)通过将轴系复合振动与调控系统二者耦合起来，在对PID控制参数预估时，不仅考虑 柴油机调速控制系统极点对系统稳定性的影响，还增加对轴系复合振动模型极点对系统稳定 性的影响，这提高了预估所得PID控制参数的合理性和应用于实船运行时稳定性、安全性。

结合图1，柴油机含凸轮轴的轴系复合振动与调速控制耦合模型为闭环控制系统，其中的 传动装置弹性轴系模块为多惯量的，具有扭转、回转及纵向等复合振动特性，包含柴油机从 曲轴到负载、正时齿轮系、凸轮轴的完整传动系统；电子调速器的控制器为PID控制，执行 器、瞬时喷油量、气缸压力模块利用实验数据：执行器电流与齿条拉杆位移关系曲线、齿条 拉杆位移与喷油量关系曲线、喷油量与气缸压力关系曲线进行拟合；取凸轮轴惯量的瞬时转 速信号作为控制器反馈信号，构成闭环控制系统。

结合图2，可以说明柴油机轴系振动与调速控制耦合振荡发生机理，电子调速系统接收凸 轮轴惯量处的瞬时转速作为反馈信号，形成闭环控制系统。凸轮轴惯量的瞬时转速为轴系扭 转振动扭角响应的一阶微分，含有轴系复合振动特性，当该信号反馈至PID控制器，若经控 制器后未能将其中的轴系复合振动固有特性滤除，其中的轴系复合振动固有特性将一直传递 至气缸压力模块，作为传动装置弹性轴系模块的输入，而引起共振，该现象不断循环，从而 形成自激振荡现象。

结合实船案例，一艘4000吨特种工作船的柴油机推进系统，柴油机转速540r/min工况， 说明柴油机含凸轮轴的轴系复合振动与调控耦合建模分析方法应用于柴油机电子调速器PID 控制参数预测：

结合图3，以4000吨特种工作船的柴油机推进系统为研究对象，建立柴油机轴系含凸轮 轴的复合振动与调速控制耦合仿真模型，模型中控制器采用PID参数控制，柴油机的执行器、 齿条位移、喷油量的工作过程采用实船测试数据进行拟合，柴油机轴系模块为多惯量、具有 扭转、回转、纵向等复合振动特性的系统，取凸轮轴惯量处瞬时转速信号作为反馈，构成闭 环耦合控制系统。

结合图4、图5，基于4000吨特种工作船柴油机轴系振动与调速控制耦合仿真模型，将 PID参数设置为与实船控制参数一致，即P＝0.8、I＝0.6、D＝0.4。仿真模型计算结果见图4， 飞轮惯量瞬时转速波动量达到±22r/min；实船测试飞轮处瞬时转速结果见图5，波动量达到 ±21r/min。可见，仿真结果与实船测试结果吻合，转速波动量大，实船发生耦合振荡故障现 象。仿真模型可成功反演实船轴系耦合振荡现象。

结合图6、图7，基于4000吨特种工作船柴油机轴系振动与调速控制耦合仿真模型，对 PID控制参数进行优化，以得到瞬时转速波动小，运转平稳的一组合适的PID控制参数，从 而避免耦合振荡现象的发生。

经优化后柴油机转速540r/min时的PID控制参数为P＝0.28，I＝0.18，D＝0.4，优化后的飞 轮惯量处瞬时转速计算结果见图6，波动量达到±2r/min；将实船的控制器PID参数调整为该 优化后PID参数后，实船测试飞轮处瞬时转速结果见图7，波动量达到±3r/min。可见，实船 测试结果与仿真结果吻合，转速波动量小，实船轴系耦合振荡故障解除，成功对PID控制参 数进行预测，避免耦合振荡故障的发生，保证实船运行的稳定性。

本发明提供的是一种用于柴油机电子调速器PID控制参数预测的柴油机含凸轮轴的轴系 复合振动与调控耦合建模分析方法。

柴油机含凸轮轴的轴系复合振动与调控耦合模型包括PID控制器、执行器、气缸压力、 负载载荷、传动系统弹性轴系等几部分构成，PID控制器通过内部设置P、I、D三个控制参 数发挥控制作用，执行器受控制参数调节输出控制电流，决定齿条拉杆位移，齿条拉杆位移 量影响喷油量，喷油量换算为气缸压力，由此，执行器的模拟是根据柴油机试验数据所得的 三条特性曲线进行拟合，即执行器电流与齿条拉杆位移关系曲线、齿条拉杆位移与喷油量关 系曲线、喷油量与气缸压力关系曲线；弹性轴系模块是将柴油机从曲轴到负载、正时齿轮系、 凸轮轴的完整传动系统简化为由多个转动惯量和弹性轴段组成的，具有扭转、回转、纵向振 动等复合振动特性的弹性系统模型，弹性轴系模块的输入激励包括气缸压力和负载载荷，轴 系模块输出的各惯量瞬时转速响应中包含轴系复合振动特性，取凸轮轴惯量的瞬时转速响应 作为反馈信号，与目标转速的差值输入PID控制器，从而构成闭环控制系统，如图1所示。

本专利所提出的柴油机含凸轮轴的轴系复合振动与调控耦合建模分析方法，用实船测试 数据对柴油机工作过程进行拟合，同时重点对轴系弹性模型进行细化建模，使其保留实际传 动系统的扭转、回转、纵向振动等复合振动特性，在对电子调速器的PID控制参数进行预估 时，考虑柴油机轴系复合振动与调控耦合的影响。以此可增加预估PID控制参数应用于实船 的可靠性，避免因柴油机轴系复合振动与调控耦合而发生的自激振荡故障的产生。

图2给出了柴油机含凸轮轴的轴系复合振动与调速控制的耦合振荡故障发生机理，电子 调速系统接收凸轮轴惯量处的瞬时转速作为反馈信号，形成闭环控制系统。凸轮轴惯量的瞬 时转速为轴系扭转振动扭角响应的一阶微分，含有轴系复合振动特性，当该信号反馈至PID 控制器，若经控制器后未能将其中的轴系复合振动固有特性滤除，其中的轴系复合振动固有 特性将一直传递至气缸压力模块，作为传动装置弹性轴系模块的输入，而引起共振，该现象 不断循环，从而形成自激振荡现象。因此经柴油机轴系复合振动与调速控制的耦合模型预估 合理的PID控制参数，可避免轴系复合振动固有特性在闭环系统中循环而产生自激振荡。

图3-图7是以一艘4000吨特种工作船的柴油机推进系统在转速540r/min工况下运转时 的实船案例附图。依据本专利所提出的柴油机轴系复合振动与调速控制耦合模型，对该实船 案例建模见图3；依据仿真模型，将PID控制参数设置为与实船控制参数一致，仿真与实船 测试所得飞轮处的瞬时转速结果见图4和图5，可见波动量分别为±22r/min和±21r/min，结 果基本吻合，模型成功反演了实船自激振荡现象。

对柴油机540r/min工况下的PID控制参数进行优化预估，优化后所得飞轮瞬时转速仿真 结果见图6，波动量为±2r/min；将优化后的PID控制参数应用与实船控制器，实船测试所得 飞轮瞬时转速仿真结果见图7，波动量为±3r/min，结果基本吻合。此时实船转速振荡故障解 除。

实船案例分析说明，依据本专利所提出的柴油机含凸轮轴的轴系复合振动与调控耦合建 模分析方法，可以反演实船故障现象，可成功对PID控制参数进行预测，避免耦合振荡故障 的发生，保证实船运行的稳定性。