基于PID的柴电-燃联合动力装置双闭环控制方法

摘要

本发明的目的在于提供基于PID的柴电‑燃联合动力装置双闭环控制方法，包括两条并行运行的闭环控制回路，即轴转速控制回路1和转矩控制回路2；根据回路1计算出的燃机输出扭矩和回路2计算出的电机输出扭矩，相加得到原动机总输出扭矩，采集此时刻该原动机总输出扭矩下对应的传动轴转速，将总输出扭矩值和传动轴转速值反馈回控制器，进行循环采集、计算直至完成对传动轴转速的调节控制和原动机的扭矩负荷分配。本发明对于轴转速的控制不存在稳态误差，并且对于作用在轴系上的干扰具有一定的抵抗能力。能根据反馈回的转矩信号实时准确的分配转矩给燃机和电机。与传统的机械推进方式相比，并未出现齿条频繁调节的现象，保证了齿条调节机构的寿命。

说明书

技术领域

本发明涉及的是一种船舶动力装置控制方法。

背景技术

柴电-燃联合动力装置作为上世纪末出现的一种新型船舶动力装置，综合了电力推进和机械推进的优点。与目前流行的柴-燃联合动力装置(CODAG)相比，柴电燃联合动力装置降低了航行噪声和燃油消耗，同时简化了动力系统结构，维修和保障费用也有所降低，具有更高的动力性能和经济性，可以满足舰艇的高、低速性能及大续航力的要求。与更先进的全电力综合推进系统相比，对于电网容量的要求更低。这样一种综合了传统与现代推进方式之长的动力装置不失为目前舰船动力的好的选择。

对于用于机械推进的燃气轮机，传统控制方法是采取功率开环的方法。即：先初步确定燃气轮机在船舶不同航速下的供油量，再通过试航的方法将喷油量与航速之间的关系进行标定。现有的柴电-燃联合动力装置(如文献《基于半物理模拟的柴电-燃联合动力系统控制策略》中所提到的)沿用了燃机功率开环的控制方法，一般采取燃机功率开环-电机转速闭环的控制方法。这种方法需要对燃机进行费时费力的标定，而且无法控制燃机和电机之间的负荷分配，这就可能导致一台原动机长时间工作在极端工况下，进而影响整个动力装置的安全性。此外，因为燃机功率远大于电动机，所以有燃机参与的闭环控制方法对于外界扰动的抵抗能力也远大于开环的控制方法。

发明内容

本发明的目的在于提供避免了负荷分配不均和费时费力的航速标定，具有抗干扰能力强的优点，精确的实现了燃机和电动机之间转矩分配的基于PID的柴电-燃联合动力装置双闭环控制方法。

本发明的目的是这样实现的：

本发明基于PID的柴电-燃联合动力装置双闭环控制方法，其特征是：

包括两条并行运行的闭环控制回路，即轴转速控制回路1和转矩控制回路2；

回路1根据舰船运行需求设定传动轴转速，回路1计算传动轴给定转速与实际轴转速的差值N1，随后回路1根据转速差值N1通过转速PID计算出转速环燃机喷油量的变化率d_nShaft；

回路2采集传动轴的总输出扭矩，根据舰船需求按自定义的比例系数K计算出燃机的负载扭矩设定值和电机的负载扭矩设定值，然后回路2分别计算出当前燃机的实际扭矩值与燃机扭矩设定值的差值N2，以及当前电机的实际扭矩值与电机设定扭矩的差值N3，回路2根据转速差值N2、N3通过转矩PID分别计算出扭矩环燃机喷油量的变化率d_QGT和电机设定功率的变化率d_QE；

回路1将扭矩环燃机喷油量的变化率d_QGT乘以一个相对于d_nShaft的权值系数KGT后与d_nShaft相加，得到燃机喷油量的总变化率d_GT；将燃机喷油量的总变化率d_GT进行积分，得到燃机喷油量，采集此时该燃机喷油量下对应的燃机输出扭矩；

回路2将电机的设定功率的变化率d_QE乘以一个相对于d_nShaft的权值系数KE后与d_nShaft相加，得到电机功率的变化率dPower_s；将电机功率的变化率dPower_s进行积分，计算得到电机设定功率，采集此时该电机设定功率下对应的电机输出扭矩；

根据回路1计算出的燃机输出扭矩和回路2计算出的电机输出扭矩，相加得到原动机总输出扭矩，采集此时刻该原动机总输出扭矩下对应的传动轴转速，将总输出扭矩值和传动轴转速值反馈回控制器，进行循环采集、计算直至完成对传动轴转速的调节控制和原动机的扭矩负荷分配。

本发明还可以包括：

1、所述转矩PID为比例PID控制器，其输入e(t)与输出u(t)的关系如下式：u(t)＝Kpe(t)，其Kp为比例系数，转矩PID其输入是反馈回的燃机转矩和电机转矩之和QGT+QE与电动机的功率负荷系数K之积，输出是根据转矩确定的被控对象变化率d_QE。

2、所述转速PID为比例PID控制器，其输入e(t)与输出u(t)的关系如下式：u(t)＝Kpe(t)，其Kp为比例系数，转速PID其输入是反馈回的燃机转矩和电机转矩之和QGT+QE与燃气轮机的功率负荷系数1-K之积，其得到的是根据转矩确定的被控对象变化率d_QGT。

本发明的优势在于：

1.对于轴转速的控制不存在稳态误差，并且对于作用在轴系上的干扰具有一定的抵抗能力。

2.能根据反馈回的转矩信号实时准确的分配转矩给燃机和电机。

3.与传统的机械推进方式相比，并未出现齿条频繁调节的现象，保证了齿条调节机构的寿命。

附图说明

图1为基于PID的CODLAG装置双闭环控制原理图；

图2为采用本发明控制策略的CODLAG装置变负荷功率响应特性；

图3为在与图2相同工况下燃气轮机齿条的运动速率；

图4为本发明的流程图。

具体实施方式

下面结合附图举例对本发明做更详细地描述：

结合图1-4，本发明采用基于PID的双闭环控制方法，即转矩-轴转速双闭环。每个环的直接输出量都是被控对象的变化率，对于燃机来说是喷油量的变化率，对于电动机来说是设定功率的变化率。其中，转矩环根据预先设定的燃/电机之间的转矩分配比例和反馈回的转矩大小确定被控对象的变化率；轴转速环根据设定轴转速与反馈轴转速之差确定被控对象的变化率。综合考虑两个环反馈回的结果，确定最终的输出量。同时实现了柴电-燃联合动力装置的轴转速控制和负荷分配。

柴电-燃联合动力装置的控制方案中采用对控制对象的变化率加以控制的方式，变化率的输出值综合考虑了转矩环和转速环对其的加权贡献。对于燃气轮机来讲就是喷油量的变化率，其具体的控制方式如下：

d_GF＝k_GT·d_{GF_shaft}+d_{GF_Q}

其中：d_GF为燃气轮机喷油量的变化率(kg/s2)；d_{GF_shaft}为根据螺旋桨轴转速偏差值经PID计算得出的喷油量变化率；d_{GF_Q}为根据燃机输出扭矩偏差值经PID计算得出的喷油量变化率；，k_GT为燃机转速环相对于转矩环的权值系数。

柴电-燃联合动力装置的控制方案中采用对控制对象的变化率加以控制的方式，变化率的输出值综合考虑了转矩环和转速环对其的加权贡献。对于电动机来讲就是电机功率的设定值，其具体的控制方式如下：

d_PE＝k_PE·d_{PE_shaft}+d_{PE_Q}

其中：d_PE为电机设定功率的变化率(kg/s2)；d_{PE_shaft}为根据螺旋桨轴转速偏差值经PID计算得出的设定功率变化率；d_{PE_Q}为根据燃机输出扭矩偏差值经PID计算得出的设定功率变化率；k_PE为电机转速环相对于转矩环的权值系数。

本发明具体流程如下：

在转速环，PID控制器根据传动轴转速设定值nShaft_s与传动轴转速反馈值nShaft之差确定一个被控量的变化率d_nShaft。在转矩环中存在两个PID控制器，其中一个是燃机的转速PID控制器，另一个是电动机的转矩PID控制器。对于转矩PID控制器，这里转矩PID控制器是个比例PID控制器，其输入e(t)与输出u(t)的关系如下式：u(t)＝Kpe(t)，其Kp为比例系数。转矩PID其输入是反馈回的燃机转矩和电机转矩之和QGT+QE与电动机的功率负荷系数K之积，输出是根据转矩确定的被控对象变化率d_QE。

对于转速PID控制器，这里转速PID控制器是个比例PID控制器，其输入e(t)与输出u(t)的关系如下式：u(t)＝Kpe(t)，其Kp为比例系数。转速PID其输入是反馈回的燃机转矩和电机转矩之和QGT+QE与燃气轮机的功率负荷系数1-K之积，其得到的是根据转矩确定的被控对象变化率d_QGT。将d_QE乘以一个相对于d_nShaft的权值系数KE后与d_nShaft相加，得到电动机设定功率的变化率dPower_s。将d_QGT乘以一个相对于d_nShaft的权值系数KGT后与d_nShaft相加，得到燃机喷油量的总变化率dGT。最后将变化率对时间进行积分，得到电机设定功率和燃机喷油量。

参阅图4，本发明对控制器及控制对象的执行过程进行详细阐述：控制器中存在着两条并行运行的闭环控制回路，即轴转速控制回路1和转矩控制回路2。程序开始运行，回路1根据舰船运行需求设定传动轴转速(设定值)，然后回路1计算传动轴给定转速与实际轴转速的差值N1，随后回路1根据转速差值N1通过转速PID计算出转速环燃机喷油量的变化率d_nShaft。

程序开始运行，回路2采集传动轴的总输出扭矩(燃机输出扭矩与负载输出扭矩之和)，然后根据舰船需求按自定义的比例系数K计算出燃机的负载扭矩设定值和电机的负载扭矩设定值，紧接着回路2分别计算出当前燃机的实际扭矩值与燃机扭矩设定值的差值N2和当前电机的实际扭矩值与电机设定扭矩的差值N3，随后回路2根据转速差值N2、N3通过转矩PID分别计算出扭矩环燃机喷油量的变化率d_QGT和电机设定功率的变化率d_QE。

回路1将扭矩环燃机喷油量的变化率d_QGT乘以一个相对于d_nShaft的权值系数KGT后与d_nShaft相加，得到燃机喷油量的总变化率d_GT。将燃机喷油量的总变化率d_GT进行积分，得到燃机喷油量。采集此时该燃机喷油量下对应的燃机输出扭矩。

回路2将电机的设定功率的变化率d_QE乘以一个相对于d_nShaft的权值系数KE后与d_nShaft相加，得到电机功率的变化率dPower_s。将电机功率的变化率dPower_s进行积分，计算得到电机设定功率。采集此时该电机设定功率下对应的电机输出扭矩。

根据回路1计算出的燃机输出扭矩和回路2计算出的电机输出扭矩，相加计算得到原动机总输出扭矩。采集此时刻该原动机总输出扭矩下对应的传动轴转速。将总输出扭矩值和传动轴转速值反馈回控制器的控制回路里，进行循环采集、计算直至完成对传动轴转速的调节控制和原动机的扭矩负荷分配。