何 勰， 王宏星(上海船舶運輸科學(xué)研究所 艦船自動化分所，上海 200135)

基于模糊PID的船舶電站負荷分配控制算法

何 勰， 王宏星
(上海船舶運輸科學(xué)研究所 艦船自動化分所，上海 200135)

船用設(shè)備的多樣性導(dǎo)致交流電力系統(tǒng)負載變化頻繁且快速，對船舶柴油機電子調(diào)速器的控制要求越來越高。對此,電站負荷分配控制器多采用擬合頻率及功率偏差并對其進行補償?shù)姆绞竭M行負荷分配。主要研究模糊PID控制算法在負荷分配控制器上的應(yīng)用，優(yōu)化調(diào)節(jié)脈沖有效電平占空比輸出，從而提高柴油發(fā)電機組的負荷分配控制性能。

船舶柴油機；調(diào)速器；模糊PID控制

0 引 言

近年來，隨著船舶種類的不斷增多，有較多應(yīng)用電力系統(tǒng)進行動力推進的船型出現(xiàn)。由于船舶電力系統(tǒng)負載容量增大、負載變化率加快，對船舶自動化程度的要求大大提高，對機組性能的穩(wěn)定性也提出了更高的要求。

現(xiàn)代船舶電站設(shè)備具有種類多、負荷高和變化頻繁等特點，要求船舶電站負荷分配控制算法能較好地契合各類船用調(diào)速器，以達到較優(yōu)的控制效果，使船舶電力系統(tǒng)穩(wěn)定運行。

1 船舶發(fā)電機組調(diào)速器調(diào)速原理

調(diào)速器能根據(jù)實際轉(zhuǎn)速與給定轉(zhuǎn)速之間的偏差對原動機的轉(zhuǎn)速進行調(diào)節(jié)。當(dāng)負載在0與額定負載之間變化時，調(diào)速器根據(jù)負載的變化情況自動調(diào)節(jié)噴油量，從而維持船舶電力系統(tǒng)的頻率在允許的范圍內(nèi)。一般船用發(fā)電機組的調(diào)速器屬于“定速調(diào)速器”[1]。為保證多臺發(fā)電機并聯(lián)時平穩(wěn)運行，船舶發(fā)電機組一般使用調(diào)速特性為“有差特性”的調(diào)速器[2]。現(xiàn)有船舶柴油機組使用的電子調(diào)速器通常帶有“下垂”(Droop)工作模式，即調(diào)節(jié)柴油機組處于有差特性工作狀態(tài)。所謂有差特性，是指頻率或轉(zhuǎn)速隨著輸出功率的增加而下降(見圖1)。

圖1 功率-轉(zhuǎn)速下垂特性示意圖

調(diào)差系數(shù)是頻率(轉(zhuǎn)速)變化量與功率變化量之比，一般使用調(diào)差系數(shù)表示有差特性。

(1)

規(guī)范規(guī)定：Kn≤5%。調(diào)差系數(shù)小的機組,其頻率(轉(zhuǎn)速)隨負荷的變化量相對較小；調(diào)差系數(shù)大的機組，其頻率(轉(zhuǎn)速)隨負荷的變化量相對較大。

從自動控制理論的角度看，柴油機的轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)屬于閉環(huán)控制系統(tǒng)[3]。當(dāng)船舶電力系統(tǒng)的頻率發(fā)生變化時，調(diào)速器依靠固有的調(diào)速特性自動調(diào)節(jié)油門的大小，從而維持發(fā)電機的頻率在一定的范圍內(nèi)，該調(diào)節(jié)過程稱為“一次調(diào)節(jié)”?！耙淮握{(diào)節(jié)”是調(diào)速器自發(fā)進行的，無需外界控制。但是對于船舶電網(wǎng)而言，發(fā)電機的頻率必須保持在恒定值。頻率作為衡量電能質(zhì)量的重要參數(shù)，與全船電氣設(shè)備的運行有著密切的關(guān)系，電網(wǎng)頻率與發(fā)電機轉(zhuǎn)速之間有著直接的計算關(guān)系，轉(zhuǎn)速的變化直接引起電網(wǎng)頻率的變化，因此對柴油發(fā)電機組的轉(zhuǎn)速進行控制是保證電力系統(tǒng)頻率穩(wěn)定性的重要手段[4]。工作于下垂特性的機組為保持頻率不變，還需進行“二次調(diào)節(jié)”。

柴油機的發(fā)展已有幾百年的歷史,調(diào)速器作為柴油機調(diào)速系統(tǒng)的重要組成部分,也得到飛速發(fā)展。調(diào)速器的發(fā)展主要經(jīng)歷了直接作用式機械調(diào)速器、間接作用式機械液壓調(diào)速器、模擬式電子調(diào)速器和數(shù)字式電子調(diào)速器等4個階段[5]。

圖2 “二次調(diào)節(jié)”示意圖

目前船舶上仍在使用的調(diào)速器主要為第二代以后的液壓式調(diào)速器和電子調(diào)速器。傳統(tǒng)的液壓式調(diào)速器上通常配置調(diào)速電機和蝸輪減速機構(gòu)，用于調(diào)節(jié)飛重彈簧預(yù)緊力(改變彈簧預(yù)緊力即改變調(diào)速器轉(zhuǎn)速的穩(wěn)定值)。，電子調(diào)速器則工作于“下垂”模式下，接收升降速的開關(guān)量信號，改變穩(wěn)定轉(zhuǎn)速值；調(diào)速器依據(jù)穩(wěn)定轉(zhuǎn)速值擬合出的下垂特性，根據(jù)轉(zhuǎn)速反饋調(diào)節(jié)油門的大小。 “二次調(diào)節(jié)”是指改變柴油機調(diào)速特性，使“下垂”特性曲線上下平移，以達到在穩(wěn)定頻率的狀態(tài)下改變負荷大小的目的(見圖2)。

一般“二次調(diào)節(jié)”需在人工控制下或負荷分配控制器控制下進行。船舶電站配電屏上設(shè)置有調(diào)速旋鈕，用于人工遠程遙控調(diào)速。隨著船舶機艙自動化水平不斷提高，帶有功率管理功能的負荷分配控制器逐漸出現(xiàn)并替代人工操作，實現(xiàn)船舶電站各機組的自動調(diào)頻、調(diào)載。船舶發(fā)電機組負荷控制系統(tǒng)框圖見圖3。

圖3 船舶發(fā)電機組負荷控制系統(tǒng)框圖

2 傳統(tǒng)負荷分配控制器控制算法

目前主流的負荷分配控制器較多采用虛有差法作為對機組進行調(diào)頻調(diào)載的控制算法。采用虛有差法進行調(diào)節(jié)，雖然不同發(fā)電機組所配備的調(diào)速器的調(diào)速特性仍有差別，但其調(diào)整的結(jié)果可實現(xiàn)電網(wǎng)的頻率恒定、功率均分(或按既定比例分配)是無差的。

圖4 2臺發(fā)電機組負荷分配調(diào)節(jié)過程示意圖

以2臺發(fā)電機組并聯(lián)運行舉例，當(dāng)原有發(fā)電機在網(wǎng)、另1臺發(fā)電機組投入電網(wǎng)時，2臺發(fā)電機組負荷分配調(diào)節(jié)過程示意圖見圖4。

數(shù)字式負荷分配控制器需采集發(fā)電機的頻率、電壓和功率等信息，通過現(xiàn)場總線網(wǎng)絡(luò)或功率均衡線計算獲取所有在網(wǎng)機組的平均功率。當(dāng)同一電網(wǎng)的機組額定容量相同時，采用平均分配的策略分配功率；當(dāng)不同容量的機組并聯(lián)運行時，依據(jù)各機組額定容量計算對應(yīng)的分配比例。負荷分配控制器可計算出負荷分配目標(biāo)值及本機組功率與該目標(biāo)值的差值，計算功率偏差值為

(2)

計算頻率偏差量為

Δfj=fj-fe

(3)

根據(jù)功率偏差和頻率偏差，形成融合偏差為

e(k)=kpΔP(k)+kfΔf(k)

(4)

式(4)中:kp和kf分別為功率偏差及頻率偏差的權(quán)重因子。

負荷分配控制器在調(diào)速系統(tǒng)中屬于二次調(diào)節(jié)控制器，其調(diào)速特性受一次調(diào)節(jié)調(diào)速器和執(zhí)行機構(gòu)的影響較大。在工程實際應(yīng)用中，由于需適配不同類型的機組和調(diào)速器，通常無法通過明確系統(tǒng)的傳遞函數(shù)來設(shè)計參數(shù)，因此一般使用增量式算法。通過計算輸出轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)偏差量，以加、減開關(guān)量脈沖的形式進行調(diào)節(jié)。調(diào)速器依據(jù)調(diào)節(jié)偏差的方向和電平時長，以一定的速率改變設(shè)定轉(zhuǎn)速，不斷趨近目標(biāo)轉(zhuǎn)速。采用該方式實現(xiàn)船舶發(fā)電機組負荷分配主要有以下2個方面的原因。

(1)通過離散的調(diào)節(jié)量而不是連續(xù)的模擬量直接給定，可避免數(shù)字式控制系統(tǒng)死機導(dǎo)致瞬間計算差錯，進而引發(fā)機組重大故障，給控制設(shè)備故障切除、自檢及恢復(fù)留有時間；

(2)數(shù)字式控制系統(tǒng)是一種采樣控制系統(tǒng)，在調(diào)速器調(diào)節(jié)響應(yīng)速率和執(zhí)行機構(gòu)響應(yīng)速率不明確的情況下，僅依靠提高采樣速率的方法并不能消除整個調(diào)節(jié)系統(tǒng)產(chǎn)生的時滯。控制器快速輸出調(diào)節(jié)量與系統(tǒng)時滯之間的矛盾將帶來超調(diào)和振蕩的問題，嚴重時將影響系統(tǒng)的穩(wěn)定運行。在多臺機組并聯(lián)運行的船舶電網(wǎng)中提供穩(wěn)定電力以保證電站整體安全是首要目標(biāo)，系統(tǒng)設(shè)計時考慮穩(wěn)定性要優(yōu)先于快速響應(yīng)性。調(diào)速過程和反饋監(jiān)測在工程實踐中必然存在一定的時滯，且這種時滯隨設(shè)備的不同而不同。為消除由于時滯帶來的調(diào)節(jié)振蕩，采取逐次逼近的方法較為實際。

因此，一般調(diào)速器與負荷分配控制器間的接口為增量調(diào)節(jié)信號接口。對于一次調(diào)節(jié)的調(diào)速器來說，相當(dāng)于在原下垂特性基礎(chǔ)上作整體平移，即在既定的功率-轉(zhuǎn)速特性曲線上疊加平移量，有

n(P目標(biāo))=n′(P)+u

(5)

式(5)中:u為平移量,由負荷分配控制器根據(jù)融合偏差e得出。

但在具體實現(xiàn)時，會受采樣調(diào)節(jié)時滯等因素的限制，為避免超調(diào),會采用小幅趨近的方式,即將一次給定調(diào)節(jié)量分割為若干個小幅調(diào)整,有

(6)

對于數(shù)字式負荷分配控制器而言，通常的做法是以“采樣-計算-輸出”的循環(huán)執(zhí)行調(diào)節(jié)動作。其被控對象調(diào)速器無論是電子調(diào)速器、調(diào)速電機還是蝸輪減速機構(gòu)驅(qū)動的液壓調(diào)速器，在接收到有效的加、減速電平信號期間，都可視作以固定速率改變特性曲線(見圖5)。

圖5 負荷分配調(diào)節(jié)控制信號輸出示意圖

由圖5可知，對于特定的調(diào)速器，改變特性的速率Tg固定，從起始功率P0趨向Pt的速度(即系統(tǒng)的響應(yīng)性)取決于高電平Th及調(diào)節(jié)次數(shù)n。在排除系統(tǒng)擾動且明確可知Tg與轉(zhuǎn)速N的對應(yīng)關(guān)系的情況下，在t0采樣計算時點可得到全過程的調(diào)節(jié)時長，但實際應(yīng)用中往往無法做到。從定性的分析來看，負荷控制器在判定出現(xiàn)偏差后保持高電平Th時間越長，負荷調(diào)節(jié)趨向目標(biāo)的速度就越快，但時滯會帶來超調(diào)振蕩；調(diào)節(jié)的次數(shù)n越多(即采樣時點越多)，負荷調(diào)節(jié)趨向目標(biāo)的超調(diào)就越小，每次估算的調(diào)節(jié)時間就越精確，也能及時響應(yīng)系統(tǒng)擾動，但調(diào)節(jié)的時間會越長。同時，在工程應(yīng)用中也不允許輸出繼電器以太高的頻率運作，這會影響設(shè)備的使用壽命，因此在實際應(yīng)用時一般對響應(yīng)性與穩(wěn)定性進行折中。通常有以下2種控制調(diào)節(jié)策略。

(1)簡單極性判斷模式，該模式僅判斷調(diào)節(jié)的方向極性，而調(diào)節(jié)的時長固定不變，只要存在偏差即以固定的頻率發(fā)出調(diào)節(jié)脈沖信號(如圖5所示)，即T時長和高電平時長的占空比固定，占空比Th可依據(jù)現(xiàn)場經(jīng)驗調(diào)節(jié)。該做法的優(yōu)點在于邏輯簡單，對控制模塊硬件的要求較低，可通過人工摸索和經(jīng)驗使二次調(diào)節(jié)的速率接近于一次調(diào)節(jié)，同時使繼電器動作頻率處于可接受的范圍內(nèi)；其缺點在于會產(chǎn)生超調(diào)，且一旦系統(tǒng)擾動過大或慣性較大，將無法試湊到合適的調(diào)節(jié)頻率。該調(diào)節(jié)方法多見于準(zhǔn)同步控制器和簡單單線構(gòu)成的船舶電站。

(2)比例-積分-微分(Proportional-Integre-Differential,PID)控制模式,該模式相較于簡單極性判斷模式的進步之處是能由控制器通過偏差大小依靠PID算法動態(tài)計算調(diào)節(jié)脈沖的有效電平占空比，調(diào)節(jié)信號離散化處理后的PID表達式為

(7)

實際應(yīng)用中，由于在電力應(yīng)用場合下靜態(tài)波動較大，加入積分環(huán)節(jié)反而容易引起系統(tǒng)振蕩，因此PID調(diào)節(jié)通常也簡化為PD調(diào)節(jié)，即

U(k)=KPE(k)+Kd[E(k)-E(k-1)]

(8)

由于PID參數(shù)整定需長期的經(jīng)驗積累和數(shù)據(jù)支持，某套參數(shù)在應(yīng)對特定機組特性和調(diào)速器特性時可能會有較好的調(diào)節(jié)效果，但變換了被控對象和適用環(huán)境,又需再次依據(jù)經(jīng)驗進行調(diào)節(jié)。負荷分配控制器作為實際的工業(yè)產(chǎn)品，調(diào)試工程師的經(jīng)驗會對負荷分配控制器的調(diào)節(jié)效果產(chǎn)生較大影響?，F(xiàn)代船舶建造都是模塊化組裝，建設(shè)工期短、項目節(jié)點要求高，弱化人為因素、采用先進的控制算法來提升控制設(shè)備自適應(yīng)水平正突顯出其必要性。

3 模糊PID控制算法實現(xiàn)

模糊理論是一種研究和處理模糊線性的新型數(shù)學(xué)方法，通過數(shù)學(xué)表達式的方式將日常的模糊概念用于控制器當(dāng)中。模糊控制理論最早由美國自動控制專家查德(L.A.zadeh)于1965年首次提出[6]。

圖6 基于模糊邏輯推理的PID控制器控制框圖

隨著計算機水平不斷提高，嵌入式控制器的計算能力也在不斷提升，在線修改整定PID參數(shù)對于嵌入式控制器的計算和存儲能力也可實現(xiàn)?；谀：壿嬐评淼腜ID控制器是以控制專家整定PID控制器參數(shù)的經(jīng)驗和知識為基礎(chǔ)，通過對系統(tǒng)過渡過程模式進行在線識別來對PID參數(shù)進行自整定的[7]。其控制框圖見圖6。

針對常規(guī)PID調(diào)節(jié)器，可應(yīng)用模糊控制理論建立PID參數(shù)與偏差絕對值|E|和偏差變化絕對值|EC|之間的二元連續(xù)函數(shù)，即

(9)

負荷分配控制器可根據(jù)|E|和|EC|的不同在線自整定PID參數(shù)。根據(jù)上述規(guī)則設(shè)計模糊PID的推理機，首先要設(shè)定|E|，|EC|和PID參數(shù)Kp，Ki，Kd的模糊控制論域，可將其分為0(Z)、小(S)、中(M)、大(B)等4種不同的模糊語言變量進行描述。設(shè)計模糊偏差|E|，|EC|和Kp、Ki、Kd的論域?qū)?yīng)的模糊語言變量的隸屬函數(shù)見圖7。

a)偏差|E|隸屬函數(shù)

b)偏差|EC|隸屬函數(shù)

c)Kp,Ki,Kd隸屬函數(shù)

在負荷分配的控制場景中，有一些PID參數(shù)的整定規(guī)則可歸納為以下3個方面。

(1)當(dāng)偏差|E|較大時：為獲得較高的響應(yīng)速率，使機組的負荷盡快趨近，應(yīng)選取較大的Kp和較小的Kd；同時，為防止出現(xiàn)系統(tǒng)響應(yīng)出現(xiàn)較大的超調(diào)，應(yīng)限制積分環(huán)節(jié)，取Kd=0。

(2)當(dāng)偏差|E|處于中等大小時：為使調(diào)節(jié)過程具備較小的超調(diào)，應(yīng)選取較小的Kp值，此時Ki值要大小適中，以保證系統(tǒng)的響應(yīng)速率；同時，要關(guān)注調(diào)節(jié)過程，由于負荷轉(zhuǎn)移不僅取決于某臺機組，其他機組的調(diào)速過程也會將負荷轉(zhuǎn)移過來或搶走造成負荷偏差瞬間變化，此時Kd的取值會對系統(tǒng)響應(yīng)產(chǎn)生較大影響，Kd的取值要適度偏小。

(3)當(dāng)偏差|E|較小時，為使系統(tǒng)有較好的穩(wěn)定性，Kp和Ki要取得大一些，同時為避免機組在負荷均衡值附近頻繁調(diào)節(jié)出現(xiàn)振蕩，并考慮系統(tǒng)的抗干擾性，在|EC|較小時Kd值可取中等大??；在|EC|較大時Kd可取較小值。

依據(jù)以上規(guī)則設(shè)計PID參數(shù)的模糊控制規(guī)則見表1～表3。

表1 Kp模糊控制規(guī)則

表2 Ki模糊控制規(guī)則

表3 Kd模糊控制規(guī)則

圖8 模糊計算軟件流程圖

對于基于嵌入式芯片開發(fā)的負荷分配控制器，可通過C語言編程實現(xiàn)上述模糊自整定PID算法。控制器內(nèi)部的采集電路定時采樣被控機組的電量信息，軟件按照固定周期計算當(dāng)前偏差|E|和偏差率|EC|，并依據(jù)計算結(jié)果根據(jù)預(yù)設(shè)的模糊控制參數(shù)將E和EC模糊化，即對照隸屬函數(shù)將|E|和|EC|變換至模糊的論域中。依照|E|值和|EC|值查找對應(yīng)的模糊控制表，得到模糊控制量所應(yīng)對的Kp、Ki和Kd值。最后將PID參數(shù)置入PID計算函數(shù)中，計算當(dāng)前的控制增量，由執(zhí)行電路輸出調(diào)速脈寬和調(diào)速極性。軟件流程見圖8。

根據(jù)模糊PID控制算法重新設(shè)計某型負荷分配控制器的分配算法，建立PID參數(shù)的模糊控制規(guī)則并將其存儲于芯片的EEPROM內(nèi)，由改進算法的某型負荷分配控制器并聯(lián)控制2臺變頻器驅(qū)動的電動機，以模擬實際船舶發(fā)電機組。在試驗室進行模擬試驗，試驗?zāi)M從1臺發(fā)電機組投入電網(wǎng)到2臺發(fā)電機組并聯(lián)運行的負荷平衡過程，并手動施加擾動后觀察控制器調(diào)節(jié)機組恢復(fù)負荷平衡的過程。在調(diào)試監(jiān)控上位機上截取的功率調(diào)節(jié)趨勢圖對比見圖9和圖10。

圖9 極性調(diào)節(jié)模式趨勢圖

圖10 模糊PID模式趨勢圖

4 結(jié) 語

針對現(xiàn)代船舶電力系統(tǒng)設(shè)備種類繁多、負荷大和變化頻繁等特點，研發(fā)基于模糊PID控制算法的船舶負荷分配控制器，可根據(jù)模糊規(guī)則在線實時修改負荷分配控制器的PID參數(shù)。通過試驗室模擬仿真可清晰地看到，經(jīng)過優(yōu)化算法控制的功率調(diào)節(jié)趨勢可很好地規(guī)避簡單極性判斷模式導(dǎo)致的調(diào)節(jié)周期內(nèi)的多次振蕩和超調(diào)現(xiàn)象，并能提高系統(tǒng)控制的響應(yīng)性，使發(fā)電機組并聯(lián)工作在更加穩(wěn)定的環(huán)境中。以模糊PID算法為基礎(chǔ)的船舶負荷分配控制器可實際應(yīng)用于我國引進的多種新型船舶及電力推進船舶中，同時有必要進一步開展針對模糊規(guī)則設(shè)計的研究。

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Electric Load Distribution Control Algorithm Based on Fuzzy PID Control

HEXie，WANGHongxing
(Ship Automation Branch, Shanghai Ship & Shipping Research Institute， Shanghai 200135， China)

Today, ship power systems are facing more frequent rapid load fluctuations. This is demanding for the governor of the ship diesel engine. The power systems are normally equipped with the load distribution device which adjusts the load distribution according to the measures of the frequency/power variation. This paper develops the fuzzy dynamic optimization PID algorithm for adjusting effective duty ratio which will enhance the load distribution performance of the ship load distribution device.

ship diesel engine； governor； fuzzy PID control

2016-09-23

何 勰(1983—)，男，江蘇無錫人,工程師,從事艦船自動化研究。

1674-5949(2016)04-0049-06

U665.12

A