基于遗传算法的船舶柴油机转速控制系统仿真研究

第 19 卷第 2 期 2005 年 04 月 � 华 � 东 � 船 � 舶 � 工 � 业 � 学 � 院 � 学 � 报(自然科学版)Journal o f East China Shipbuilding Inst itute( Natural Science Edition) � Vo1� 19 No� 2Apr. 2005 � � � � � �文章编号: 1006- 1088( 2005) 02- 0010- 05 基于遗传算法的船舶柴油机转速控制系统仿真研究 刘西全, 江国和, 杨松林 (江苏科技大学 机械与动力工程学院,江苏镇江 212003) 摘 � 要: 以 12E390V 柴油机为对象, 建立了柴油机简化传递函数和执行器模型。控制方法采用 PID控 制, 并利用遗传算法优化控制器参数, 对柴油机动态调速过程进行了仿真分析, 并分别和 Z- N ( Z iegler- N ichols)法、IST E 最优设定法[1]这 2 种参数整定方法做了比较。结果表明遗传算法的性能远优于其它 2 种参数整定法。 关键词: 遗传算法; 柴油机; 控制系统; 仿真; 船舶 中图分类号: TP273. 5; U664. 172� � � � � � � � 文献标识码: A Simulation Research of Speed Control System on Ship Diesel Engine Based on Genetic Algorithm L I U X i-quan, J I A N G Guo-he, YA N G S ong-lin ( S chool of Mechanical and Power Eng. , Jiangsu University of Science and T ech nology, Zh enjiang Jiangsu 212003, China) Abstract: The transfer funct ion and controller models are established for 12E390V diesel engine. The t rad-i t ional PID algorithm is adopted. The simulated analysis on the dynamic regulating process of governing sys- tem for the diesel engine is made, and the parameters of PID controller are opt imized by genetic algorithm. Simulation results are compared w ith Zigler-Nichols and ISTE method. The results indicate that the charac- terist ics of g enet ic algorithm are opt imum in comparison with the other methods. Key words: genetic algo rithm; diesel eng ine; contr ol system; simulat ion; ship 0 � 引 � 言 船舶柴油机及其调速系统是典型的多系统、多层次的复杂系统, 难以用合适的数学模型来表达系统 的输入输出关系。到目前为止在柴油机调速控制领域所建立或采用的大多是根据达朗贝尔原理在某一 平衡点的柴油机模型,对于全工况的柴油机建模比较困难。电子调速器多采用 PID 控制器, 当柴油机 工况变化时,控制性能变坏,甚至会出现不稳定的现象。同时,当系统启动或在不同工况间切换时,由于 短时间内出现大偏差及系统本身延迟, 积分饱和使 PID调节器饱和,系统将出现过量超调或振荡, 传统 的PID控制不能获得满意的控制效果。而船舶往往是浮在水面或潜在水中并活动于不同地区,在任何 收稿日期: 2004- 06- 07 基金项目: 行业重点项目(校编 2001111) 作者简介: 刘西全( 1979- ) ,男,山东泰安人,江苏科技大学硕士研究生。 时刻,它都受到风浪、水浪等环境的直接影响,对柴油机来说,负载是随时变化的,因此,要想保持船舶在 某一航速下航行,就对船用调速系统提出了更高的要求。文中主机系某护卫舰用主机,为使该舰具有良 好的运行性能, 必须对主机转速控制系统控制参数进行智能整定。目前整定 PID控制器参数的方法很 多,文中采用遗传算法优化控制器参数,对某舰用主机 12E390V 进行了转速控制动态仿真。 1 � 模型研究 柴油机转速控制系统如图 1所示。由于全工况的柴油机建模比较困难,对柴油机模型作了简化,考 虑延迟并经线性化处理后,可作为一阶惯性延迟环节。柴油机电子调速系统中的执行器采用环形电枢 直流伺服电机, 可认为是一个的二阶环节。加上上文所提到的 PID控制器,则可组成一完整的柴 油机调速模型, 用于对柴油机动态过程的仿真,并通过仿真来研究该模型的合理性和准确性。 图 1 � 柴油机转速控制系统框图 F ig . 1 � Speed contr ol system of diesel engine 1� 1 � 柴油机模型 非增压柴油机的运动可用以下方程 [ 2]描述: T a dy ( t) dt + y ( t) = �( t- �) - �( t) 式中: y ( t) 为柴油机转速,是时间 t的函数(无因次量) ; �( t) 为控制供油量的齿条位置, 是时间 t的函数 (无因次量) ;�( t ) 为扰动,是时间 t的函数(无因次量) ; T a 为柴油机时间常数; �为齿条位移的纯滞后时 间。 将上式拉氏变换可得非增压柴油机的简化传递函数 Y( s) e- �sH ( s) - �( s) = 1T a s + 1 式中: Y ( s) 是对 y ( t) 进行拉氏变换的结果; H ( s) 是 �( t ) 的拉氏变换; �( s) 是 �( t ) 的拉氏变换。 为简单起见,设扰动 �( t ) = 0,于是得到简化的柴油机模型, 即可用一阶惯性延迟环节来近似代替 原柴油机模型。简化后的柴油机传递函数为: Y ( s) H ( s) = e - �s T a s + 1 由于 e - �s = 1 e�s � 11 + �s 于是 Y( s) H ( s) � 1 (1 + �s ) (1 + T a s) 查取文献[ 3] 并计算得 T a = 2. 4 s, �= 0. 24 s, 其传递函数为 Y( s) H ( s) = 1 0� 576s2 + 2� 64s + 1 1� 2 � 执行器模型 执行机构为可逆的直流伺服电机, 一般采用环形电枢直流伺服电机, 可认为是一个标准的二阶环 节,其传递函数为 11第 2 期 � � � � � � � � � 刘西全等: 基于遗传算法的船舶柴油机转速控制系统仿真研究 H ( s) H g ( s) = W 2 nd s 2 + 2�dW nds + W 2nd 式中: H g ( s) 为给定齿条位移 �g ( t) 的拉氏变换; H ( s) 为齿条位移 �( t )的拉氏变换; W nd为执行机构的无 阻尼自然振荡角频率; �d 为执行机构的阻尼因子。 在工程设计中常取 �d = 0. 4 ~ 0. 8。在这个取值范围内可使调整时间 ts 达到较小,而最大超调量和 上升时间又不太大。由文献[ 4]可知, 当�d = 0� 707时称为最佳阻尼比。为使执行环节具有较好的动态响 应特性,取 �d = 0� 707, W nd = 35� 4, 其传递函数为 H ( s) H g ( s) = 1250 s 2 + 50s + 1250 图 2� P ID控制系统原理框图 F ig . 2 � Pr inciple of P ID contro l system 2 � 控制器设计 2� 1 � PID控制原理 控制系统中, 控制量最常用的控制 规律是 PID 控制,常规 PID控制系统原 理如图 2所示。其控制规律为: u( t ) = kp( err or ( t ) + 1 T I�t0 er ror ( t)dt + TD der ror ( t)dt 写成传递函数形式为: G ( s) = U( s) E ( s) = k p(1+ 1 T I s + TD s) 式中: kp 为比例系数; T I 为积分时间常数; T D 为微分时间常数。 2� 2 � 优化目标函数的选取 目标函数的选取是控制系统参数寻优问题的关键之一。合适的目标函数既能比较确切地反映系统 的品质,又能使计算方便。对于同一个系统来说,选择不同的目标函数,使这些不同的目标函数达到最优 时的参数也不同。必须选择一个真正的能够评定系统性能优劣的目标函数,才能得到系统中各参数正确 的最佳组合。 根据对控制系统动态特性的具体要求制定相应的误差准则, 即采用期望的控制系统输出响应与实 际系统输出响应之差的某个函数作为目标函数, 较常用的误差函数有 ISE, IT SE, IAE, IT AE 等。其中 IT AE准则是时间乘以误差的绝对值积分, 具体表示为 J =��0 t | e( t ) | dt。它是目前综合描述系统性能 比较有效的目标函数,该准则很容易在数字计算机上实现, 并且用它所求出的最佳参数组合方案能够使 系统具有很好的稳定性、超调量小、响应时间快等优点。本文选用 IT AE准则作为寻优的目标函数。 2� 3 � 优化模型的建立 Simulink环境下, 典型的 PID控制框图如图 3所示。系统性能指标是设计参数的多峰非线性函数, 而该代数表达式难以求出(特别是在有纯延时环节的情况下)。但在 MATLAB 及 Simulink 专业功能的 支持下,通过在 Simulink框图中加入各辅助功能框图可以很快获得时域性能指标的数值解。 PID设计的目标是使系统性能指标函数 J 为最小,同时为了保证系统具有一定的鲁棒性,还必须使 系统满足最小相位和增益裕度条件。遗传算法的搜索空间是Z-N法获得的结果 K p0 , K i0 , K d0 为中心,向 左右两边拓展而形成的, 这样可充分利用 Z-N 法的合理内核,减少遗传算法搜索时间。如果参数的优化 解十分靠近搜索空间的边界, 还要在该解的基础上进一步拓展空间, 进行新一轮搜索。 12 华东船舶工业学院学报(自然科学版) 2005 年 图 3� Simulink 环境下 PID 控制系统及性能指标 J 求取框图 F ig . 3 � Reso lution o f per formance index J and cont ro l system based Simulink 3 � 柴油机转速控制系统的仿真 该舰用主机 12E390V 的主要技术参数为: 缸径, 390 mm; 额定转速, 480 r / min; 持续功率: 5 292 kW。采用上述简化柴油机模型, 按 Z-N 整定法得 K p 0 = 9� 807, K i0 = 21� 218 1, K d 0 = 1� 087 6。 遗传算法 [ 5] 中使用的样本个数为Size = 30,交叉概率和变异概率分别为: P c = 0� 75, P m = 0� 02- [ 1: 1: Size] � 0� 02/ Size。参数 K p 的取值范围为[ 0, 15] , K i 的取值范围为[ 0, 25] , K d 的取值范围为[ 0, 5] ,采用实数编码方式,经过 100代进化,获得的优化参数如下: PID整定结果为 K p = 13� 833 9, K i = 2� 197 1, K d = 3� 814 1。把优化得到的参数代入 PID控制器,运行仿真图, 得到优化后系统的响应曲线。 图4应用文中提到的3种方法分别对柴油机从起动到额定工况作了仿真,图5为柴油机设定转速变化时 的仿真结果。 图 4� 柴油机起动到额定工况仿真结果 Fig. 4� Simulat ion results o f diesel eng ine f rom star t to r ated oper ational mode 13第 2 期 � � � � � � � � � 刘西全等: 基于遗传算法的船舶柴油机转速控制系统仿真研究 图 5 � 柴油机变工况仿真结果 Fig. 5 � Simulat ion results of changed operat ional modes o f diesel 表 1对各种控制算法的仿真结果与柴油机实际工况的额定值作了比较。 表 1 � 仿真结果与额定值的比较 T ab. 1� Comparison betw een simulat ion and nominal value 仿真变量 仿真结果 Z-N 法 IST E 遗传算法 额定值 t/ s 7� 23 6� 45 3� 58 4�26 转速/ ( r/ min) 479� 67 479� 86 479� 99 480 扭矩/ ( N � m ) 104850 104930 104990 105000 功率/ ( kW) 5266� 8 5272� 92 5278� 35 5292 4 � 结 � 论 将遗传算法设计的结果同 Z-N 法、文献[ 1]中提出的 IST E最优设定法的结果作一下比较, 由表 1 可以看出遗传算法的调节时间少、响应快、最接近实际系统响应时间, 且系统几乎没有超调量, 鲁棒性 强。这在实际中是相当有实用价值的, 特别对像电站柴油机这类要求输出电压恒定的控制对象来说,其 意义将更加深远。 参考文献: [ 1] � 陶永华, 尹怡欣,葛芦生. 新型 PID 控制及其应用[ M ] .北京 :机械工业出版社, 1998. [ 2] � 邵家骧.柴油机调速系统仿真与设计[ A ] . 中国内燃机学会首届学术年会论文选集[ C] . 上海: 中国内燃机学会秘 处编辑出版, 1985. [ 3] � 邵家骧. 发动机转速自动控制[ M ] .北京: 人民交通出版社, 1990. [ 4] � 徐薇莉, 曹柱中,田作华. 自动控制理论与设计[ M ] .上海: 上海交通大学出版社, 2001. [ 5] � 刘金琨. 先进 PID 控制及其 MATLAB仿真[ M ] .北京: 电子工业出版社, 2003. (责任编辑:顾 � 琳) 14 华东船舶工业学院学报(自然科学版) 2005 年