0 引　言

柴油机通过燃烧柴油实现发动机的运行，发动机扭矩较大，并且具有较好的经济性能以及热效率^[1-2]。因此，其成为诸多船舶的主要动力设备。发动机以凸轮轴为驱动，以高压油泵为基础，将柴油输送至燃油室中，在此过程中，发动机的转速快慢会直接影响供油效果^[3]。柴油机在应用过程中，其呈现显著的非线性变化，同时影响其自身转速的因素较多^[4-5]。为保证柴油机的应用效果，需有效控制其转速。王朝阳^[6]为保证柴油机的稳定运行，提出基于Elman神经网络的柴油机转速调整系统。该系统以PID为基础，采用神经网络调整PID的控制参数，以此实现柴油机转速调整。但是该系统在控制过程中，无法呈现控制结果。有学者为保证柴油机的应用效果，提出基于PSS和模糊PID控制的柴油机转速调控系统。该系统以稳定器和模糊PID控制器，实现柴油机转速调控。但是该系统在控制过程中，如果发生转速突变，则控制偏差较大。本文针对船用柴油机转速智能控制需求，设计柴油机转速智能控制系统，实现船用柴油机转速智能控制。

1 船用柴油机转速智能控制 1.1 船用柴油机转速智能控制系统架构

舰船柴油机在应用过程中，输出转速会直接影响功率的输出结果。如果功率输出不稳定，则会直接影响船舶的运行状态。为实现柴油机转速智能控制，采用电子调速器，设计柴油机转速智能控制系统，系统整体架构如图1所示。

该控制系统整体分为3个模块，分别是上位机模块、电子调速模块以及柴油机模块。上位机模块通过PC机下达转速控制指令后，指令经由CAN总线传送至电子调速模块中，该模块主要是依据数字式电子调速器，对柴油机模块中柴油机的转速进行控制，并将控制结果回传至上位机中。

1) 上位机模块。该模块主要是由PC机、CAN接口、电源、显示器等部分组成，该模块的能够实现柴油机转速控制指令的下达以及控制结果呈现。

2) 电子调速模块。该模块是系统的执行核心模块，以电子调速器为主，该调速器包含微控制器、PWM驱动器、位置信号调理器、转速信号调理器、曲轴信号处理器等部分组成。其主要作用是对柴油机模块中，柴油机的负荷转矩不确定性、外在因素影响、柴油机的加载、卸载以及负载情况导致的转速异常进行控制。

3) 柴油机模块。该模块是柴油机发电机终端模块，主要包含柴油机的整个组成部分，包含油路、喷油路、柴油机等。此外，该模块中安装传感器，其主要作用是检测柴油机曲轴位置、供油调节执行器位置等状态参数以及发动机当下转动状态数据等，并通过CAN总线，将传感器采集的数据结果回传至上位机模块中。

1.2 CAN总线的收发机制

船用柴油机转速控制过程中，控制指令的下达和柴油机运行数据的回传均需依据CAN总线进行传送。在进行系统设计过程中，为保证指令和数据传送的安全性，设计CAN总线的收发机制，结构如图2所示。该机制主要采用中断式设计，以此进行数据的接收和发送，并且采用环形缓冲区设计，保证柴油机运行数据的安全传送。CAN总线的接收中断服务程序，可完成柴油机整个运行数据的拷贝，并存储到环形缓冲区中。CAN总线的发送中断服务程序在进行数据发送时，每完成一次数据发送后，均在环形缓冲区内对下一个待发送数据进行拷贝，依据该方式，完成所有数据的传送。

1.3 船用柴油机电子调速模块

电子调速模块作为系统的核心执行模块，可依据柴油机运行负载变化，对柴油机供油量进行智能调节，实现柴油机转速调控，保证柴油机稳定运行。电子调速模块结构如图3所示。

电子调速模块在进行柴油机转速控制时，为保证良好的控制效果，在微控制器中引入转速自主学习主动抗扰控制模型，该模型的结构如图4所示。

该模型能够有效依据柴油机负荷转矩的随机性和不确定性、柴油机运行负载变化情况进行转速控制。能够依据舰船柴油机目标转速和实际转速之间的偏差结果，计算惯性力矩结果，用 $ {M_{{int} ia}} $ 表示。为获取转速控制过程中所需的有效转矩 $ {M_e} $ ，对估计得出的负荷转矩 $ {M_{load}} $ 进行补偿。在此基础上，对柴油机转动过程中产生的摩擦转矩 $ {M_{fric}} $ 进行补偿处理后，依据平均指示转矩 $ {M_{in}} $ 反算，获取所需的柴油机循环供油量，以此实现柴油机转速控制。上述各转矩之间的关系表达式为：

$ {M_{in}} = {M_e} + {M_{fric}} ，$

(1)

$ {M_e} = {M_{{int} ia}} + {M_{load}}。$

(2)

依据上述2个公式即可获取柴油机转速控制所需的循环供油量，依据该供油量结果，对供油调节器进行控制，以此实现柴油机转速智能控制。

2 测试结果与分析

为验证本文系统的应用效果，以某船舶为对象研究。该船长32.3 m，宽9.2 m，载重3150 t，吃水5.5 m。使用的柴油机型号为6126，详细参数如表1所示。

为验证本文系统的控制性能，采用柴油机转速波动率 $ \upsilon $ 作为衡量标准，测试本文系统应用后，柴油机在加载、卸载以及负载3种工况下， $ \upsilon $ 的变化结果。该指标的计算公式为：

$ \upsilon =\frac{{{n_{\max }} - {n_{\min }}}}{{2{n_r}}} \times 100{\text{%}}。$

(3)

式中： $ {n_{\max }} $ 和 $ {n_{\min }} $ 分别为柴油机最大和最小2种转速； $ {n_r} $ 为额定转速。

依据公式(3)计算本文方法在不同柴油机额定转速下，指标的计算结果(应用标准为低于0.03%)，如表2所示。依据表2测试结果得出：随着额定转速的逐渐增加，采用本文系统对柴油机转速进行控制后，在3种运行工况下，柴油机转速波动率 $ \upsilon $ 结果均低于0.03%，控制后柴油机能够在稳定的转速下运行。

为验证本文系统的应用效果，在柴油机的加载、卸载以及负载3种工况下，发生转速突变后，采用本文系统进行转速控制，获取本文系统在3种工况下，对转速突变的瞬时调速率(该指标能够描述本文系统对转速突变的动态响应性能，期望标准为高于2%)以及转速恢复所需的时间(期望标准为低于3 s)，测试结果如表3所示。依据表3测试结果得出：在不同的工况下，当柴油机转速发生突变后，本文系统均能够快速完成动态响应，瞬时调速率指标结果最高值为3.34%，最低值为2.34%；转速恢复所需的最长时间为2.14 s，最小值为1.44 s。因此，本文系统具有良好的控制效果，能够快速完成转速控制，保证柴油机稳定运行。

为验证本文系统在柴油机转速控制中的应用性能，获取本文系统控制时上位机模块的转速控制呈现结果，如图5所示。可以得出：本文系统应用后，上位机能够呈现柴油机转速控制结果，并且采用本文系统对柴油机转速进行控制后，转速的控制结果与额定的转速结果吻合程度较高；即使额定转速发生调整，本文系统依旧能够保证转速控制结果与额定转速吻合，同时能够依据传感器采集的数据，判断柴油机运行状态。因此，本文系统具有良好的应用性能，能够实现柴油机转速控制。

3 结　语

船舶在应用过程中，需保证运行的稳定性。因此，船用柴油机的转速情况，直接会影响船舶的运行状态。如果转速发生突变或者无法维持额定转速，则降低船舶运行的稳定性。基于此，本文主要依据电子调速设备，设计柴油机转速智能控制系统，实现柴油机转速的智能控制。经过测试后得出：该系统可保证柴油机转速的稳定性，保证转速结果和额定结果吻合，快速实现柴油机转速突变控制。