0 引　言

舰船动力系统的主要推进方式为全电力推进。燃气轮机具备资源利用率高、启动速度快等优势^[1]，被广泛应用于舰船动力系统中。对于燃气轮机来说，转速控制至关重要^[2]。合理控制燃气轮机转速，可提升舰船航行的安全可靠性^[3]。邓望权等^[4]利用遗传算法优化PI控制器的参数，利用参数优化后的PI控制器，控制舰船燃气轮机转速。该方法在转速调整过程中，具备较快的上升时间与调整时间。郭森闯等^[5]为提升燃气轮机转速控制效果，设计双输入反正切神经网络控制方法。该方法在不同工作环境温度时，均可有效控制燃气轮机转速，具备较优的转速控制鲁棒性。但上述方法的工作特性较为固定，针对性强，通用性差，当舰船运行工况较差时，上述2种方法便无法精准控制燃气轮机转速。

PLC技术具备模拟量输入/输出、高速计数器与PID回路性能，符合舰船燃气轮机转速控制需求，且PLC技术具备较优的通用性，适用于任何工况^[6]。为解决上述方法中存在的问题，研究应用PLC技术的舰船燃气抡起转速控制方法，确保舰船运行的安全可靠性。

1 舰船燃气轮机转速控制方法 1.1 基于PLC技术的转速控制方法技术架构

以PLC为核心，设计舰船燃气轮机转速控制方法，该方法的整体技术架构如图1所示。

PLC与电液转换器、油动机、位移传感器、转速传感器、汽轮机构成转速控制单元；PLC与触摸屏构成监视单元；PLC与安全阀、危急遮断器、报警装置构成运行保护单元。

转速控制单元利用转速传感器采集舰船燃气轮机的脉冲信号；通过PLC处理采集的脉冲信号，得到燃气轮机的转速偏差，并输入可变论域模糊PID控制算法内，输出燃气轮机转速控制信号，经由电液转换器将控制信号变更成对应的油压信号，控制油动机的行程，调节汽阀开度，达到燃气轮机进汽量控制的目的，调整燃气轮机的转速。利用位移传感器采集油动机的输出信号，并对比分析该信号与PLC输出的控制信号，如果两者差值不是0，那么实际输出转速和设定转速不符，需要再次利用PLC内的可变论域模糊PID控制算法调整转速。

监视单元利用转速与位移传感器采集舰船燃气轮机转速信号，并输入PLC内，经过计算与变换后，传输至触摸屏内，实现舰船燃气轮机转速的监控与管理。

在舰船燃气轮机出现超速与轴向位移较大故障时，运行保护单元利用报警装置发出声光警报，如果达到停机值，那么PLC会传输停机信号至安全阀，去除主汽阀油动机的高压油，通过危机遮断器关闭主汽阀与调节汽阀，并持续发出声光警报。

1.2 燃气轮机转速控制的PLC基本组成

舰船燃气轮机转速控制方法的核心为PLC，PLC的基本组成如图2所示。

PLC运算与控制中心是微处理器，通过微处理器实现可变论域模糊PID控制算法的逻辑与数字运算，得到舰船燃气轮机转速控制信号。微处理器还负责协调各子单元间的联系。

存储器负责存储PLC的运行程序、用户程序以及舰船燃气轮机转速控制信号^[7]。

输入子单元负责接收转速与位移传感器采集的燃气轮机相关信号。输出子单元负责输出燃气轮机转速控制的模拟量与数字量^[8]。输入、输出子单元的信息传输的接口均为I/O接口。

利用编程器为PLC内部进行程序编程，加快PLC信息处理速度，提升PLC信息处理精度。通过开关电源为PLC内各子单元提供电力。

1.3 实现燃气轮机转速控制

利用PLC内的可变论域模糊PID控制算法，得到舰船燃气轮机转速控制信号 $ u\left( t \right) $ ，该算法的输入是燃气轮机转速偏差 $ e\left( t \right) $ ，其中， $ t $ 为时间。

令该控制算法的输入伸缩因子为 $ g\left( e \right) $ ，输出伸缩因子为 $ h\left( t \right) $ ， $ g\left( e \right) $ 的计算公式如下：

$ g\left( e \right) = \left( {\frac{{a\left\| e \right\|}}{{{E_{\max }}}}} \right) + ab。$

(1)

其中， $ {E_{\max }} $ 为燃气轮机转速偏差初始论域的最大值； $ a $ 为常数， $ 0 \leqslant a \leqslant 1 $ ； $ b $ 为非常小的正数。

$ h\left( t \right) $ 的计算公式如下：

$ h\left( t \right) = {C_I}\sum\limits_{i = 1}^n {\int\nolimits_0^t {{{\left( {{e_i}} \right)}^a}{\rm{d}}t + h\left( 0 \right)} } 。$

(2)

式中： $ {C_I} $ 为比例常数； $ h\left( 0 \right) $ 为初始伸缩因子； $ n $ 为舰船燃气轮机转速偏差样本数量； $ {e_i} $ 为第 $ i $ 个偏差样本。

$ u\left( t \right) $ 的计算公式如下：

$ u\left( t \right) = h\left[ {{K_P}e\left( t \right) + {K_I}\sum\limits_{i = 1}^n {g\left( {{e_i}} \right)} + {K_D}\Delta e\left( t \right)} \right]。$

(3)

式中： $ {K_P} $ 、 $ {K_I} $ 、 $ {K_D} $ 分别为比例、时间、微分系数； $ \Delta e\left( t \right) $ 为舰船燃气轮机转速偏差变化率。

利用自适应差分进化算法，优化可变论域模糊PID控制算法的 $ {K_P} $ 、 $ {K_I} $ 、 $ {K_D} $ ，提升舰船燃气轮机转速控制信号的输出精度。具体步骤如下：

步骤1　以浮点数编码方式，编码处理 $ {K_P} $ 、 $ {K_I} $ 、 $ {K_D} $ ，构建初始种群 $ M $ 。

步骤2　求解 $ M $ 内的个体适应度 $ f $ ，计算公式如下：

$ f = \frac{1}{{\int_0^{{t_{end}}} {{w_1}\left| {e\left( t \right)} \right| + {w_2}u\left( t \right)dt + {w_3}{t_r}} }} $

(4)

式中： $ {t_{end}} $ 为舰船燃气轮机转速控制结束时间； $ {t_r} $ 为燃气轮机转速控制过渡时间； $ {w_1} $ 、 $ {w_2} $ 、 $ {w_3} $ 为权重。

步骤3　依据自适应变异算子 $ Q $ ，变异处理每个个体， $ Q $ 的计算公式如下：

$ Q = \exp \left( {\frac{{{k_{\max }}}}{{{k_{\max }} + k}} - 1} \right) 。$

(5)

式中： $ k $ 为迭代次数； $ {k_{\max }} $ 为 $ k $ 的最大值。

步骤4　求解第 $ i $ 个目标向量 $ {x_i} $ 与第 $ i $ 个变异向量 $ {y_i} $ 的 $ f $ 值，利用交叉概率算子 $ Z $ ，交叉处理每个个体。当 $ f\left( {{x_i}\left( Q \right)} \right) < f\left( {{y_i}\left( {Q + 1} \right)} \right) $ 时，则 $ Z = {Z_{\min }} $ ；当 $f\left( {{x_i}\left( Q \right)} \right) > f\left( {{y_i}\left( {Q + 1} \right)} \right)$ 时，则 $ Z = {Z_{\max }} $ 。

步骤5　对交叉后的个体进行交叉处理，形成新种群，并获取最佳适应度值对应的最佳个体，即最佳可变论域模糊PID控制算法 $ {K_P} $ 、 $ {K_I} $ 、 $ {K_D} $ 的取值。

步骤6　分析算法是否达到 $ {k_{\max }} $ ，如果达到 $ {k_{\max }} $ ，则结束算法，输出最佳 $ {K_P} $ 、 $ {K_I} $ 、 $ {K_D} $ 的值，代入可变论域模糊PID算法内，输出最佳的舰船燃气轮机转速控制信号。如果未达到 $ {k_{\max }} $ ，则返回步骤3。

2 实验分析

以某舰船燃气轮机为实验对象，该燃气轮机的主要参数如表1所示。

正常工况下，利用本文方法采集该舰船燃气轮机转速的脉冲信号，转速脉冲信号采集结果如图3所示。

分析可知，本文方法可有效采集舰船燃气轮机转速的脉冲信号，该舰船燃气轮机转速的脉冲信号存在一定的波动情况。利用本文方法将采集的脉冲信号转换成转速信息，并计算获取舰船燃气轮机的转速偏差。

正常工况下，利用本文方法依据转速偏差，进行舰船燃气轮机转速控制，转速控制结果如图4所示。

可知，本文方法可有效控制舰船燃气轮机的转速，当舰船燃气轮机运行至10 s左右时，燃气轮机转速便可将转速迅速提升至3500 r/min左右，达到额定转速。因此可以得出，正常工况下，本文方法可快速控制舰船燃气轮机，且无超调量。

当舰船燃气轮机存在转速超速故障时，利用本文方法对其进行转速控制，转速控制结果如图5所示。

当舰船燃气轮机存在转速超速故障时，本文方法仍可有效控制燃气轮机转速，令转速稳定在3500 r/min左右。同时在出现故障时，该方法可有效向操作人员发送警报信息，提醒操作人员，舰船燃气轮机存在转速故障。因此可以得出，出现故障时，本文方法也具备燃气轮机转速控制的可行性。

分析本文方法在舰船燃气轮机出现突降负载时，其转速控制效果，分析结果如图6所示。

当燃气轮机出现突降负载情况时，本文方法依旧可有效控制燃气轮机转速；当突降50%负载时，转速控制时间在19 s左右，存在较小的超调量；当突降100%负载时，转速控制时间有所增加，在22 s左右，超调量也略有增长，但整体超调量较小。因此可以得出，突降负载时，本文方法转速控制的速度也较快，且超调量较小，本文方法转速控制的稳定性较优。

3 结　语

为确保燃气轮机及时响应与稳定运行，提升舰船航行的安全性，研究应用PLC技术的舰船燃气轮机转速控制方法，清晰呈现燃气轮机转速控制结果，提升转速控制效果，为舰船燃气轮机转速控制研究领域提供新的参考方向。