0 引　言

船舶发动机作为船舶动力的核心来源，其运行状态直接关系到船舶的航行性能及环境适应性。船舶发动机电路频率作为反映发动机运行状态及电力系统稳定性的关键参数，对其实施精确控制是实现船舶高效、可靠运行的关键^[1]。在加速、减速、巡航等不同的船舶行驶工况下，日益复杂的船舶发动机负载也会随着发生显著变化，引起电路频率的波动。此波动会影响船舶电力设备的正常运行，甚至对发动机的性能和寿命产生不利影响^[2]。

目前，已有部分国内外学者针对此领域展开了相关研究。孔帅等^[3]结合非线性与线性ESO（状态观测器）创建自抗扰控制器，通过曲轴转角信号以特定角度触发柴油机转速控制，以实现发动机电路频率的控制。该方法的控制器在非线性与线性ESO切换时，需依据实际工况变化准确调整切换条件，导致频率突变时控制响应不佳。姚文龙等^[4]依据船舶微电网同步发电机输出频率运算出角频率，结合角频率得到无模型自适应控制器，对发电机的输入机械功率实施调节，完成微电网二次调频，以实现发动机的电路频率越限控制。无模型自适应控制器需依赖历史数据实施参数调整，在船舶行驶工况快速变化时，历史数据的代表性会降低，导致控制效果不佳。段宁远等^[5]以参数化表征发动机电路内的频率与多谐波分量，并结合多尺度变换将其变换至尺度空间中。创建自适应前馈控制器，运用实时采集的电路频率及多谐波分量，实现发动机电路频率控制。但是在加速与减速的复杂工况下，谐波干扰的幅值、频率及相位变化会超出该方法的处理能力，导致控制效果下降。XU等^[6]将发动机电路频率控制问题转化为马尔科夫决策过程，结合改进PPO算法得到执行动作向量及运行状态转移向量，设计发动机控制器，实现电路频率控制。改进PPO算法在设计控制器时，其计算延迟会导致行驶工况变化时电路频率控制的实时性不佳，无法及时响应发动机的电路频率稳态性。

ARM嵌入式微控制器是一种基于ARM处理器架构的微型计算机系统，具有高性能、低功耗、功能丰富、开发便捷等特性。同时，它可引进PID控制、模糊控制等先进的控制算法实施快速地运算和分析，及时输出结果，实现快速精确控制。为此，本文结合ARM嵌入式微控制器设计一种船舶发动机电路频率嵌入式控制器，针对加速、减速、巡航等复杂多变工况下船舶的发动机电路频率波动实施快速精准调控。

1 船舶发动机电路频率嵌入式控制器设计 1.1 设计需求

以控制器为核心的船舶发动机电路频率控制系统如图1所示。

船舶发动机电路频率控制系统的工作原理为：利用霍尔、电压、电流及转速传感器监测发动机电路的频率、电压、电流和转速等参数^[7]，并将数据传至控制器；控制器基于接收的数据，运用控制算法处理后输出调节信号；根据该信号调控变频器中IGBT核心功率元件的导通与关断频率，进而调整变频器输出频率，实现对发动机电路频率的控制，同时与上位机实时交互控制数据和运行参数。基于此原理，设计船舶发动机电路频率控制器时，主要需考虑实际功能需求和接口需求两方面，其中功能需求主要包括：1）信号采集，实时获取船舶发动机电路中各类传感器监测的频率、电流、电压等信号；2）信号传输及驱动，依据船舶不同行驶工况（如加速、减速、巡航）下发动机的工作需求，输出调节信号驱动发动机电路中变频器的IGBT核心功率元件，控制其导通和关断频率以改变变频器输出频率，进而调节发动机供电频率，满足不同工况下对发动机转速和功率的需求；3）实时处理，根据采集的发动机转速、电路频率、电流及电压等信号，实时运算出对应的调节信号；4）实时通信，能与上位机实时交互各类数据，便于通过上位机实时监测与调控船舶发动机运行状态。

基于上述功能需求，船舶发动机电路频率控制器需具备的接口主要有频率、电流、电压、转速采集接口、上位机交互接口、船舶发动机电路变频器控制接口等，各接口的连接情况如图2所示。

其中，频率、电流、电压、转速采集接口分别同船舶发动机电路上的霍尔传感器、电压传感器、电流传感器及转速传感器相连接，用于实时获取此类传感器采集的发动机电路的频率、电流、电压、转速信号；发动机电路变频器控制接口同发动机电路中的变频器相连接，用于通过控制器所输出的调节信号实施相应控制；上位机交互接口同上位机之间经由串口相连接，用于实时交互各类发动机电路数据。

1.2 嵌入式控制器硬件结构设计

基于上述所分析的船舶发动机电路频率控制器设计的实际功能及接口需求，选用ARM Cortex-M7+M4嵌入式微控制器作为核心模块，设计可满足此类功能及接口需求的船舶发动机电路频率嵌入式控制器，实现对船舶加速、减速、巡航等不同工况下发动机电路频率的快速精准响应控制。该嵌入式控制器的硬件结构如图3所示。

该嵌入式控制器的硬件部分主要包括STM32H750嵌入式芯片、外部存储、LCD显示、键盘输入、语音、信号输入及调节信号输出等电路、以太网网络与CAN总线等部分。其中，STM32H750嵌入式芯片基于ARM Cortex-M7+M4双核异构内核，主频高且存储资源丰富，集成多种先进外设，高性能双核架构能满足快速运算需求，确保精准控制和实时监测。CAN总线电路用于连接支持CAN通信的传感器，实现信号数据快速可靠传输。语音电路接收语音指令并处理，实现语音控制。信号输入电路实时采集传感器信号并转换。键盘输入电路供操作人员手动输入指令参数，实现人机交互。调节信号输出电路根据芯片指令输出调节信号，控制变频器IGBT元件，实现电路频率控制。

1.3 控制算法设计

为提升船舶发动机电路频率嵌入式控制器的实际效果，引入PID控制算法并基于STM32H750芯片开发控制功能，实现实时、稳定、安全的频率控制。运行时，以电路频率为控制对象，依据实时采集的频率、电流、电压、转速等数据及预设的各工况频率目标值，通过芯片内PID算法计算调节量。利用该调节量精准调控发动机电路中变频器的IGBT元件，有效响应负载变化，确保频率稳定在合适区间，提高船舶动力系统运行效率与稳定性。船舶发动机电路频率嵌入式控制器的控制算法实现过程如图4所示。

以船舶不同行驶工况下的发动机电路频率目标值，以及实际转速、电路频率、电压、电流等数据为输入，利用STM32H750芯片内PID控制算法，根据各工况电路频率偏差值进行比例、积分、微分运算，得出不同工况下船舶发动机电路频率的调节量输出：

$ s\left(t\right)=k_p\varepsilon\left(t\right)+k_i\int_o^t\varepsilon\left(t\right)\mathrm{d}t+k_d\mathrm{d}\varepsilon\left(t\right)/\mathrm{d}t+s_0 。$

(1)

式中：$ s\left( t \right) $为$ t $时刻下STM32H750嵌入式芯片内PID控制算法所输出的发动机电路频率调节量；$ {k_p} $、$ {k_i} $、$ {k_d} $分别为该控制算法的比例、积分及微分系数；$ \varepsilon \left( t \right) $为$ t $时刻下所输入的发动机电路频率与输出的电路频率之间的偏差值；$ {s_0} $为电路频率的初始调节常量。

通过式(1)计算得到不同行驶工况下船舶发动机电路频率调节量$ s\left( t \right) $，实现对船舶不同行驶工况下发动机电路中变频器的IGBT核心功率元件的精准调控，以此调整变频器的输出频率，实现船舶不同行驶工况下发动机电路频率的有效闭环控制。

2 实验结果分析

以某中型远洋货船为例，其搭载了4台并联同步发电机，所搭载的发动机为中船镇柴双燃料发动机，该发动机的关键参数如表1所示。

应用本文所设计的控制器对该船舶在加速、减速、巡航、高速行驶4种工况下发动机的电路频率实施调节控制，通过控制结果检验本文控制器的实际控制效果。实验船舶4种工况下的发动机转速变化情况如图5所示。

可以看出，实验船舶发动机在0～60 s内处于巡航工况下，此时其转速在720 r/min附近；在60～240 s内处于加速工况下，期间其转速逐渐由720 r/min升高到750 r/min；在240～300 s内处于高速行驶工况下，此时其转速在750 r/min附近；在300～480 s内处于减速工况下，期间其转速逐渐由750 r/min降低至720 r/min。

选取非线性-线性ESO切换控制方法、无模型自适应控制方法（文献[3～4]方法）与本文控制器分别对各种工况下实验船舶发动机电路频率实施控制，在巡航与高速行驶2种工况下，实验船舶发动机的转速分别处于720 r/min附近与750 r/min附近，均属于转速相对稳定的行驶工况，这2种转速稳定工况下各方法及本文控制器控制后，实验船舶发动机的电路输出频率变化情况如图6所示。

可知，在实验船舶巡航行驶工况下，本文控制器控制后的实验船舶发动机电路输出频率均可保持在49.8～50.2 Hz之间；在高速行驶工况下，非线性-线性ESO切换控制方法、无模型自适应控制方法存在部分频率超出此区间的情况，未能满足实验船舶发动机的频率波动≤±0.2 Hz的要求；另外，2种行驶工况下，本文控制器控制后实验船舶发动机的电路输出频率均更为稳定，波动幅度相对更小。

在加速与减速2种航行工况下，实验船舶发动机的转速不稳定，存在较大的变化趋势，对此情况下各对比方法及本文控制器控制后的实验船舶发动机电路输出频率实施检验，所得检验结果如图7所示。

可知，在加速与减速行驶工况下，实验船舶发动机的电路输出频率均会出现明显波动趋势，原因是2种工况下发动机的负荷均会出现变化，导致频率明显波动，经各方法及本文控制器控制后，均能够抑制此种频率波动，但相比之下，本文控制器的抑制效果更好，能够更快速地响应频率波动，恢复频率到稳定区间内；本文控制器及各个对比方法在加速工况下的频率波动稳态响应用时分别为4.98、15.03、15.88 s，在减速工况下的频率波动稳态响应用时分别为4.12、14.83、15.17 s。

3 结　语

本文设计一种船舶发动机电路频率嵌入式控制器。以ARM Cortex-M7+M4嵌入式微控制器为核心，快速精确调节巡航、高速行驶、加速及减速等不同行驶工况下船舶发动机的电路输出频率。保证电路频率的持续稳态输出，确保发动机与负载的动态匹配，减少船舶动力系统的故障风险，适应日益复杂的航行与环保需求，保证船舶的安全平稳行驶。