0 引　言

柴油发电机是船舶中的供电设备^[1-2]，但是由于柴油发电机受到燃烧变化产生的转速变化会导致柴油发电机的输出电压不稳定，甚至产生缺相的严重问题，因此，若要保证柴油发电机能够稳定的输出就需要对柴油发电机的转速进行控制以及调节。

许多学者对柴油发电机的控制进行了研究。邹屹东等^[3]提出的柴油发电机控制方法，该方法以PID控制作为基础，并依据迭代学习控制具有精确的数学模型以及快速收敛的特点，设计柴油发电机转速控制方法，达到柴油发电机速度控制的目的。由于柴油发电机调速系统会受到各种噪声的干扰影响，如传感器噪声、机械振动等，该方法对噪声和干扰的鲁棒性不够，可能会导致控制效果下降或不稳定。金立军等^[4]提出的柴油发电机转速控制方法，采用电力系统稳定器和模糊PID控制二者组合进行速度调节，同时为了保证控制效果利用模拟软件进行模拟测试。该方法基于电力系统稳定器和模糊PID的调速方法可能需要更多的计算资源来实时处理控制算法，这可能会增加控制系统的硬件成本，并可能影响到实时控制的响应速度，从而影响最终的控制结果。Pesut等^[5]提出的发电机转速控制方法，基于对异步发电机与电网连接的交-直-交变换器结构的理解，以及脉宽调制变换器的建模，通过精确的控制算法，调节发电机的转速。该方法需要对控制算法进行大量的优化和调试，鲁棒性面临挑战，因此可能导致控制结果较差。Han等^[6]提出的发电机组速度控制方法，在Simcenter Amesim程序中建立变量电机CCS PID控制方法的仿真模型，在给定负载步长下，分析了不同PID参数对电机恒速控制抗干扰能力的影响，得到了控制参数的取值范围和一组最优值，通过控制参数的最优值调整发电机参数完成发电机的转速控制。由于该方法使用PID控制，在控制过程中参数选择不当可能导致系统响应过慢、超调过大或振荡不稳定。在实际应用中，由于系统特性的变化或外部干扰的影响，这些参数可能需要频繁调整，因此会导致无法及时调整发电机的转速导致控制结果较差。

PLC控制是一种在工业自动化应用极为广泛的控制方法，PLC控制有着强大的可靠性，在复杂环境中依旧能够保持稳定运行；PLC控制具有强大的扩展能力，由于PLC控制通过编程控制因此只需要对程度代码进行改变即可完成不同的操作步骤；PLC控制易于维护和升级，只需要简单的对固件进行更新便可以使系统适配更复杂的环境。基于这些优点本文提出PLC辅助下船舶柴油发电机转速控制方法，通过PLC控制有效地调节发柴油电机的转速。

1 船舶柴油发电机转速控制方法研究 1.1 柴油发电机模型构建

为了更准确地模拟和预测柴油发电机运行时各个部件之间的相互影响，为发电机的转速控制提供有效的数据支撑和参数调节依据，从而优化发电机的转速控制策略，根据柴油发电机的基本工作结构，对柴油发电机各个部件的模型进行构建与分析。柴油发电机的基本工作结构，如图1所示。

1）进排气阀模型

在忽略气流湍动能的情况下，进排气阀的流量公式可以表示为：

$ {d_m} = A{C_q}{C_m}\frac{{{P_u}}}{{\sqrt {{T_u}} }} 。$

(1)

式中：$ A $为进排气口的流通截面积；$ {C_q} $、$ {C_m} $分别为流量和流动系数；$ {P_u} $、$ {T_u} $分别为喷嘴压力和温度。

2）中冷器模型

中冷器是对涡轮增加降温的装置，帮助提升进气量，中冷器出口的压力和温度可表达为：

$ {T_s} = {T_k} - {\eta _{CW}}\left( {{T_k} - {T_{WS}}} \right)，$

(2)

$ {P_s} = {P_k} - \frac{{{\eta _r}m_s^2}}{{2gA_K^2{\rho _s}}} 。$

(3)

式中：$ {T_k} $、$ {P_k} $分别为进气温度和压力；$ A_K^2 $为流通面积；$ {\eta _{CW}} $、$ {\eta _r} $分别为冷却和阻力系数；$ {\rho _s} $为进气密度；$ {T_{WS}} $为平均温度；$ m_s^2 $为空气流量；$ g $为重力加速度。

3）涡轮增压器模型

通过柴油发电机排出的废气带动涡轮提升柴油发电机的进气量以及压力增加柴油发电机的工作效率。涡轮增压器转速、能量、流量3个条件平衡即：

$ {n_T} = {n_k}，$

(4)

$ {W_T} = {\eta _{TK}}{W_k} ，$

(5)

$ {m_T} = {m_k} + {m_f}。$

(6)

式中：$ {n_T} $、$ {W_T} $、$ {m_T} $分别为涡轮的转速、传送功率和流量；$ {n_k} $、$ {W_k} $、$ {m_k} $分别为压气机的转速、消耗功率和流量；$ {\eta _{TK}} $为涡轮增压器效率；$ {m_f} $为燃油流量。

4）柴油发电机缸内燃烧模型

柴油发电机的工作效率根据柴油发电机的缸内气体压力和温度情况进行确定，柴油发电机缸内燃耗的热效率$ Q $公式为：

$ Q = \frac{{{d_m} \times {m_T} \times {n_T} + AFR\cdot {P_u}{T_u}{W_T}}}{{LHV\cdot {T_s}{P_s}}} 。$

(7)

式中：$ LHV $为柴油低热值；$ AFR $为空燃比。

1.2 船舶柴油发电机转速控制实现

通过构建船舶柴油发电机各部件的模型为确定转速控制指标提供了理论支持和数据基础，通过分析各部件模型得出的参数和特性，可以更准确地选取适合的控制指标，实现对柴油发电机转速的有效监测和调节，从而优化发电机运行状况并提高其效率。本文从静态与动态2个角度出发，选取船舶柴油发电机转速控制指标。

1）静态指标

静差率为船舶柴油发电机从空载到满载时转速变化与空载转速的比值，公式表达为：

$ s = \frac{{\Delta n}}{{{n_0}}} \times Q \times 100{\text{%}}。$

(8)

式中：$ \Delta n $为满载转速；$ {n_0} $为空载转速。

静差率反映了船舶柴油发电机转速的变化，柴油发电机的机械硬度越大，其静差率便会越小，柴油发电机的转动稳定性也会越高，因此在相同硬度下静差率越大表明柴油发电机稳定性越差。

2）动态指标

动态指标是船舶柴油发电机转速控制过程中产生的数据指标，因此这一指标会处于动态变化。动态指标一般可分为系统跟随指标、抗干扰指标两大类。

1）超调量

在跟随性能指标中，最重要的便是超调量$ \sigma $，超调量为船舶柴油发电机进行转速控制时，实际的输出超过在稳定运行值与稳定运行值的比值^[7-8]，公式表达为：

$ \sigma = \frac{{{C_{\max }} - {C_0}}}{{{C_0}}} \times 100{\text{%}}。$

(9)

式中：$ {C_0} $为船舶柴油发电机转速控制时首次进入平稳运行的值；$ {C_{\max }} $为船舶柴油发电机转速控制时的最大输出值。

2）动态降落

动态降落是指在柴油发电机在稳定运行时受到扰动后，柴油发电机转速的下降值。公式表达为：

$ \Delta {C_{\max }} = \frac{{{C_{\max }}}}{{{C_1}}} \times 100{\text{%}}。$

(10)

式中，$ {C_1} $为船舶柴油发电机施加扰动前的稳态运行值。

在确定静差率、超调量和动态降落为船舶柴油发电机转速控制指标之后，利用PLC辅助实现转速控制，首先将上述指标与PLC程序逻辑相结合，通过监测实时数据来判断当前状态，然后根据反馈信息调节控制参数，如燃油供应量和进排气阀开启程度，从而有效地控制柴油发电机的转速，确保其稳定性和效率。PLC作为智能控制系统的核心，能够实现精准的控制和快速响应，提高船舶柴油发电机运行的可靠性和性能。

2 实验分析 2.1 实验对象与扰动设置

选择位于某市港口中的一艘货轮进行柴油发电机转速控制实验，该船舶的具体参数如表1所示。

在实验准备环节，确认货轮处于安全稳定的停泊状态，并确保实验过程中不会受到风浪等外部因素的干扰。在此条件下，人为施加一定的外部扰动，如突然增加负载，以模拟实际运行中的突发情况。观察控制方法对外部扰动的响应情况，如转速的恢复速度。在扰动结束后，持续监测柴油发电机的转速稳定性，观察其是否能够在短时间内恢复到设定值。根据实验数据和观察结果，评估PLC辅助下船舶柴油发电机转速控制方法的有效性。

2.2 实验结果

为验证本文方法的柴油发电机控制效果选择PID控制方法进行对比，柴油发电机由停止启动到平稳运行即达到额定转速 1500 r/min，控制效果如图2所示。

可以看到，在采用传统的PID控制方法下，发电机在启动初期出现了较大的超调现象。特别是在运行的前0.5 s内，超调量尤为显著，发电机转速在0.2 s时迅速攀升至约 1800 r/min，远超过目标转速1500 r/min。随后，转速又急剧下降，在0.4 s时甚至低于目标转速，直到大约0. 5 s后才逐渐稳定到 1500 r/min。相比之下，本文提出的方法在控制柴油发电机转速时表现出了更优越的性能，虽然也存在一定程度的超调，但超调量明显较小，峰值转速未超过 1600 r/min。更为显著的是，本文方法调节速度更快，仅耗时约0.3 s便使发电机达到平稳运行状态，转速稳定在 1500 r/min。通过对比可以看出，本文方法在船舶柴油发电机转速控制方面不仅具有更小的超调量，还具备更强的调节能力，能够更迅速、更稳定地将发电机转速控制在目标范围内，从而提高了船舶电力系统的稳定性和可靠性。

在船舶柴油发电机平稳运行（1500 r/min）1 s后施加扰动，在此条件下，本文方法与PID方法进行转速控制结果如图3所示。

图3清晰地展示了在柴油发动机平稳运行1.0 s后施加扰动时，2种控制方法的不同表现。采用PID控制时，发动机的转速出现了显著的超调现象，峰值转速急剧攀升至约 2000 r/min，随后又迅速下降至 1250 r/min，整个控制过程耗时约0.3 s，期间转速波动极为剧烈。由于本文方法引入了PLC来辅助控制船舶柴油发电机的转速，PLC能够实时监测柴油发电机的运行状态，并根据实时数据调整控制参数，有效应对外部扰动，确保发电机转速的稳定性。因此，本文提出的方法在控制过程中仅表现为转速的平稳增加。在1.0 s施加扰动后，控制的峰值速度约为 1700 r/min，且发动机在短短0.1 s内便回归了平稳运行状态。这种显著的优势不仅体现在控制精度的提升上，更在于对发动机稳定运行的重要保障，有利于延长发动机的使用寿命，降低维护成本。

为验证本文方法的控制效果，令柴油发电机运行100 min，与PID控制器的控制效果进s行对比，结果如图4所示。

可以发现，PLC控制下的柴油发电机在大部分时间内能够稳定运行在额定转速。然而，当采用PID控制时，柴油发电机的转速波动却尤为频繁。这种波动不仅影响了发电机的稳定运行，更可能导致其性能下降。具体来说，转速波动的峰值高达约 1800 r/min，而最低时则降至约 1250 r/min，这样的波动范围显然不利于发电机的长期稳定运行。由于本文方法通过对柴油发电机各个部件的模型进行了构建与分析，深入了解了发电机的运行机理和特性，使得本文提出的方法在控制柴油发电机转速时展现出了更为优越的性能，虽然也存在一定的转速波动，但波动幅度十分微小，最大值与最小值之间的差值不超过100 r/min，保证了发电机的长期平稳运转。这意味着发电机几乎全程都能稳定运行在额定的 1500 r/min，从而确保了发电机的高效、稳定运行。

综上所述，本文方法在控制柴油发电机转速方面表现出了显著的优势，为发电机的稳定运行提供了有力保障。

3 结　语

本文提出了一种采用PLC辅助的船舶柴油发电机转速控制方法，通过引入PLC来辅助控制船舶柴油发电机的转速，实现了对发电机转速的精准、快速调节。在转速控制中，不仅考虑了静差率这一传统指标，还加入了超调量和动态降落等参数，从静态和动态2个角度综合评估和控制柴油发电机的性能。这种多指标综合控制方法能够更全面地反映发电机的运行状态，提高了控制的准确性和有效性。实验结果表明，该方法能够迅速调整柴油发电机的转速，并在受到外力扰动时快速回归平稳运行状态，保证了发电机的长期平稳运转。本文的研究为基于PLC的船舶柴油发电机转速控制提供了一种可行的方法，但仍需不断深入研究。