0 引　言

在极地开发与节能减排的大背景下，冰区加强船舶成为了极地航线运输的不二之选^[1]。随着国家低速机创新工程的实施，我国已初步具有自主研发双燃料低速柴油机的能力^[2]，为极地船舶研制开发与节能减排奠定了良好基础。但船舶在冰区航行过程中，螺旋桨与冰块碰撞时会产生较大的瞬态冲击，由此导致船舶轴系出现转速波动现象，主要体现在转速波动范围、恢复稳定转速时间等方面，而过大的转速波动范围及较长的恢复稳定转速时间将对船舶的运行稳定性与舒适性造成较大影响，甚至会引起曲轴断裂等严重安全事故^[3]。

章义平等^[4]通过安装可变转动惯量飞轮，使其具备了更好的抗负荷扰动性能，与传统柴油机相比，其启动时的转速超调量较小，并且具有更好的转速稳定性能；Hai等^[5]建立发动机动力学模型，研究飞轮储能对发动机转速稳定性的影响，并通过实验证明具备高储能飞轮的发动机转速波动较小。朱行安^[6]详细介绍了柴油机起动、怠速控制策略，通过开展不同PI系数对怠速稳定性的对比试验，证明了合理的PI参数有利于提高柴油机怠速稳定性；Kim等^[7]针对传统发动机怠速控制侧重于发动机转速平均值，忽略发动机转速短期波动的问题，利用遗传算法的进化控制系统及基于Alopex的随机控制来减小发动机转速的波动；钱耀义等^[8]充分考虑怠速过程的非线性、时变性和不确定性，构建了柴油机怠速模糊控制模型，通过对比试验证明采用模糊控制的转速波动范围小于传统控制模型；尹玲玲等^[9]基于船舱自动化网络系统搭建柴油机半物理仿真平台及控制系统，设计了基于变论域的模糊PID控制器，实现了PID参数在线调整，改善了柴油机超调量及响应时间；Zhao等^[10]基于径向函数和神经网络理论提出了RBF-PID柴油机转速控制算法，通过试验验证，该算法可有效降低转速恢复时间；Ni等^[11]通过对柴油机轴系的扭振、转速控制系统及提前喷射角的耦合分析，发现控制策略和提前喷射角对燃烧和作用在曲轴上的瞬时激励力矩有着显著的影响；Vladimir等^[12]通过台架试验得到了瞬态过程的持续时间、超调和调节参数的自然震荡周期对PI控制参数的依赖关系，并提出了参数优化方法。

通过对国内外学者的研究成果进行总结分析，船舶柴油机转速波动控制主要包括2种技术途径：1）通过设计阶段优化机械结构；2）通过调整转速控制系统的调控策略，提升柴油机转速稳定性。本文通过冰区加强船舶柴油机转速稳定性提升方法研究，建立基于调控作用的柴油机转速仿真模型，计算不同调控参数下的转速稳定性，归纳总结瞬态冲击下，基于调控作用的冰区加强船舶柴油机转速稳定性提升方法。

1 柴油机转速稳定性评价指标

优化机械结构主要是在船舶设计建造阶段，仿真计算与试验测试相结合，对船舶轴系机械结构进行优化设计，也是最有效、最直接的方法，但大部分完成建造的船舶无法通过该方法对轴系转速稳定性进行提升。而调整柴油机控制策略能够在不改变原有机械结构的情况下进行，主要通过调整柴油机转速控制系统调控策略实现轴系转速稳定性能。本文以某型冰区加强船舶轴系为例，研究通过调整转速控制系统的调控策略的方式提升船舶轴系转速稳定性的方法，该船舶轴系包含扭振减振器、柴油机曲轴、轴段、螺旋桨。

冰区航行船舶在螺旋桨受冰载荷瞬态冲击后，其转速变化分为2个阶段，第一阶段为瞬态冲击介入时，其螺旋桨负载瞬时增加，导致其转速瞬间下降，控制系统为恢复其运行转速，需增加喷油量，进而将轴系转速提高至设定转速。第二阶段为瞬态冲击消失时，其螺旋桨负载瞬时降低，瞬时转速高于设定转速，需降低喷油量，将轴系转速恢复到设定转速。具体过程如图1所示。

船舶转速稳定性与冲击阶段最低转速、最高转速、转速恢复稳定时间等因素有关，本文定义船舶柴油机转速稳定性指标为S，计算公式如下：

$ S = \frac{{({R_{\max }} + {R_{\min }}) \times T}}{{2 \times \delta R \times ({T_1} + {T_2})}} 。$

(1)

式中：R_min为冲击阶段最低转速；R_max为冲击阶段最高转速；δR=R_max−R_min为转速波动；T₁为冲击开始阶段转速恢复稳定时间；T₂为冲击结束阶段转速恢复稳定时间；T为冲击开始到冲击结束时间。

当船舶受到瞬态冲击后，其转速波动越小、转速恢复时间越短，转速稳定性指标S越大，则说明该船主机转速稳定性越好。以某型冰区加强船舶柴油机为例，其螺旋桨受瞬态冲击后柴油机转速波动范围S在3～20。

2 基于调控作用的冰区加强船舶转速仿真模型 2.1 基于调控作用的船舶转速仿真模型建立

柴油机转速调控系统由控制器、执行器及柴油机及其轴系构成的闭环控制系统^[13]。将PID控制模型与船舶轴系转速模型相结合，提取轴系实时转速，构建船舶柴油机转速仿真模型。将柴油机及其轴系进行当量转化构建柴油机转速仿真模型，在各惯量上施加系统内各类激励及负载可对船舶轴系转速进行计算^[14]，PID控制模型通过读取轴系实时转速计算实时转速与目标转速的差值通过喷油系统控制喷油量进而改变气缸激励从而维持转速在目标转速附近^[15]。该系统模型如图2所示。

其中，目标转速为人为设定的柴油机平均转速，控制器为PID控制系统，执行器为柴油机喷油系统，作用对象为柴油机本体，激励及负载主要包含燃烧力、惯性力、螺旋桨激振力等，实际转速为按照实际工程中提取的飞轮端瞬时转速^[16]。本文以冰区加强船舶柴油机为研究对象，在传统激励与负载基础上，需考虑冰块撞击螺旋桨所产生的冰载荷激励。

转速设定模块为输入期望柴油机运行的稳定转速n，r/min；PID为控制模块，输入值为预期转速与实际瞬时转速的差，输出值为电流，A；i-x、x-q、q-k分别为执行模块，将PID控制系统输出的电流量转化为位移、喷油量、气缸压力调节系数；柴油机本体为被控对象，其内部包含了扭振减振器、飞轮、轴段、螺旋桨等部件^[17]，输入值为作用于气缸激励上的系数k，输出值为飞轮的瞬时转速R，r/min。控制模块读取飞轮的瞬时转速，从而形成闭环反馈控制调节^[18]。

以该模型计算船舶轴系前两阶共振转速如表1所示。

通过进行柴油机连续升转速试验，测试结果瀑布图如图3所示。

通过柴油机升转速的瀑布图结果可知，19.48 Hz频率附近，10、11、12及13谐次下出现峰值，在40.37 Hz频率附近，22、25、28谐次下出现峰值。通过试验结果可知1阶共振转速为1168.8 r/min，2阶共振转速为2422.2 r/min。仿真结果与试验结果误差小于5%验证了仿真模型精度，后续将模型用于船舶转速稳定性提升研究。

2.2 正常海况航行船舶转速时域仿真计算结果

正常海况工况航行船舶转速时域仿真计算，不施加冰载荷激励，因此螺旋桨处的负载仅存在螺旋桨激振力矩。计算柴油机的轴系转速，调控模型PID参数K_p、T_t、T_D取值分别为0.1、0.05、0.01，提取飞轮惯量的时域转速如图4所示。

可以看出，计算模型从初始值0开始计算逐渐增加，当转速达到预设额定转速的时候，经过一个超调过程后稳定在了125 r/min附近，超调时间5 s，超调阶段最高转速为132 r/min。

2.3 冰载荷瞬态冲击下船舶转速时域仿真计算结果

假定冰区加强船舶长期在冰区航行，将冰块密度设为最低，即在运行过程中有一段时间冰块与螺旋桨相互作用，在此情况下冰载荷激励瞬间加载于螺旋桨之上，冰载荷激励变为瞬态冲击激励。

冰载荷激励按照中国船级社对于冰区加强船舶的冰层设计厚度评级进行计算^[19]。计算当前工况下，船舶的柔性轴系转速，调控模型PID参数分别为0.1、0.05、0.01，瞬态冲击在超调转速稳定后加载，加载时间为100～120 s，提取飞轮惯量的时域转速如图5和图6所示。

可知，飞轮转速在经过超调后保持在额定转速125 r/min附近稳定，在100 s时施加冰载荷激励，转速降低后上升继续保持稳定，在120 s时负载消失，转速上升后于140 s时恢复稳定状态。

3 冰区加强船舶柴油机转速稳定性提升方法

在相同PID参数情况下，无冰载荷激励调控后的飞轮转速波动在125±1 r/min之间。施加冲击载荷后，转速波动最低为111.5 r/min，最高为137 r/min，稳定阶段转速保持在125±2 r/min。

依据基于调控作用的船舶转速仿真模型，提取无冰载荷、施加瞬态冲击冰载荷工况下的飞轮时域转速，对其结果进行统计学参数分析，如表2所示。

可知，上述2种工况下飞轮瞬时平均转速基本相同，施加瞬态冰载荷冲击后，飞轮瞬时转速的峰峰值及方差值有了明显的提高。因此，可以判断在冰载荷瞬态冲击后，飞轮瞬时转速波动最大。

对于冰区加强船舶，主要希望其转速具有良好的稳定性，在螺旋桨撞击与脱离冰块时转速波动小、恢复到额定转速快，这样的理想轴系在冰区航行的过程中可以有效地降低瞬时冰载荷对轴系的影响。

保持其他条件不变，将比例系数分别为0.1、0.5、1、1.5、2、5，受到冲击冰载荷后，不同比例系数PID控制下柴油机转速波动及恢复额定转速时间如表3所示。

通过对上述仿真结果进行对比分析，随着比例系数的增大，转速波动逐渐变小，瞬时转速恢复到额定转速的时间缩短。比例系数增大的同时，会导致柴油机转速升速阶段时间延长，因此在只考虑冰区航行时比例系数在不影响控制系统稳定性的前提下尽量加大。

按照相同方法进行积分时间常数、微分时间常数对柴油机转速波动影响的仿真计算，可知积分时间常数对转速波动影响较大，微分时间常数对转速波动影响较小。随积分时间常数增大，超调部分转速增大，受冰载荷冲击后转速波动范围变小，恢复转速稳定时间逐渐缩短。

建立3层BP神经网络，选取非零随机数作为网络节点权值，以20组仿真模型的比例系数、积分时间常数作为输入值，相对应的转速波动、恢复时间为输出值，通过计算不断修正权值，当全局误差小于1%时学习结束。进入输入值最优解选取过程，根据仿真结果得出的规律，判别依据设定为超调部分转速低于转速波动的50%、转速波动范围与恢复时间小于其他计算结果。

通过迭代计算寻求最优输入值，以降低转速波动及瞬时转速恢复时间为目标对比例系数、积分常数K_p=0.1、T_t=0.05进行优化，优化后结果为K_p=3、T_t=3.55，优化前最高转速与最低转速差为47.93 r/min，恢复时间8.32 s，转速稳定性S为6.25，优化后为25.4 r/min，恢复时间8.20 s，转速稳定性S为11.11。

4 结　语

通过开展基于调控作用的冰区加强船舶柴油机转速稳定性提升方法研究，总结了柴油机转速控制系统PID调控参数对转速稳定性的影响规律，计算了利用BP神经网络遗传算法优化PID参数后的船舶轴系受到瞬态冲击下的瞬时转速波动，与优化前的进行对比，船舶轴系转速稳定性有了明显的提升，并得出以下结论：

1）在合理范围内，提高柴油机PID控制系统比例系数，可以降低船舶受瞬态冲击后的转速波动范围及恢复稳定转速时间；

2）在合理范围内，提高柴油机PID控制系统积分时间常数，可以降低船舶受瞬态冲击后的转速波动范围及恢复稳定转速时间，同时会导致启动阶段达到设定转速时间增长；

3）以仿真模型的PID参数及输出结果的超调部分转速、受冲击后转速波动范围、恢复稳定转速时间作为学习样本集，构建BP神经网络模型，通过反复迭代计算可获取受瞬态冲击后保持转速稳定性的最佳参数设置，以某型冰区加强船舶柴油机为例，优化前柴油机转速稳定性S为6.25，优化后柴油机转速稳定性S为11.11。