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船用单点喷射天然气发动机转速和空燃比控制研究

摘要

天然气凭借其储量的丰富性、良好的安全性、环境的友好性、政策的支持性、技术

的成熟性，在众多替代燃料中脱颖而出，船用天然气发动机目前已成为替代船用柴油机

的首选。为达到推进和发电所期望的转速和空燃比控制效果，针对系统动态过程难以精

确描述、适应各运行工况、及时抗扰等困难与挑战，研究了船用单点喷射天然气发动机

的转速和空燃比控制。

引入并改进了进气歧管燃料质量分数动态和过量空气系数传输动态，构建出面向控

制系统分析及控制器设计的平均值模型。将自抗扰控制思想应用于发动机转速串级系统

的闭环控制和稳态工况下空燃比时滞系统的反馈控制，减少了控制器设计过程中对系统

和扰动精确数学模型的依赖性、估计补偿了系统内部不确定性、主动抑制了外部扰动。

通过对面向自抗扰控制的发动机转速串级系统的描述，制定出转速串级控制策略。

并配置二阶最速离散非线性跟踪微分器安排了过渡过程，调和了转速控制中快速性和超

调间的矛盾。通过分析空燃比控制系统带宽，制定出空燃比控制策略。卡尔曼滤波器有

效滤除了进气歧管内混合气压力信号中泵气脉动噪声之余的随机噪声，较好地估计出并

及时抑制节气门处混合气质量流量这一特定扰动，提高了发动机瞬态工况下的空燃比前

馈控制效果。微分预估器实现了扩张状态观测器的输入同步，提升了发动机稳态工况下

的空燃比反馈控制性能。

基于所搭建的平均相对误差小于10%的GT-Power一维仿真模型，针对固定外部负

载扭矩400N·m、突变目标转速的发动机运行工况变化，在目标转速和目标过量空气系

数跟踪效果方面，对比了所研控制策略与伍德沃德控制策略，结果表明：所研控制策略

相较于伍德沃德控制策略，延长了72.851%的转速到达时间，减小了92.975%的转速最

大超调量，缩短了23.118%的转速稳定时间，加快了57.655%的过量空气系数到达时间，

减小了74.348%的过量空气系数最大超调量，缩短了85.154%的过量空气系数稳定时间。

关键词：单点喷射天然气发动机；转速控制；空燃比控制；自抗扰控制；卡尔曼滤波器

船用单点喷射天然气发动机转速和空燃比控制研究

Abstract

Naturalgasstandsoutamongmanyalternativefuelsduetoitsabundantreserves,high

security,environmentalfriendliness,policysupport,andtechnologicalmaturity,marinenatural

gasengineshavenowbecomethefirstchoicetoreplacemarinedieselengines.Forachieving

desiredrotationalspeedandair-fuelratiocontroleffectofpropulsionandpowergeneration,

rotationalspeedandair-fuelratiocontrolofmarinesinglepointinjectionnaturalgasengineare

studied,aimingatthedifficultiesandchallengesinaccuratelydescribingthesystemdynamics,

adaptingtovariousoperatingconditionsandtimelyrejectingdisturbances.

Intakemanifoldfuelmassfractiondynamicandexcessaircoefficienttransmission

dynamicareintroducedandimproved,meanvaluemodelforcontrolsystemanalysisand

controllerdesignisconstructed.Ac