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船用天然气发动机空燃比自适应精确跟踪控制

摘要

船用天然气发动机作为船舶领域的清洁动力源，其运行控制是影响整机性能的关

键技术。然而，船用天然气发动机具有惯性大、进气延迟特性显著、系统高度耦合等

特点，另外由于使用了天然气燃料，其对空燃比的变化也更为敏感。因此，对船用天

然气发动机空燃比的精确跟踪控制是目前亟待解决的关键性问题。本文聚焦于船用天

然气发动机空燃比高性能控制器设计，在转速控制的基础上深入分析了空燃比延迟特

性，通过设计包含前馈和反馈控制器的双通路控制策略，提升了空燃比综合控制性能。

主要研究内容如下：

首先，对船用天然气发动机的工作原理和结构特点进行了分析，采用模块化建模

的方法建立了用于控制策略设计的天然气发动机平均值模型。为了弥补平均值模型在

发动机动态特性表征方面的不足，基于GT-Power平台建立了天然气发动机一维模型，

并使用实机数据进行了精度核验。结果显示，所建立的发动机一维模型的误差能够保

持在10%以内。随后基于GT-Power平台进行了发动机数据的获取，完成了平均值模型

的数据标定以及精度核验。

然后，根据船用天然气发动机的运行需求完成了发动机转速控制策略的设计，包

括发动机状态管理、开环以及闭环的控制策略。基于所建立的发动机平均值模型，提

出了带扰动观测器的转速—进气压力双闭环控制器，并且设计了高性能节气门控制器

来提升对进气压力的控制效果。基于M语言编程实现与GT-Power的联合仿真，验证

了所提出的转速控制策略有效性，转速阶跃的响应时间缩短至2s以内。同时，针对空

燃比控制的大时滞特性，结合了进气流量估计以及非最小相位系统控制方法，设计了

基于扩展卡尔曼滤波估计的前馈控制器；使用自适应Smith预估器对空燃比动态特性

进行估计及补偿，基于补偿后的输出设计了快速收敛滑模控制器。通过仿真验证了所

设计空燃比控制策略的有效性，其中阶跃响应的调整时间保持在1.5s以内，扰动下的

调节时间保持在2.5s以内。

最后，为了进一步验证控制器的有效性，基于dSpace快速控制原型设备以及NI

仿真平台搭建了半物理仿真平台。根据实际需求设计了多个测试工况对转速控制策略

和空燃比控制策略进行了验证。结果表明，在转速稳定控制的基础上，双通路空燃比

控制策略能够展现出较好的抗扰动和快速跟踪能力，在实际工程应用中具有较高的价

值。

哈尔滨工程大学专业学位硕士学位论文

关键词：船用天然气发动机；空燃比控制；转速双闭环控制；自适应控制；滑模控

制

船用天然气发动机空燃比自适应精确跟踪控制

Abstract

Theoperationalcontrolofmarinenaturalgasengines,servingasacleanpowersourcein

themaritimesector,ispivotalininfluencingoverallengineperformance.However,marine

naturalgasenginesexhibitcharacteristicssuchashighinertia,significantintakedelay,and

strongsystemcoupling.Additionally,duetotheuseofnaturalgasasfuel,theyare

particularlysensitivetovariationsinair-fuelratio.Therefore,precisetrackingandcontrolof

air-fuelratiohavebecomecriticalchallengesinneedofimmediateresolution.Thispaper

focusesonthedesignofahigh-performanc