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船用甲醇-柴油双燃料发动机控制策略研究

摘要

当前阶段，全球面临着空前严重的能源问题与环境污染问题，各国针对能源利用

和环境保护提出了一系列措施。其中，使用甲醇作为绿色高效兼具经济性的替代燃料

受到了内燃动力行业的大量关注。甲醇作为一种清洁可再生能源，燃烧过程产生的二

氧化碳和有害气体排放量远低于传统的柴油燃料。然而，当前甲醇船用动力的相关研

究处于起步阶段，仍然存在着控制精度低、响应速度慢等问题。因此，探究双燃料发

动机不同控制策略和算法，不仅能够提升发动机性能、确保安全运行还对提高能源利

用效率有着重要的实践意义。本文旨在研究船用甲醇-柴油双燃料发动机的控制策略，

以实现发动机在不同运行条件下的稳定性和高效性。本文的主要研究内容如下：

首先，以Z8180船用甲醇-柴油双燃料发动机为原型机，为验证控制策略和算法搭

建了实时仿真模型。仿真模型主要包括进排气、气缸及曲柄连杆机构等关键模块，通

过与发动机实际运行数据对比，验证了模型在28个工况下的喷油量和转速输出精度，

平均误差率为3.48%。最大误差率不超过10%，且柴油模式与双燃料模式下缸压变化

规律与实验数据一致，符合研究需求。

之后，分析了甲醇双燃料发动机的控制需求，设计了由安全监测、模式切换和转

速控制功能组成的控制策略整体框架，并据此开发了以转速闭环控制为核心的控制策

略。控制策略由反馈信号滤波处理、状态管理和转速闭环控制等模块组成。针对传统

PID算法在非线性控制上的局限，提出了模糊逻辑控制结合PID的改进算法（Fuzzy

PID，FPID）和二阶线性自抗扰算法（LinearActiveDisturbanceRejectionControl，

LADRC）以提升转速控制的自适应性和鲁棒性。离线仿真结果显示，这两种算法均优

于传统PID，特别是LADRC在转速跟踪加减速方面表现更佳。

最终，为了检验三个算法的控制效能，通过使用NIPXI测试系统及NIVeristand

软件，构建了一个半物理仿真测试平台。借助该仿真平台，对比分析了三种算法在转

速响应及稳定控制方面的表现。结果显示，瞬态控制中FPID算法相较于PID显著降低

了超调量和稳定时间，而LADRC算法的改善效果相比FPID更为显著；稳态控制方面，

LADRC算法显著减少了转速波动，证明了二阶线性自抗扰算法控制器在转速控制和鲁

棒性方面的优势。

关键词：甲醇-柴油双燃料发动机；转速控制；控制策略；二阶线性自抗扰；半物理仿

真

船用甲醇-柴油双燃料发动机控制策略研究

Abstract

Atthecurrentstage,theworldisfacingunprecedentedlyseriousenergyand

environmentalpollutionproblems,andcountrieshaveproposedaseriesofmeasuresfor

energyutilizationandenvironmentalprotection.Amongthem,theuseofmethanolasagreen,

efficientandeconomicalalternativefuelhasreceivedagreatdealofattention.Asacleanand

renewableenergysource,methanolproducesfarlesscarbondioxideandharmfulgas

emissionsduringcombustionthantraditionaldieselfuel.Therefore,inordertosolve