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基于深度强化学习的船用中速柴油机转速控制策略研究

摘要

船舶工业的发展是国家装备制造业中不可缺少的组成部分，而柴油机作为船舶推进

的核心，其稳定性和可靠性至关重要。船用柴油机的首要问题是转速的稳定控制，然而

在柴油机实际工作过程中难免会遇到控制参数不合适以及负载突加突卸的情况，进而导

致转速经常出现异常波动，情况恶劣时还会导致飞车。因此，对船舶柴油机转速失稳的

有效控制对其稳定性的提升有着重要意义。

本文以我国自主品牌四冲程中速柴油机为被控对象，针对船舶柴油机稳态、稳态负

载突变以及瞬态工况中的转速控制问题，设计了基于深度强化学习的控制参数自整定控

制算法。首先根据被控对象参数，建立了其仿真模型，并验证了其准确性。控制算法方

面采用深度强化学习理论实时更新PI控制参数，并且在柴油机工作过程中采集柴油机

工况参数来在线更新状态动作值函数，实现算法的在线学习。之后根据算法和被控对象

特性设计了转速控制算法，在仿真实验中验证了转速控制算法的稳态响应、稳态负载突

变响应和瞬态响应。最后对快速控制原型和硬件在环仿真系统进行了硬件选取和软件设

计，使其与所设计的控制策略相匹配，完成了转速控制策略的半物理仿真实验。

经过仿真和实验验证，结果表明，与传统PI控制器相比，本文设计的船用中速机转

速控制策略，能够在稳态运行中控制参数不合适时对PI控制参数进行实时调整，并通

过平均3次的修改即可使转速达到平稳；在船舶受到突加突卸载荷的情况下使超调峰值

平均下降46%，系统回正速度平均增加38%；当船舶在变速过程中遇到控制参数突变导

致的转速波动，可以使转速偏差平均下降57.5%，使其尽快追踪到期望转速。

关键词：船用中速柴油机；深度强化学习；转速控制；半物理仿真

I

基于深度强化学习的船用中速柴油机转速控制策略研究

ABSTRACT

Thedevelopmentofshipbuildingindustryisanindispensablepartofthenational

equipmentmanufacturingindustry.Asthecoreofshippropulsion,thestabilityandreliability

ofdieselengineareveryimportant.Thebasicproblemofmarinedieselengineisthestable

controlofspeed.However,intheactualoperationprocessofdieselengine,itisinevitableto

encounterinappropriatecontrolparametersandsuddenloadingandunloadingofload,which

willleadtofrequentabnormalfluctuationsinspeed,andalsoleadtogallopinginbadconditions.

Therefore,effectivecontrolofspeedinstabilityofmarinedieselengineisofgreatsignificance

toimproveitsstability.

Inthispaper,aself-tuningcontrolalgorithmbasedondeepreinforcementlearningis

designedforthespeedcontrolofamarinedieselengineinsteadystate,suddenchangesin

steadystateloadandtransientconditions,takingafour-strokemedium-speeddieselengineof

Chinaso