А.А. Жиленков1, П.А. Дараган2, П.Е. Царева3

1–3 Санкт-Петербургский государственный морской технический университет (Санкт-Петербург, Россия)

1zhilenkovanton@gmail.com, 2,3marine_electronics@smtu.ru

Постановка проблемы. С точки зрения экономической эффективности к судам предъявляются требования по снижению расхода топлива, обеспечению высокой скорости и маневренных качеств при одновременном соблюдении экологических ограничений по выбросам CO2, NOx и твердых частиц (ТЧ). Главные дизельные двигатели судовых энергетических установок (СЭУ), работающие в комплексе с винтами регулируемого шага (ВРШ), обладают высокой эффективностью и низкими выбросами CO2. Однако традиционные стратегии управления по кривым внешних характеристик гребного винта характеризуются низкой динамикой, риском тепловых перегрузок при маневрировании и повышенным кавитационным шумом. Определение оптимального соотношения целей управления (расход топлива, выбросы, шум, маневренность, тепловая нагрузка) на основе натурной эксплуатации требует больших затрат и дает неоднородные результаты из-за случайных внешних факторов. Альтернативой является синтез стратегии управления на базе математической модели силовой установки, однако этому препятствуют ограниченная доступность подробных данных на двигатель и отсутствие универсально проверенных моделей, легко калибруемых по данным производителя.

Цель. Разработать на базе математической модели СЭУ адаптивную стратегию управления шагом ВРШ и подачей топлива, обеспечивающую поддержание заданной частоты вращения вала при одновременной оптимизации расхода топлива и выбросов CO2, NOx и ТЧ, снижении кавитационного шума и улучшении разгонной характеристики, а также ограничении нагрузки на двигатель и предотвращении переходов в режимы пониженных и повышенных оборотов в различных режимах эксплуатации.

Результаты. Разработана модульная иерархическая причинно-следственная модель СЭУ, включающая в себя дизельный двигатель, редуктор и валопровод, гребной винт, корпус и возмущения от волнения. Выполнена ее калибровка по данным заводских испытаний. Предложена на базе модели адаптивная стратегия управления шагом ВРШ, ориентированная на удержание эффективного угла атаки лопасти вблизи оптимального значения при косвенной оценке гидродинамического угла шага через тягу, а также реализовано медленное интегрирующее управление скоростью без пропорционального усиления ошибки. Введены ограничения по коэффициенту избытка воздуха λ, впрыску топлива и диапазону оборотов для предотвращения тепловых перегрузок и выхода на пониженные/повышенные обороты.

Практическая значимость. Модель и стратегия управления позволяют обосновывать и настраивать режимы работы СЭУ с ВРШ под различные эксплуатационные сценарии, снижая расход топлива и риск кавитации при ограничении тепловой нагрузки двигателя.

Жиленков А.А., Дараган П.А., Царева П.Е. Адаптивная оптимизация режимов работы судовой энергетической системы при синтезе управления на базе математической модели главного двигателя // Электромагнитные волны и электронные системы. 2026. Т. 31. № 2. С. 25−35. DOI: https://doi.org/10.18127/j15604128-202602-04

1. Лысенко Л.В., Шаталов В.К., Шапкина Е.И., Травин В.В., Мичулин В.Н., Лысенко С.Л. Конструирование форсированных теплообменных систем судовых энергетических установок // Наукоемкие технологии. 2019. Т. 20. № 5. С. 63–69. DOI 10.18127/j19998465-201905-08.
2. Kirtley J.L., Banerjee A., Englebretson S. Motors for Ship Propulsion // Proceedings of the IEEE. 2015. V. 103. № 12. P. 2320–2332. DOI 10.1109/JPROC.2015.2487044.
3. Kuwahara T., Yoshida K., Kannaka Y., Kuroki T., Okubo M. Improvement of NOx Reduction Efficiency in Diesel Emission Control Using Nonthermal Plasma Combined Exhaust Gas Recirculation Process // IEEE Transactions on Industry Applications. 2011. V. 47. № 6. P. 2359–2366. DOI 10.1109/TIA.2011.2168590.
4. Ke Y., Song E. Chen Y., Yao C., Ning Y. Multiscale Bidirectional Diversity Entropy for Diesel Injector Fault-Type Diagnosis and Fault Degree Diagnosis // IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement. 2022. V. 71. P. 1-10. DOI 10.1109/TIM.2022. 3218329.
5. Zhilenkov A.A., Denk D. Designing of sensoreless control system for brushless direct current motor // Proceedings of the IEEE Russia Section Young Researchers in Electrical and Electronic Engineering Conference. St. Petersburg. 2017. P. 1104–1108. DOI 10.1109/EIConRus.2017.7910748.
6. Tian M.-W., Yan S.-R., Mohammadzadeh A., Tavoosi J., Mobayen S., Safdar R., Assawinchaichote W., Vu M.T., Zhilenkov A. Stability of interval type-3 fuzzy controllers for autonomous vehicles // Mathematics. 2021. V. 9. № 21. DOI 10.3390/math9212742.