船用柴油机采用全程转速闭环控制,因柴油机本身工作特点使得转速控制具有典型非线性、时变性、不确定性且易受干扰影响特征。且现代船用柴油机的多可调机构设计使得系统间控制耦合更为复杂,常规转速控制方法因适应性和鲁棒性较差,已难以满足全工况控制性能要求,容易出现控制参数失效而导致柴油机工作异常和故障。因此,本文根据柴油机转速控制系统的特点和要求,基于滑模变结构控制理论,开展适应性和鲁棒性更强的转速控制策略设计,以提高船用柴油机全工况、全天候转速控制性能。为了探究更适合的滑模变结构转速控制策略,分别从有限时间稳定和工程实用角度进行柴油机转速滑模变结构控制器设计,并重点解决滑模控制在实际中容易出现抖振以及对被控系统精确数学模型依赖性过强的问题。同时,设计更切合柴油机实际运行特点的仿真模型,并开发滑模变结构控制策略测试平台,通过仿真和发动机台架试验,综合评价滑模变结构控制方法的转速闭环控制效果。开展的主要研究工作如下:针对柴油机实际工作中气缸做功不连续且喷油量每工作循环只更新一次的特点,在柴油机平均值模型的基础上,通过引入缸压模型,设计能够反映柴油机真实转速循环波动的分缸平均值模型,用于对转速控制策略进行更准确的性能分析和评测。另外,结合平均值模型和分缸平均值模型的特点,提炼出包含柴油机主要特性的简化连续设计模型和变步长离散设计模型,用于滑模变结构控制器的详细设计。基于有限时间收敛的终端滑模控制理论开展柴油机转速控制策略研究。为了解决控制性能依赖于柴油机精确数学模型的问题,以连续设计模型为基础,设计了一种有限时间稳定的干扰观测器,对包含模型失配部分和未知干扰的综合扰动进行估计。结合连续设计模型和综合扰动估计值,以快速终端滑模变量为基础,提出一种基于干扰观测器的终端滑模控制器。并对所设计干扰观测器和终端滑模控制器开展稳定性分析,证明该控制方式能够实现对一阶连续系统的实际有限时间稳定控制。柴油机平均值模型控制仿真结果表明,该终端滑模控制器针对连续系统的控制,比PID控制具有更强的鲁棒性。基于离散滑模控制理论开展柴油机转速控制策略研究。针对柴油机做功的不连续性,结合变步长离散设计模型,提出一种基于二阶滑模控制的离散滑模干扰观测器,对综合扰动进行估计。针对柴油机转速控制的特点和要求,通过对离散滑模控制方法进行分析,选择离散线性滑模变量和快速幂次趋近律,设计了基于干扰观测器的离散滑模控制器,并对其单调递减区、绝对收敛区和准滑模带进行分析。柴油机分缸平均值模型控制仿真结果表明,所设计的离散滑模控制器能够取得和终端滑模控制器一致的控制性能,没有出现抖振现象,且在各瞬态工况下都比PID控制器具有更好的控制效果和鲁棒性,更适合于实际柴油机转速控制。滑模变结构控制策略测试平台设计。为了探究所设计离散滑模控制器的实际柴油机控制效果,以高性能微处理器为基础,设计了包含具有强抗干扰能力的转速调理电路和三段式高低压喷油器驱动电路等在内的平台硬件。同时,采用分层和模块化设计思想,设计了具有工况管理、相位识别、轨压控制和滑模变结构转速控制等功能的平台软件。测试结果表明,所设计的测试平台软硬件满足离散滑模控制算法柴油机台架试验控制需求。基于测试平台开展滑模控制策略柴油机台架综合评测试验。通过柴油机台架运行数据分析和系统辨识,计算得出被控柴油机的离散设计模型参数,并对干扰观测器和滑模控制器参数进行优化标定,完成了柴油机起动、加/减速、稳态以及负荷突变等工况试验测试。测试结果表明,相比于PID控制,离散滑模控制器在全工况范围内均具有更好的控制效果:起动过程没有出现超调;加/减速工况下转速超调量平均下降69.9%;负荷突卸时超调量和稳定时间分别下降52.9%和47.2%;且各稳态工况下没有出现抖振现象,转速波动率均小于0.59%,满足船用主机三级精度要求。