（輪機工程專業(yè)論文）船舶柴油機冷卻水溫度控制系統(tǒng)的研究與設計.pdf

中文摘要 摘要 作為主推進動力裝置的船舶柴油機具有大慣性 多變量 多輸出 運行工況 復雜的特點 其工作狀況好壞直接影響船舶與人身安全以及船舶經(jīng)營利潤 船舶 柴油杌冷卻水的溫度是影響柴油視工作的重要熱工參數(shù) 精確控制冷卻水的溫度 對于提高柴油機的動力性 減少廢氣的產(chǎn)生 減少燃料消耗量等方面都有著重要 的意義 柴油機冷卻水的溫度過高 會加快潤滑油的老化 加速零件的磨損 柴 油機冷卻水溫度過低 3 0 c 以下 燃氣串的酸根與水結合成酸類物質 使氣缸的 磨損增加 冷卻水溫控制的好壞直接影響柴油機的工作狀態(tài) 然而由于冷卻水本 身的熱傳遞過程以及系統(tǒng)的管路延遲使冷卻水的溫度變化具有了長時滯大慣性的 特點 加之船舶柴油杌工作狀況的復雜性 給船舶柴油機溫度的調節(jié)帶來了很大 難度 冷卻水溫度經(jīng)常超調 論文針對船舶柴油機冷卻水溫度大慣性 長時滯 易超調的特點 在深入研 究船舶柴油機高溫冷卻水系統(tǒng)熱力學模型與溫度控帶4 系統(tǒng)模型的基礎上 基于前 饋控制理論利用m a t l a b 仿真軟件設計了兩款前饋模糊控制器 并對控制效果進 行了仿真對比試驗 結果表明引入前饋模糊控制環(huán)節(jié)以后系統(tǒng)的控制速度與抗擾 動能力顯著提高 為了提高船舶柴油機冷卻水溫度控制系統(tǒng)的可靠性以及控制效 果的快速性與準確性 本文設計了一套基于p l cs 7 2 0 0 的新型船舶柴油機冷卻水 溫度控制系統(tǒng) 系統(tǒng)具有前饋模糊控制功能 有自動與手動運行兩種工作模式 擁有人機界面 具有高低溫報警 系統(tǒng)相關參數(shù)的設定及修改等功能 關鍵詞 船舶柴油機 冷卻水溫度 模糊控制 n a t ia b 仿真 p i c 英文摘要 a b st r a c t m a r i n ed i e s e le n g i n ei sap o w e rp l a n tw i t hb i gi n e r t i a m u l t i v a r i a b l e m u l t i r o u t p u t a n dc o m p l e x i t yo p e r a t i n gc o n d i t i o n s i t sw o r k i n gc o n d i t i o n sh a v ed i r e c ti m p a e t i o no n n a v i g a t i o ns e c u r i t ya n ds h i p so p e r a t i n gp r o f i t s t h et e m p e r a t u r eo fc o o l i n gw a t e ro f m a r i n ed i e s e le n g i n ei sa ni m p o r t a n tr e f e r e n c e i ti sv e r ys i g n i f i c a n tt oc o n t r o lt h e t e m p e r a t u r eo fc o o l i n gw a t e ra c c u r a t e l y f o ri m p r o v i n gt h ep o w e rp e r f o r m a n c eo fd i e s e l e n g i n e d e c r e a s i n gt h ee x h a u s t i n ga n ds a v i n gf u e l i ft h et e m p e r a t u r eo fc o o l i n gw a t e r i s v e r yh i g h t h eh i g ht e m p e r a t u r ew i l ls p e e d u pt h ea g e i n gs p e e do fl u b r i c a t eo i l a n d a c c e l e r a t et h ew e a ra n dt e a ro fp a r t s i ft h et e m p e r a t u r ei sv e r yl o w b e l o w3 0 c t h e a c i dr a d i c a li nc o m b u s t i o na i ra n dw a t e rc o m ei n t on e wa c i d a n dt h en e wa c i da l s o a c c e l e r a t et h ec o r r u p t i o no ft h ep a r t s s ot h et e m p e r a t u r eo fc o o l i n gw a t e ra f f e c t st h e p e r f o r m a n c eo fd i e s e le n g i n e h o w e v e r d u e t ot h eh e a tt r a n s f e rp r o c e s sa n dt h ep i p e l i n e d e l a y t h e r ei s al o n gd e l a ya n db i gi n e r t i af o rt h et e m p e r a t u r eo fc o o l i n gw a t e r c o m b i n i n g 淅m(xù)t h ec o m p l e x i t yo p e r a t i n gc o n d i t i o n so ft h ee n g i n e i ti sv e r yd i f f i c u l t yt o c o n t r o lt h et e m p e r a t u r eo fc o o l i n gw a t e r i nt h i sp a p e r f o rb i gi n e r t i a l o n gd e l a ya n de a s yo v e r s h o o t i n go ft h et e m p e r a t u r e t h e r m o d y n a m i cm o d e la n dc o n t r o ls y s t e mm o d e lo fc o o l i n gw a t e ro fm a r i n ed i e s e l e n g i n ea r es t u d i e d b a s e do nf e e d f o r w a r dc o n t r o lt h e o r y t w of u z z yc o n t r o l l e r s a r e d e s i g n e d a n dc o n t r o le f f e c t so ft h ec o n t r o l l e r sa r ec o m p a r e di nm a t l a b t h es i m u l a t i o n r e s u l t ss h o wt h a tt h ec o n t r o ls p e e da n da n t i d i s t u r b a n c ea b i l i t ya l es i g n i f i c a n t l y i m p r o v e da f t e rf e e d f o r w a r df u z z yc o n t r o l l e ri n t r o d u c e d i no r d e r t oi m p r o v er e l i a b i l i t y c o n t r o ls p e e da n da c c u r a c yo ft h ec o n t r o ls y s t e m i nt h i sp a p e r an e wt e m p e r a t u r e c o n t r o ls y s t e mb a s e do ns 7 2 0 0p l ci sd e s i g n e d t h en e wc o n t r o ls y s t e mh a st h e f u n c t i o no ff e e d f o r w a r df u z z yc o n t r 0 1 a u t o m a t i ca n dm a n u a lo p e r a t i o nm o d e s w i mt h e h i mo ft h ec o n t r o ls y s t e m s y s t e mp a r a m e t e r sc a nb es e ta n dm o d i f i e d a l s oa b n o r m a l c o n d i t i o ns u c ha sh i g ha n dl o wt e m p e r a t u r ec a nb ea l a r m e d k e yw o r d s m a n n ee n g i n e t e m p e r a t u r eo fc o o l i n gw a t e r f u z z yc o n t r o l m a t l a bs i m u l i n k p l c 大連海事大學學位論文原創(chuàng)性聲明和使用授權說明 原創(chuàng)性聲明 本人鄭重聲明 本論文是在導師的指導下 獨立進行研究工作所取得的成果 撰寫成碩士學位論文 鱉照苤澶扭獫塑壅漁廑蕉劍丕統(tǒng)的硒窺墨逡過 除論文中 已經(jīng)注明引用的內(nèi)容外 對論文的研究做出重要貢獻的個人和集體 均已在文中 以明確方式標明 本論文中不包含任何未加明確注明的其他個人或集體已經(jīng)公開 發(fā)表或未公開發(fā)表的成果 本聲明的法律責任由本人承擔 學位論文作者簽名 學位論文版權使用授權書 本學位論文作者及指導教師完全了解大連海事大學有關保留 使用研究生學 位論文的規(guī)定 即 大連海事大學有權保留并向國家有關部門或機構送交學位論 文的復印件和電子版 允許論文被查閱和借閱 本人授權大連海事大學可以將本 學位論文的全部或部分內(nèi)容編入有關數(shù)據(jù)庫進行檢索 也可采用影印 縮印或掃 描等復制手段保存和匯編學位論文 同意將本學位論文收錄到 中國優(yōu)秀博碩士 學位論文全文數(shù)據(jù)庫 中國學術期刊 光盤版 電子雜志社 中國學位論文全 文數(shù)據(jù)庫 中國科學技術信息研究所 等數(shù)據(jù)庫中 并以電子出版物形式出版發(fā) 行和提供信息服務 保密的論文在解密后遵守此規(guī)定 本學位論文屬于 保 密口在 年解密后適用本授權書 不保密 請在以上方框內(nèi)打 論文作者簽 導師魏乏旅秒 日期 勱 d 年 月 廠目 船舶柴油機冷卻水溫度控制系統(tǒng)的研究與設計 第1 章緒論 1 1 研究背景 在船舶柴油機中燃油燃燒釋放出的熱量約有3 0 3 3 要經(jīng)過氣缸 氣缸蓋和 活塞等部件散發(fā)出去 i l 船舶柴油機冷卻水擔負著帶走這些熱量以保障受熱部件處 在正常溫度的任務 冷卻水溫度的高低變化與船舶柴油機的工作性能 運行壽命 有著密切的聰系 精確控制冷卻水的溫度 對于提高柴油機的動力性 減少廢氣 的產(chǎn)生 降低燃料消耗量等方面有著重要的意義 然而由于冷卻水本身的熱傳遞 過程以及系統(tǒng)的管路延遲使冷卻水的溫度變化具有丁長時滯大慣性的特點 加之 船舶柴油機工作狀況的復雜性 給船舶柴油機溫度的調節(jié)帶來了很太難度 而僅 以柴油機冷卻水出口溫度這一被控量作為控制通道的輸入量來進行控制難免會使 冷卻水溫度超調吲 智 a 1 t 圖i 1 船舶柴油機中央冷卻系統(tǒng)原理圖 f i 9 1 1 c e n t r a l c o o l i n gs y s t e mo f m a r l n e d i e s e l e n g i n e 目前 船舶柴油機冷卻系統(tǒng)以中央冷卻水系統(tǒng)為主 圖l1 為船舶柴油機中央 毒 t 蘭 第1 章緒論 冷卻系統(tǒng)原理圖 這種冷卻系統(tǒng)的特點是使用兩個不同工作溫度的單獨淡水循環(huán) 系統(tǒng) 高溫淡水 6 0 8 5 和低溫淡水 3 0 4 0 閉式系統(tǒng) 高溫淡水用于 冷卻柴油機 低溫淡水用于冷卻高溫淡水和各種冷卻器 最后由開式海水系統(tǒng)在 中央冷卻器中對低溫淡水進行冷卻 由此可以保證只使用一個用海水作為冷卻液 的冷卻器 中央冷卻器較傳統(tǒng)的冷卻水系統(tǒng)有以下優(yōu)點 1 用于冷卻柴油機的高溫淡水溫度相對穩(wěn)定 受工況變化的影響較小 因 而能保障柴油機始終在最佳冷卻狀態(tài)下運行 2 淡水在循環(huán)使用中可長時間保持清潔 維修工作量大大降低 3 中央冷卻器及海水管系的維修工作降至最低限度 冷卻水溫度自動控制系統(tǒng)作為中央冷卻系統(tǒng)中的核心部分有電動 氣動 液 動等作用方式 目前電動控制系統(tǒng)在船舶上應用最為廣泛 電動控制系統(tǒng)與其它 類型的控制系統(tǒng) 如氣動 相比 具有以下優(yōu)勢 1 無需特殊的氣源和空氣凈化等裝置 電源消失時 三通閥開度能保持在 原來的位置上 2 能夠遠距離傳輸信號 電纜的安裝比氣管方便 且便于檢查與維護 3 能夠很方便地與計算機連接 適應新技術的發(fā)展 有利于機艙自動化程 度的提高 傳統(tǒng)的冷卻水溫度自動控制系統(tǒng)的作用方法是 利用安裝在船舶柴油機冷卻 水進口或者出口管路中的感溫元件 經(jīng)分壓器分壓把冷卻水溫度成比例地轉換為 電壓信號 這個測量信號與由電位器整定的給定值電壓信號相比較得到偏差信號 再經(jīng)過p d p i 或p i d 輸出一個控制信號 并將此控制信號送至脈沖寬度調制器 將連續(xù)的控制信號變成斷續(xù)的脈沖信號來控制執(zhí)行器的轉動 從而調節(jié)三通閥的 開度改變冷卻水進入冷卻器的旁通量 進而調節(jié)冷卻水溫度 3 大連海事大學教學 實習船 育鯤 輪采用的便是o m r o n 公司生產(chǎn)的基于p i d 控制的e 5 e n c 3 t 型 電動溫控儀 但無論是氣動控制方式還是電動控制方式目前冷卻水溫度的自動控 制均采用單輸入 單輸出的p d p i 或p i d 閉環(huán)控制 這種控制方法很難將受多個 變量制約的船舶柴油機冷卻水溫度穩(wěn)定而精確的控制在給定值上 從而影響了柴 油機的使用壽命及運行成本 一2 一 船舶柴油機冷卻水溫度控制系統(tǒng)的研究與設計 為提高船舶柴油機運行的可靠性與經(jīng)濟性 目前國內(nèi)外對船舶柴油機冷卻水 溫度控制系統(tǒng)的研究也在逐漸深入 砧f al a v a l 公司開發(fā)的e n g r a d 控制系統(tǒng)不 僅能夠對淡水溫度進行p i 調節(jié) 而且具有根據(jù)熱負荷的變化對海水泵進行流量模 式轉換的功能 同時系統(tǒng)還能夠定時對海水系統(tǒng)進行清洗 4 5 1 o m r o n 公司研制 的e 5 e n c 3 t 型電動溫控儀能夠實現(xiàn)對系統(tǒng)的p i d 控制 并能夠根據(jù)運行工況方 便地調節(jié)p i d 參數(shù) 文獻 3 基于單片機的船舶柴油機冷卻水溫度控制系統(tǒng) 以 及文獻 6 船舶柴油機冷卻水溫度智能控制系統(tǒng)研究與設計 均提出了基于單片 機的冷卻水溫度控制系統(tǒng)的設計思路與設計方法 并針對船舶柴油機冷卻水系統(tǒng) 的時滯特性提出了 帶有s m i t h 預估器的p i d 控制方法 文獻 7 提出了 船用 柴油機冷卻水溫度的模糊控制 方法 控制系統(tǒng)接收油門刻度 掃氣壓力 進出 機溫度差等多種前饋信號進行模糊控制 克服了單輸入 單輸出的p d p i 或p i d 控制的缺陷 文獻 8 提出了基于神經(jīng)網(wǎng)絡的模糊p i d 控制方法 該方法的優(yōu)點是 控制系統(tǒng)具有適應控制環(huán)境變化和自學習的能力 當柴油機運行工況發(fā)生變化時 仍具有很好的控制性能 1 2 本文研究的內(nèi)容及意義 本文針對船舶主機缸套冷卻水溫度自動控制系統(tǒng)進行了研究 針對柴油機冷 卻水溫度大慣性 易超調的特點 本文作了以下工作 1 對船舶柴油機高溫淡水回路的熱力學模型及控制系統(tǒng)模型進行了研究 并利用z i e g l e r n i c h o l s 方法對控制系統(tǒng)p i d 參數(shù)進行了整定 2 在傳統(tǒng)p i d 控制基礎上系統(tǒng)引入前饋模糊控制環(huán)節(jié) 在分析柴油機各種 工況與調速特性的基礎上對前饋模糊控制環(huán)節(jié)引入?yún)?shù)做了定性分析 分別以柴 油機排煙溫度 油門拉桿位移為前饋信號進行了前饋模糊控制器的設計 并進行 了基于這兩款模糊控制器的綜合控制系統(tǒng)的控制效果仿真分析研究 3 針對船舶機艙的特殊環(huán)境 提出了基于s 7 2 0 0 p l c 的船舶柴油機冷卻水 溫度控制系統(tǒng)的設計思路 并對控制系統(tǒng)各硬件環(huán)節(jié)作了研究與設計 在此基礎 上利用h i t e c ha d p 6 軟件設計了系統(tǒng)人機界面的控制畫面 并利用 s t e p 7 m i c r o w i n 編程軟件進行了控制系統(tǒng)部分p l c 程序的編寫 4 針對實船海水泵運行狀況 通常機艙設置兩臺功率較大的海水泵 一臺 第1 章緒論 作為備用 工作狀態(tài)下另一臺海水泵運行 通過人工調節(jié)海水泵出口開度來調節(jié) 海水流量 且一般情況下海水泵出口閥開度僅為全開狀態(tài)的i 5 左右 引入海水 變流量自動控制環(huán)節(jié) 系統(tǒng)選用三臺功率不同的海水泵按 定的運行模式進行合 理組合 由p l c 中央處理器控制四種流量模式之間的轉換 最大程度地實現(xiàn)節(jié)能 及海水流量的優(yōu)化控制 船舶柴油機冷卻水溫度控制系統(tǒng)是船舶柴油機自動控制系統(tǒng)及機艙自動化系 統(tǒng)的重要組成部分 深入研究船舶柴油機冷卻水溫度控制系統(tǒng) 不僅能夠促進輪 機綜合狀態(tài)監(jiān)控和故障診斷系統(tǒng)的發(fā)展 提高船舶機艙自動化程度 同時對于能 源節(jié)約 船舶安全性與可靠性的提高都具有重要的意義 一4 一 船舶柴油機冷卻水溫度控制系統(tǒng)的研究與設計 第2 章船舶柴油機冷卻水溫度控制系統(tǒng)模型的研究 2 1 船舶柴油機高溫冷卻水系統(tǒng)的熱力學模型的研究 典型的船舶柴油機中央冷卻水系統(tǒng)由高溫淡水回路 低溫淡水回路以及海水 回路三部分組成 如圖1 1 所示 本文主要研究高溫淡水回路的傳熱與流量模型 圖2 1 為船舶柴油機缸套的熱量傳遞關系原理圖 根據(jù)熱量的平衡關系可得出 以下結論 單位時間缸套水腔內(nèi)冷卻水及缸套的蓄熱量變化等于單位時間內(nèi)由于 柴油機燃燒傳給缸套的熱量減去單位時間內(nèi)冷卻水帶走的熱量 再減去單位時間 內(nèi)系統(tǒng)通過輻射等傳熱方式傳給環(huán)境的熱型9 1 0 1 1 t 缸套冷卻水出口溫度 t 缸套冷卻水進口溫度 皿 高溫淡水流量 qr 柴油機燃燒傳給缸套的熱量 w c 缸套與缸套冷卻水的總熟容量 圖2 1 柴油機缸套冷卻熱量傳遞關系圖 f i g 2 1h e a tt r a n s f e rr e l a t i o n s h i po fc y l i n d e rl i n e rc o o l i n g 圖2 2 為船舶柴油機缸套水冷卻器熱量傳遞關系原理圖 根據(jù)缸套冷卻水側的 熱量傳遞關系可得出以下結論 單位時間內(nèi)高溫水側蓄熱量的變化量等于單位時 間內(nèi)缸套冷卻水帶來的熱量減去單位時間內(nèi)傳遞給低溫水側的熱量 根據(jù)低溫冷 卻水側的熱量傳遞關系可以得出以下結論 單位時間內(nèi)低溫水側蓄熱量的變化等 于單位時間內(nèi)高溫水側傳遞給低溫水側的熱量減去單位時間內(nèi)低溫冷卻水帶走的 熱量1 1 2 1 1 3 一5 一 第2 章船自自柴油機冷卻水溫度控制系統(tǒng)模型的研究 缸套術磚卻器 2 寺五 n 者 j 農(nóng) r 一7 i h 伍 4 m r m m n 8 i m m n 廿自 m m 女士口8 m m 一 m 女n 圭口 m 圈22 柴油機缸套冷卻器熱量傳遞戈系圖 f i 9 22 h e a t t r a n s f e r r e l a t i o n s h i p o f c y l i n d e r l i n e r w a t e r c o o l e r 由圖23 可知高溫淡水回路的流量傳遞關系 單位時間內(nèi)流入柴油機的高溫潑 水量m 等于單位時間內(nèi)流經(jīng)缸套冷卻器的高溫淡水量m 與單位時間內(nèi)三通閥的 旁通淡水量m 之和 舊 由以上熱量及流量傳遞關系可得出船舶柴油機高溫冷卻 水系統(tǒng)的熱力學模型 i i n i m t 主機 一 m 一一一r 一 n m l t m 竺 鑫 目 圖23 船舶柴油機高溫冷卻水系統(tǒng)原理圖 f i g23s c h e m a t i c d i a g r a mo f h i g h t e m p e r a t u r e c o o l i n g w a l e is y s l e m w 警 q r h c t 2 1 一一 霍羹r t m 船舶柴油機冷卻水溫度控制系統(tǒng)的研究與設計 訾確 t 柳一t 幻 一擊 t 辮 e 2 w i d t l o2 i 1 t 聊一i i l c t 如一t 矗 2 3 1 1 1 f m 1 m 2 2 4 式中 c 為淡水的比熱 這里假設高低溫淡7 9 n l g 熱n n r 為柴油機散發(fā)給環(huán) 境的熱阻 r 為缸套冷卻器的傳熱熱阻 t 為環(huán)境溫度 a t 為缸套冷卻器的平 均溫差 t 壘遷豎盤掣 對于 2 1 2 2 2 3 式整理得 誓叫等 志k 等 番 麗1 t 口汜5 警2 c 箐一去心一c 箐 赤心 麗1t 麗1 b 2 6 誓 麗1 面1k 一 去 警 t f o 一 麗1 一鏟r h i c i 2 7 對于 2 4 式 假設溫度調節(jié)閥處于某一開度時流經(jīng)缸套冷卻器的高溫淡水 比例為入 則有 r h l x a h 2 8 r n 2 1 一柚血 2 9 r i a t d r i a l t 幻 r i a 2 t c d 2 1 0 以各溫度的變化量來表示方程 2 5 2 6 2 7 2 8 2 9 2 1 0 即可 得高溫淡水回路的熱力學數(shù)學模型 一 一 第2 章船舶柴油機冷卻水溫度控制系統(tǒng)模型的研究 訾叫等 志耽 等 罟 上r w d 址 m 訾2 c 簧一去nc 箐 去 麗1 咐矗瓴 2 1 2 i d q 麗1 上2 w r 2 曠c 去普 c 去一等 t m l2 h r i a l i l 2 2 1 一x r h m pc 2 r r l l q o h m 2 q c d 2 1 3 2 1 4 2 1 5 2 1 6 將方程 2 1 4 2 1 5 2 1 6 代入 2 1 1 2 1 2 2 1 3 可將高溫淡水回路 的熱力學數(shù)學模型進一步化簡為 誓叫皆 彘帆 等 熹 麗1 訾 c 等一去 c 警 去 麗1 去瓴 2 1 8 訾2 麗1 麗1 盯 麗1 可r h i c w 驢 壺一等 t 2 1 9 2 1 1 模型的實例驗證與仿真結果分析 通過查找y a n m a r6 n 2 8 0 s n 型柴油機的相關設計手冊 將相關查找出的相 關參數(shù)代入方程 2 1 7 2 1 8 2 1 9 中 五設定為0 4 并利用m a t l a b 7 0 中s i m u l i n k 的s t a t e s p a c e 模塊進行仿真 圖2 4 為利用s t a t e s p a c e 模塊搭建的仿真框圖 1 8 一8 一 船舶柴油機冷卻水溫度控制系統(tǒng)的研究與設計 此時s t e p 模塊的s t e pt i m e 設定為1 0 0 1 0 0 即假設系統(tǒng)開始時處于穩(wěn)定狀態(tài) 動 圖2 5 為突加功率擾動時仿真曲線 i n i t i a lv a l u e 設定為0 f i n a lv a l u e 設定為 1 0 0 秒時給系統(tǒng)一個1 0 0 k w 的功率突加擾 8 t e s 2 圖24 突加功率擾動時的高韞冷卻水溫度變化仿真框圖 f i g24s i m u l a t i o n b l o c k d i a 9 3 a r no f h i g h t e m p e r a t u r e c o o l i n g w a t e r w h e ns u d d e np o w e r d i s t u r b a l t e e s 曰25 三通閥開度為0 4 時兜加功率擾動的高溫冷卻水溫度變化曲線 f i g25 t e m p e r a m r e v a r i a t i o n c u r v eo f s u d d e np o w e r d i s t u r b a n c e s w h e n t h r e e w a y v a l v e o p e n i n g i s 0 4 修改溫度調節(jié)閥的開度系數(shù) 由0 4 增加到0 6 可以得出新的溫度變化曲線 如圖26 所示 仿真結果分析 考慮到仿真過程中的以下因素 第2 章船舶柴油機冷卻水溫度控制系統(tǒng)模型的研究 1 由高溫淡水回路的熱力學數(shù)學模型可知 給系統(tǒng)究加的5 0 k w 功率擾動 全部以熱能的形式傳遞給缸套冷卻水 2 在閥門開度固定不變的情況下 由于冷卻器冷卻量的限制 高溫淡水溫 度顯著升高 3 由于未考慮系統(tǒng)的時滯環(huán)節(jié) 各出口溫度在突加負載后迅速升高到熱平 衡狀態(tài) 綜上所述 仿真結果較能反映實際情況 同時也證明了所建高溫淡水冷卻回 路數(shù)學模型的有效性 圈26 三通闊開度為0 6 時突加功率擾動的高溫玲卻水溫度變化曲線 f i g26 t d m d e 肌u m v a r i a t i o n c u r v eo f s u d d e np o w e r d i s l u r b a n c e s w h e n t h r e e w a y v a l v e o p e n i n g i s 0 6 22 船舶柴油機冷卻水溫度控制系統(tǒng)p 1 d 參數(shù)的研究 p i d 控制器以其結構簡單 穩(wěn)定性好 可靠性高等優(yōu)點被廣泛應用于工業(yè)過程 控制當中 船舶柴油機冷卻水的溫度控制過程廣泛采用基于p 1 d 的閉坷 控制系統(tǒng) 如圖2 6 所示 船舶柴油機冷卻水溫度控制系統(tǒng)的研究與設計 溫度給 定值 7 牲硼罾 p 1 二疆 9 傭 一 一 l l 圖2 7 船舶柴油機冷卻水溫度閑環(huán)p i d 控制衙圖 f i g 2 7p i dc l o s e d l o o pc o n t r o ld i a g r a mo fc o o l i n gw a t e rt e m p e r a t u r e p i d 控制是一種比例 積分 微分并聯(lián)控制器 其運動方程為 1 9 r k p r 專 e d 下 乃曇p 明 2 2 式中 甜 和p 分別為系統(tǒng)的控制信號和誤差信號 k 礦z 乃為需要調 節(jié)的參數(shù) 其相關傳遞函數(shù)為 g s k 1 乃s 2 2 1 1 l s p i d 控制器中k z 乃對調節(jié)過程有以下影響 1 比例系數(shù)k p 比例系數(shù)k p 越大 控制器對被控量偏差的控制作用就越大 糾正偏差的速度 也就越快 有利于減小系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差 但是過大的比例系數(shù)會使系統(tǒng)產(chǎn)生嚴重 的振蕩 使系統(tǒng)變得不穩(wěn)定 同樣比例系數(shù)過小 系統(tǒng)不能及時糾正偏差 也達 不到良好的控制效果 2 們 2 積分時間常數(shù)z z 的倒數(shù)1 仁稱為積分速度 表示被控量偏差積累的快慢 所以7 大表示偏差 積累速度慢 積分作用弱 反之z 小表示偏差積累速度塊 積分作用強 較大的積 分時間常數(shù)能夠降低系統(tǒng)超調 有利于系統(tǒng)穩(wěn)定 但由于積分作用較弱使系統(tǒng)消 除靜態(tài)偏差的時間延長 同樣積分時間常數(shù)過小就會使系統(tǒng)的振蕩次數(shù)增加 降 低了系統(tǒng)的穩(wěn)定性 第2 章船舶柴油機冷卻水溫度控制系統(tǒng)模型的研究 3 微分時間常數(shù)乃 微分控制作用的特點是被控量偏差一旦出現(xiàn) 控制器就立即輸出一個較大的 控制作用 然后逐步消失 微分控制作用大都在控制對象慣性大和時間延遲作用 比較明顯的系統(tǒng)中使用 用于發(fā)揮超前控制作用迅速糾正偏差 因此微分時間常 數(shù)乃越大微分作用就越強 反之則微分作用越弱 太小的微分時間常數(shù)控制過程 的質量改善不明顯 而太大的微分時間常數(shù)會使系統(tǒng)的穩(wěn)定性不但得不到改善 反而使系統(tǒng)趨向振蕩 只有選擇合適的乃 才能獲得比較滿意的過度過程f 捌 由以上分析可以看出 k p z 乃三個參數(shù)調整的合理與否直接關系到p i d 控制器的控制效果 從p i d 控制器的3 個參數(shù)的作用可以看出3 個參數(shù)直接影響控制效果的好壞 所 以要取得較好的控制效果 就必須合理的選擇控制器的參數(shù) 總之 比例控制主 要用于偏差的 粗調 保證控制系統(tǒng)的 穩(wěn) 積分控制主要用于偏差的 細調 保證控制系統(tǒng)的 準 微分控制主要用于偏差的 細調 保證控制系統(tǒng)的 快 2 2 1 控制系統(tǒng)p ld 參數(shù)整定方法 如果被控對象的數(shù)學模型無法精確獲得 則不能用解析法去設計控制器 對 于這種情況可借助于實驗方法來整定控制器的參數(shù) z i e g l e r n i c h o l s 在大量實驗的 基礎上提出了p i d 控制器的兩種參數(shù)整定公式 下面對兩種方法的參數(shù)整定過程分 別進行簡單介紹 1 z i e g l e r n i c h o l s 臨界比例法p i d 參數(shù)整定f 2 l 2 2 z i e g l e r n i c h o l s 臨界比例法整定比例系數(shù)k 的思想是 首先置z 乃 0 然后將k 值由零逐漸增大到系統(tǒng)的輸出呈現(xiàn)持續(xù)的等幅振蕩 此時對應的k 值稱 為臨界增益 用k 表示 并記下震蕩的周期瓦 利用公式2 2 2 即可得到整定后的 k z 乃值 k 口 0 6 k z 0 5 瓦 乃 o 1 2 5 t 2 2 2 2 z i e g l e r n i c h o l s 響應曲線法p i d 參數(shù)整定 2 3 2 6 1 船舶柴油機冷卻水溫度控制系統(tǒng)的研究與設計 z i e g l e r n i c h o l s 響應曲線法是一種不需要建立被控對象的數(shù)學模型 而僅依賴 于設備階躍響應曲線的參數(shù)整定方法 根據(jù)設備的s 型響應曲線 圖2 8 所示 可 獲得控制對象增益k 滯后時間t 以及時間常數(shù)丁 具有s 型階躍響應曲線的裝置 其傳遞函數(shù)可用公式2 2 3 式近似描述 利用公式2 2 4 即可得到整定后的k 7 乃 值 g s 麗g e r s 2 2 3 k p 1 2 吉x x z a 乃 o 負 2 2 4 圖2 8z i e g l e r n i c h o l ss 型響應曲線 f i g 2 8st y p er e s p o n s ec u r v eo f z i e g l e r n i c h o l s 2 2 2 基于響應曲線法的p id 控制器參數(shù)整定與控制效果仿真 通過研究船舶柴油機高溫冷卻水出機溫度隨溫度調節(jié)閥開度變化的響應曲線 可以得到冷卻水出口溫度隨三通閥閥門位置變化的近似傳遞函數(shù)1 8 2 7 g s 瓦1 7 麗1 3 3 p 一魄 2 2 5 由傳遞函數(shù)中我們可以得到控制對象增益k 1 7 1 3 3 滯后時間t 7 0 5 時 間常數(shù)t 1 5 2 5 因此我們可以得到 巧2 1 2 畝2 l 5 1 5 z a 1 4 1 乃 o 負 3 5 2 5 如圖2 9 所示 利用s i m u l i n k 搭建船舶柴油機高溫冷卻水系統(tǒng)p i d 控制器仿 第2 章船舶柴油機冷卻水溫度控制系統(tǒng)模梨的研究 真框圖 將p i d 參數(shù)修改為整定值并進行仿真 這里巧 1j l j e 爭 1 0 7 q k 丁j 53 4 1c 仿真曲線如圖2 1 0 所示 圖29 船舶柴油機高溫冷卻水系統(tǒng)p i d 控制器仿真框圖 f i 9 29s i m u l a l i o n b l o c k d i a g r a mo f p i d c o n t r o l l e ro f t e m p e r a t u r e c o n l r o ls y n e m 圖21 0p i d 參數(shù)整定后的高溫冷卻水出機溫度控制曲線 f i 9 2 1 0 t e m p e r a t u r e c o n t r o lc a f t e rp a r a m e t e r ss e t t e du p 船舶柴油機冷卻水溫度控制系統(tǒng)的研究與設計 第3 章基于m a t l a b 的船舶柴油機冷卻水溫度前饋模糊控制器的 設計 3 1 前饋模糊控制 船舶柴油機高溫冷卻水溫度控制系統(tǒng)多采用以柴油機出機溫度為控制對象的 p i d 控制方式 但由于冷卻水系統(tǒng)具有較大慣性 當柴油機運行工況發(fā)生變化時冷 卻水出杌溫度經(jīng)常超謂 而且需要經(jīng)過很長一段時問才能穩(wěn)定在設定值 以現(xiàn)有 的p i d 閉環(huán)控制為基礎 并將柴油機的功率變化量作為前饋信號對柴油機出口溫 度進行預調節(jié) 根據(jù)系統(tǒng)擾動進行預調節(jié) 可以克服系統(tǒng)因大慣性 長時滯帶來 的溫度超調缺陷 從而優(yōu)化控制性能 1 2 3 1 在整定前饋裝置時 不考慮反饋控制所引起的穩(wěn)定性問題 只考慮利用前饋 作用來直接抵消擾動的影響 而使被調量不變化 要想完全抵消擾動的影響 那 么前饋調節(jié)器的動態(tài)特性可能是很復雜的 實際生產(chǎn)過程中并不要求把擾動作用 的影響全部抵消 只要求剩余的擾動作用對被調量的影響不要太大 而且在前饋一 反饋控制系統(tǒng)中 由于已經(jīng)有了反饋控制的作用 故加入前饋作用的目的是進一 步減小被調量的動態(tài)偏差 對于主要擾動 因此 前饋調節(jié)器非常適合采用模糊 控制原理 3 1 1 模糊控制原理 模糊控制是以模糊集合論 模糊語言變量及模糊邏輯推理為基礎的計算機智 能控制 其原理如圖3 1 所示 2 9 1 模糊控制器是核心部分 由計算機來實現(xiàn) 模糊 控制方法雖應用了模糊數(shù)學理論 但是它卻模仿人的思維方法 克服了傳統(tǒng)控制 方法獲得精確數(shù)學模型的缺點 做的仍然是確定性的工作 圖3 1 模糊控制原理圖 f i g 3 1s c h e m a t i cd i a g r a mo ff u z z yc o n t r o l 第3 章基于m a t l a b 的船舶柴油機冷卻水溫度前饋模糊控制器的設計 模糊控制的特點在于1 3 0 1 模糊控制是一種基于規(guī)則的控制 它直接采用語言型控制規(guī)則 出發(fā)點 是現(xiàn)場操作人員的控制經(jīng)驗或相關專家的知識 在設計中不需要建立被控對象的 精確的數(shù)學模型 因而使得控制機理和策略易于接受與理解 設計簡單 便于應 用 2 由工業(yè)過程的定性認識出發(fā) 比較容易建立語言控制規(guī)則 因而模糊控 制對那些數(shù)學模型難以獲取 動態(tài)特性不易掌握或變化非常顯著的對象非常適用 3 基于模型的控制算法及系統(tǒng)設計方法 由于出發(fā)點和性能指標的不同 容易導致較大差異 但一個系統(tǒng)語言控制規(guī)則卻具有相對的獨立性 利用這些控 制規(guī)律間的模糊連接 容易找到折中的選擇 使控制效果優(yōu)于常規(guī)控制器 4 模糊控制是基于啟發(fā)性的知識及語言決策規(guī)則設計的 這有利于模擬人 工控制的過程和方法 增強控制系統(tǒng)的適應能力 使之具有一定的智能水平 5 模糊控制系統(tǒng)的魯棒性強 干擾和參數(shù)變化對控制效果的影響被大大減 弱 尤其適合于非線性 時變及純滯后系統(tǒng)的控制 3 2 基于m a t ia b 的前饋模糊控制器的研究與仿真 3 2 1n a t i a b 中的模糊控制工具箱 m a t l a b 是m a t h w o r k s 公司于1 9 8 2 年推出的一套高性能數(shù)值計算和可視化軟 件 它集數(shù)值分析 矩陣運算 信號處理和圖形顯示于一體 構成了一個方便的 界面友好的用戶環(huán)境 m a t l a b 強大的擴展功能為各個領域的應用提供了基礎 由 各個領域的專家學者相繼開發(fā)了m a t l a b 工具箱 模糊工具箱正是其中一個 模糊 工具箱有五個主要的g u i 工具可以用來建立 編輯和觀察模糊推理系統(tǒng) 如圖3 2 所示 這五個g u i 工具箱包含了3 個編輯器 即模糊推理系統(tǒng) f u z z yi n f e r e n c e s y s t e m f i s 編輯器 隸屬度函數(shù)編輯器 模糊規(guī)則編輯器 2 個觀察器 即模 糊規(guī)則觀察器和輸出曲面觀察器 這些圖形化工具相互之間是動態(tài)連接的 因此 在使用中 只要模糊推理系統(tǒng)任何一個g u i 的參數(shù)和性質被用戶修改 其它打開 的任何g u i 中相應的參數(shù)或性質都將自動地被改變 這一點極大地方便了用戶對 自己的模糊推理系統(tǒng)進行調試 3 1 船舶柴油機玲卻水溫度控制系統(tǒng)的研究與設計 o 1 一 e e o 女 自女 o 黜筍曼 皂蘭 耋蘭 善 籬尹 鏖 墨 一 匿2 一 m 5 煳啪 f w 圖32 模糊邏輯下具箱圖形工具相互關系 f i 32 i n t e i t e l a f i o n s h l p o f g r a p h l e s y o o i s i nf u r y l o g i c t o o l b o x 322 前饋模糊控制環(huán)節(jié)輸入變量的選定 考慮到在正常情況下 主機功率變化和海水溫度變化是引起缸套冷卻水變化 的主要因素 尤其是主機啟動與調速時功率的變化對缸套冷卻水溫度的影響最為 顯著 而主機轉速 供油量 排煙溫度 掃氣壓力等參數(shù)的變化都是由主機功率 變化所引起的 因此一般引入主機功率的變化量來進行前饋控制 船舶柴油機的 輸出軸功率一般通過測量扭矩來獲得吲 測量柴油機輸出軸扭矩可以使用水力測 功器 電力測功器 電渦流測功器和扭矩儀等 然而以上對于柴油機輸出軸功率的測量一般都是在實驗室條件下或是少部分 新造船上采用 因此這里考慮通過其他一些與柴油機負荷變化密切相關的參變量 來代替功率信號 通過y a n m a r6 n 2 8 0 s n 型柴油機測試記錄數(shù)據(jù)可以得出柴油 機排煙溫度隨負荷變化曲線 如圖3 3 所示 進而得出排煙溫度隨柴油機負荷的變 化關系 同時排煙溫度具有便于獲取的優(yōu)點 因此可以將柴油機排煙溫度變化量 作為前饋控制信號 同理船舶柴油機的油門刻度與負載變化有最直接的關系 采 用油門拉桿的位移作為前饋信號送給模糊控制器進行前饋模糊控制簡單易行 圣 攀 藿 第3 章基于m a t l a b 的船舶柴油機冷卻水溫度前饋模糊控制器的設計 圖3 3y a n m a r6 n 2 8 0 s n 型柴油機排煙溫度隨負荷變化曲線 f i g 3 3t e m p e r a t u r ev a r i a t i o nc u r v eo f e x h a u s tg a sw i t ht h ev a r i a t i o no f l o a d i n g 3 2 3 以排煙溫度為前饋信號的二維模糊控制器的設計 1 輸入 輸出變量的選取與模糊化 本控制器是以柴油機排煙溫度為前饋信號的雙輸入單輸出二維模糊控制器 即以排煙溫度變化量e 和排煙溫度變化率e c 作為模糊控制器的輸入量 以執(zhí)行電 機的轉角變化量u 作為輸出變量 廣 厶 塑e cji 黼p g 圖3 4 以排煙溫度為前饋信號的二維模糊控制器控制框圖 f i g 3 4c o n t r o lb l o c kd i a g r a mo f t w o d i m e n s i o n a lf u z z yc o n t r o l l e rw i t ht h ef e e d f o r w a r ds i g n a l o fe x h a u s tg a st e m p e r a t u r e 根據(jù)y a n m a r6 n 2 8 0 s n 型柴油機的排煙溫度隨負荷變化的測量結果 排煙 溫度的基本論域設定為 3 0 0 3 0 0 排煙溫度的變化率設定為 一6 0 0 6 0 0 執(zhí)行 電機轉角變化量設定為 6 0 6 0 令e e c u 的基本論域為 6 6 則可得排煙 溫度變化量 變化率的量化因子乜 蠡 o 0 2 k 志 o 0 1 控制輸出量的 比例因子覷 6 0 1 0 如表3 1 所示設置e e c u 的模糊子集 3 4 3 7 船舶柴油機冷卻水溫度控制系統(tǒng)的研究與設計 表3 1 變量e e c u 的模糊子集 t a b 3 1f u z z ys u b s e t sa n dm e a n i n g so fe e c u 2 建立模糊規(guī)則 如表3 2 所示建立模糊規(guī)則 表3 2 模糊控制規(guī)則 t a b 3 2f u z z yr u l e s 由表3 2 可以得到4 9 條 i f t h e n 模糊規(guī)則語句 1 i f ei sn b a n d e c i sn b t h e n ui sp b 2 i f ei sn b a n d e ci sn m t h e n u i sp b 3 i f ei sn b a n d e c i sn s t h e n ui sp b 4 i f ei sn b a n d e c i sz o t h e n ui sp b 5 i f ei sn b a n d e c i sp s t h e n ui sp m 6 i f ei sn b a n d e ci sp m t h e n u i sz o 7 i f ei sn b a n d e c i sp b t h e n ui sz o 8 i f ei sn m a n d e ci sn b t h e n ui sp b 9 i f ei sn m a n d e c i sn m t h e n ui sp b 一1 9 一 加 加 憋 瑚 眥 隅 陋 加 加 5 盆 m 瑚 腿 呈呈 雕 雕 趵 瑚 船 踞 陽 腿 加 眥 船 阽 船 陌 蹦 鴨 加 賺 雎 陽 珊 瑚 黔 趵 加 陽 颶 附 雕 i 2 嬲 加 眥 i 盆 加 巧 雕 颶 第3 章基于m a t l a b 的船舶柴油機冷卻水溫度前饋模糊控制器的設計 1 0 i f ei sn m a n d e ci s n s t h e n u i sp b 1 1 i f ei sn m a n d e ci sz o t h e n ui sp b 1 2 i f ei sn m a n d e c i sp s t h e n ui sp m 1 3 i f ei sn m a n d e ci sp m t h e n u i sz o 1 4 i f ei sn m a n d e ci sp b t h e n u i sz o 1 5 i f ei sn s a n d e ci sn b t h e n u i sp m 1 6 i f ei sn s a n d g ci sn m t h e n u i sp m 1 7 i f e i sn s a n d e ci sn s t h e n ui sp m 1 8 i f ei sn s a n d e c i sz o t h e n ui sp m 1 9 i f ei sn s a n d e c i sp s t h e n ui sz o 2 0 i f e i sn s a n d e ci sp m t h e n l ii s n s 2 1 i f e i sn s a n d e ci sp b t h e n ui sn s 2 2 i f e i sz o a n d e ci sn b t h e n ui sp m 2 3 i f ei sz o a n