船舶柴油機(jī)冷卻水系統(tǒng)智能控制

1、大連理工大學(xué)網(wǎng)絡(luò)教育學(xué)院畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)）模板 大連海事大學(xué)畢 業(yè) 論 文 專業(yè)班級(jí)： 姓 名： 王逸飛 指導(dǎo)教師： 張躍文 繼續(xù)教育學(xué)院II船舶柴油機(jī)冷卻水系統(tǒng)的智能控制 內(nèi)容摘要本文針對(duì)傳統(tǒng)的船舶柴油機(jī)冷卻水PID控制系統(tǒng)不能快速、準(zhǔn)確、穩(wěn)定地調(diào)節(jié)冷卻水溫度的問題,提出了智能冷卻水溫度控制系統(tǒng)總體控制方案和具體方法。在建立船舶柴油機(jī)中央冷卻系統(tǒng)高溫淡水（缸套冷卻水）冷卻回路的動(dòng)態(tài)熱力學(xué)模型的基礎(chǔ)上，又將柴油機(jī)功率模糊控制信號(hào)引入到高溫冷卻水溫度控制系統(tǒng)中。通過預(yù)先調(diào)節(jié)三通閥的開度，達(dá)到降低冷卻水溫度動(dòng)態(tài)偏差，快速調(diào)節(jié)冷卻水溫度的目的。應(yīng)用Matlab軟件對(duì)系統(tǒng)的仿真結(jié)果表明，基于功率信號(hào)模糊

2、預(yù)調(diào)節(jié)與水溫Smith+PID調(diào)節(jié)的智能控制方法，明顯優(yōu)于常規(guī)PID控制方法。在實(shí)際應(yīng)用中實(shí)現(xiàn)了對(duì)船舶柴油機(jī)冷卻水的智能精確控制，減少了油耗，延長了發(fā)動(dòng)機(jī)的使用壽命。關(guān)鍵詞：智能溫度控制；功率信號(hào)；精度高；響應(yīng)快 ABSTRACTThesystem cannotfast,accurate,and stablecontrolof cooling water temperaturecontrolmachinecooling waterof PID marine diesel enginethe traditional,proposed intelligentcooling water temper

3、ature controlsystem overallcontrolplan and specificmethod.Inthe establishment of the centralcooling system of shipdiesel engine(high temperaturewaterjacket cooling water)dynamically basedon thethermodynamic model ofthe cooling circuit,andthe power of the diesel enginefuzzy control signalinto high te

4、mperatureof coolingwater temperature control system.Through theopening of theregulatingvalvein advance,to reducethe temperature of the cooling waterdynamic deviation,rapidadjusting coolingwater temperature in the.The system simulationresultsshow thatthe power signalusing Matlab software,the fuzzyint

5、elligent control methodandpreconditionedregulatingwater temperaturebased on Smith+PID,is superior tothe conventional PID control method.In the practical applicationto realize accurate control of theintelligentmarine diesel enginecooling water,reduceoil consumption,prolong the service life of the eng

6、ine.目 錄內(nèi)容摘要I引 言11 船舶柴油機(jī)中央冷卻水系統(tǒng)11.1 高溫冷卻水系統(tǒng)熱力學(xué)模型31.2 高溫淡水冷卻器熱力學(xué)模型41.3 冷卻水系統(tǒng)三通閥分配比例模型42 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成及其工作原理42.1 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)42.2 控制系統(tǒng)Matlab仿真結(jié)果52.3 系統(tǒng)硬件組成62.3.1 測溫電路72.3.2 A/D轉(zhuǎn)換電路82.3.3 功率信號(hào)測量92.3.4 膨脹水箱液位信號(hào)的測量92.3.5 壓力信號(hào)的測量102.3.6 報(bào)警電路82.3.7 AT89S51102.3.8 三通閥門控制電路102.3.9 海水泵控制電路112.4 系統(tǒng)軟件程序112.4.1 主程序模塊122.4.2 中

7、斷程序模塊122.4.3 中值濾波程序模塊133 系統(tǒng)控制工作過程134 結(jié)論14參考文獻(xiàn)15引 言船舶柴油機(jī)冷卻水的溫度是影響柴油機(jī)工作的重要熱工參數(shù)。如果冷卻水溫度過低，燃?xì)庵兴岣c水結(jié)合，生成酸類物質(zhì)，使氣缸的磨損增加；如果柴油機(jī)冷卻水的溫度過高,這將會(huì)加快潤滑油的老化,加速零件的磨損，缸套冷卻水的溫度控制的好壞直接影響柴油機(jī)的工作狀態(tài)。船舶柴油機(jī)冷卻水系統(tǒng)對(duì)柴油機(jī)缸套的合理冷卻，將減輕缸套的磨損，精確的溫度控制會(huì)有效地控制柴油機(jī)缸套的低溫腐蝕、高溫腐蝕并減小熱應(yīng)力。保持柴油機(jī)冷卻水的溫度在最佳的溫度范圍內(nèi),對(duì)于提高柴油機(jī)的動(dòng)力性、減少廢氣的產(chǎn)生、減少燃料消耗量、增強(qiáng)柴油機(jī)工作平穩(wěn)性等方

8、面都有著重要的意義。國內(nèi)外關(guān)于船舶柴油機(jī)冷卻水溫度控制系統(tǒng)的研究主要集中在冷卻水溫度的控制方法上。2002年，杜玉恒提出了“船用柴油機(jī)冷卻水溫度的模糊控制”方法，但模糊控制在精確控制水溫時(shí)效果不太理想；2003年，“主機(jī)缸套冷卻水出口溫度控制方法”及“基于功率的缸套冷卻水出口溫度控制系統(tǒng)的研究”其針對(duì)缸套冷卻水“慣性大，缸套冷卻水出口溫度經(jīng)常超調(diào)”的特點(diǎn)，提出了在現(xiàn)有的傳統(tǒng)PID反饋控制的基礎(chǔ)上，采用“前饋”方法，引入以船舶主柴油機(jī)輸出功率作為反映缸套冷卻水熱負(fù)荷擾動(dòng)信號(hào)的前饋控制，以減小缸套冷卻水出口溫度的動(dòng)態(tài)偏差，并利用Matlab仿真進(jìn)行了驗(yàn)證。仿真結(jié)果表明，這種控制方法比傳統(tǒng)的控制方法

9、具有更好的控制性能；2004年吳桂濤等人提出了船舶主柴油機(jī)缸套冷卻水出口溫度的智能控制，其將基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的模糊PID控制引入到缸套冷卻水出口溫度控制系統(tǒng)中，以實(shí)現(xiàn)對(duì)控制對(duì)象進(jìn)行在線控制。仿真結(jié)果表明，基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的模糊PID自適應(yīng)控制比傳統(tǒng)的PID控制的控制性能更好而且前者具有適應(yīng)控制環(huán)境變化的能力和自學(xué)習(xí)能力，當(dāng)柴油機(jī)運(yùn)行工況發(fā)生變化時(shí)仍具有很好的控制性能。還有針對(duì)船舶柴油機(jī)冷卻水系統(tǒng)的時(shí)滯特性提出了Smith預(yù)估器與PID控制方法，并取得了較為理想的控制效果?？傊?，船舶柴油機(jī)冷卻水溫度控制系統(tǒng)應(yīng)能夠在柴油機(jī)功率突變時(shí)，在冷卻水溫度波動(dòng)時(shí)快速、精準(zhǔn)、以最小的超調(diào)量來調(diào)節(jié)冷卻水的溫度。目前,船

10、舶柴油機(jī)冷卻系統(tǒng)以中央冷卻水系統(tǒng)為主。由于冷卻水流經(jīng)一定長度的管路，需要一定的時(shí)間，同時(shí)控制信號(hào)的執(zhí)行部件，如電動(dòng)機(jī)、三通閥門等都使得系統(tǒng)具有較大的時(shí)滯性和非線性特性。傳統(tǒng)船舶柴油機(jī)冷卻水溫度控制系統(tǒng)的PID控制方法控制效果不佳，在實(shí)際控制系統(tǒng)中不能實(shí)現(xiàn)快速、穩(wěn)定的調(diào)節(jié)船舶柴油機(jī)缸套冷卻水的溫度，且極易使冷卻水溫度控制系統(tǒng)超調(diào)。因此在現(xiàn)有的中央冷卻水系統(tǒng)PID反饋控制的基礎(chǔ)上，采用“前饋”方法，引入以柴油機(jī)輸出“功率”作為反映缸套冷卻水熱負(fù)荷擾動(dòng)信號(hào)的前饋控制，以減小缸套冷卻水出口溫度的動(dòng)態(tài)偏差。此系統(tǒng)能夠在柴油機(jī)功率突變時(shí)，在冷卻水溫度波動(dòng)時(shí)快速、精準(zhǔn)、以最小的超調(diào)量來調(diào)節(jié)冷卻水的溫度。1

11、船舶柴油機(jī)中央冷卻水系統(tǒng)船舶柴油機(jī)中央冷卻水系統(tǒng)由高溫冷卻回路、低溫冷卻回路和海水部分構(gòu)成其簡化圖如圖1.1所示。高溫冷卻回路的冷卻水由柴油機(jī)缸套流出，經(jīng)高溫淡水冷卻器。三通閥門、高溫淡水泵后流入柴油機(jī)缸套。在柴油機(jī)缸套冷卻水的進(jìn)口和出口分別裝有溫度傳感器，并在進(jìn)口處裝壓力傳感器，實(shí)時(shí)監(jiān)測缸套冷卻水的進(jìn)口溫度和出口溫度及壓力。高溫淡水回路和主要作用是冷卻柴油機(jī)的缸套，高溫淡水溫度的調(diào)節(jié)原理是：通過改變?nèi)ㄩy門的開度，改變流過高溫淡水冷卻器的流量，進(jìn)而改變冷、熱水的配比，調(diào)節(jié)冷卻水的溫度。圖1.1 中央冷卻水系統(tǒng)簡化圖低溫冷卻水回路的冷卻水由淡水泵流出后經(jīng)中央冷卻器、三通閥、柴油機(jī)滑油冷卻器、空

12、氣冷卻器后流入高溫淡水冷卻器，冷卻高溫淡水。在滑油冷卻器和空氣冷卻器的冷卻水進(jìn)口和出口處均裝有溫度傳感器，并在中央冷卻器的進(jìn)口處裝壓力傳感器，以實(shí)現(xiàn)監(jiān)測冷卻水溫度和壓力。低溫冷卻回路冷卻原理同高溫冷卻水回路，也是通過三通閥調(diào)節(jié)冷卻器的旁通水量，改變冷、熱水的比例，達(dá)到調(diào)節(jié)水溫的目的。低溫淡水回路的功能主要是冷卻柴油機(jī)的滑油冷卻器和空氣冷卻器，同時(shí)用低溫淡水冷卻高溫淡水冷卻器。海水冷卻部分的作用是通過海水泵從弦外引入海水，冷卻中央冷卻器。1.1 高溫冷卻水系統(tǒng)熱力學(xué)模型船舶柴油機(jī)中央冷卻水系統(tǒng)高溫冷卻水回路熱力模型由缸套冷卻熱力數(shù)學(xué)模型和高溫淡水冷卻器熱力數(shù)學(xué)模型兩部分組成，根據(jù)熱量平衡，在某一

13、微元時(shí)間內(nèi)有下列關(guān)系：缸套冷卻水及缸套熱量變化該微元時(shí)間內(nèi)氣缸內(nèi)燃?xì)鈧鬟f給冷卻水的熱量該微元時(shí)間內(nèi)系統(tǒng)通過熱傳遞等傳熱方式傳給環(huán)境的熱量。當(dāng)環(huán)境溫度為t0時(shí)，有下列關(guān)系式：（1）當(dāng)系統(tǒng)中各個(gè)參數(shù)穩(wěn)定時(shí)，有若考慮以各變量相對(duì)于其穩(wěn)定狀態(tài)的微元變化量為參數(shù)，設(shè)溫度變化量 t=t-t穩(wěn)定 ，則式（1）可變?yōu)椋海?）式（2）中：thi為柴油機(jī)缸套冷卻水出口溫度；tDi為柴油機(jī)缸套冷卻水進(jìn)水溫度；CD = mwcw+mccc為冷卻水和缸套熱容；mw為冷卻水質(zhì)量；mc為缸套質(zhì)量；cw和cc為冷卻水和鋼的比熱容；Q(t)為柴油機(jī)燃燒傳入冷卻水的熱量； R為氣缸壁熱阻。1.2 高溫淡水冷卻器熱力數(shù)學(xué)模型由圖1

14、.1可得，從柴油機(jī)流出的高溫淡水流經(jīng)管系進(jìn)入高溫淡水冷卻器，根據(jù)熱量平衡原理可得高溫冷卻水側(cè)的熱量傳遞關(guān)：（3）式（3）中：tm為高溫淡水冷卻器平均溫差；C1 = mhch+mbcb為高溫淡水側(cè)熱容，mh為高溫水質(zhì)量，mb為銅管質(zhì)量，ch高溫水比熱容；cbo為黃銅比熱容；R為高溫淡水冷卻器熱阻，a1、a2分別高溫水側(cè)和低溫水側(cè)的換熱系數(shù)，K為冷卻器總的傳熱系數(shù)。同理可得低溫冷卻水熱量傳遞關(guān)系：（4）式中：C2為低溫冷卻水側(cè)熱容，C2 = mlcl+mbcb,其中為低溫水質(zhì)量，為低溫水比熱容。在穩(wěn)定工況下，高溫冷卻水傳遞給銅管的熱量等于銅管傳遞給低溫冷卻水的熱量。1.3 冷卻水系統(tǒng)三通閥分配冷、

15、熱水比例模型船舶中央冷卻系統(tǒng)是通過改變?nèi)ㄩy門的開度來改變冷、熱水的比例。設(shè)x為三通閥某一開度時(shí)冷熱水的比例，考慮各變量相對(duì)于其穩(wěn)定狀態(tài)微元變化量為參數(shù)，設(shè)溫度變化量t=t-t穩(wěn)定，則mbtDi = mltbo +m2chi。2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成及其工作原理2.1 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)傳統(tǒng)的船舶柴油機(jī)冷卻水PID控制方法，不能很好控制缸套冷卻水的溫度。實(shí)踐證明，主機(jī)缸套水溫度經(jīng)常超調(diào)，特別是在擾動(dòng)功率較大情況下，傳統(tǒng)PID調(diào)節(jié)更顯得無能為力。Smith預(yù)估控制可以預(yù)測未來的系統(tǒng)偏差，對(duì)系統(tǒng)輸出進(jìn)行提前校正，這種超前預(yù)估作用克服了時(shí)滯的不利影響，但是由于這種預(yù)估器需要系統(tǒng)的精確數(shù)學(xué)模型，而且當(dāng)預(yù)估模型和實(shí)際

16、對(duì)象不匹配時(shí)，其對(duì)系統(tǒng)的誤差非常敏感，控制效果較差。船舶柴油機(jī)缸套冷卻水溫度的變化，主要是由于主機(jī)功率發(fā)生了變化。船舶柴油機(jī)冷卻水溫度經(jīng)常超調(diào)，是由于控制方法存在一定缺陷。本文將功率擾動(dòng)信號(hào)引入控制系統(tǒng)中，通過模糊決策，使系統(tǒng)能夠在功率變化的時(shí)候，預(yù)先調(diào)節(jié)閥門開度，改變冷、熱水配比，可大大降低主機(jī)缸套冷卻水溫度超調(diào)量，并用Smith預(yù)估PID控制器精確調(diào)節(jié)水溫，優(yōu)化控制系統(tǒng)的調(diào)節(jié)能力。智能控制器控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2.1所示。 圖2.1智能控制器控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖將模糊控制與Smith預(yù)估器結(jié)合是模糊控制在純滯后系統(tǒng)應(yīng)用中比較成功的一種方式。針對(duì)船舶柴油機(jī)中央冷卻水溫度控制對(duì)象的特點(diǎn)。本文提出了冷卻水

17、溫度智能控制器，本系統(tǒng)在Smith預(yù)估器PID控制器的基礎(chǔ)上，將柴油機(jī)功率的模糊控制含量信號(hào)引入到冷卻水溫度控制系統(tǒng)中，使系統(tǒng)能夠在柴油機(jī)的功率變化以后，立即做出反應(yīng)，來預(yù)先調(diào)節(jié)三通閥的開度，從而達(dá)到降低冷卻水溫度動(dòng)超調(diào)量，快速調(diào)節(jié)冷卻水溫度的目的。2.2 系統(tǒng)Matlab仿真及結(jié)果以MAN B&W 6L23/30A主柴油機(jī)高溫冷卻水系統(tǒng)為例，利用Matlab對(duì)其高溫冷卻水溫度系統(tǒng)動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型仿真，得到缸套冷卻水出口溫度隨三通閥門位置變化的近似傳遞函數(shù)G1(s)=17.133e-7.05t/(152.5s+1)和冷卻水溫度隨功率變化的近似傳遞函數(shù)G2=0.1046/(134.38s+1).系統(tǒng)

18、采用模糊控制調(diào)節(jié)器控制擾動(dòng)功率信號(hào)，在功率變化時(shí)輸出預(yù)先調(diào)節(jié)信號(hào)；溫度偏差PID調(diào)節(jié)器，精確調(diào)節(jié)冷卻水溫度。模糊控制信號(hào)與PID調(diào)節(jié)信號(hào)加和共同控制三通閥閥門開度。首先，當(dāng)主機(jī)冷卻水溫為80，設(shè)定值為85時(shí)，仿真結(jié)果如圖2.2。引入擾動(dòng)功率模糊調(diào)節(jié)信號(hào)的智能控制系統(tǒng)大大降低了缸套冷卻水出口處溫度，提高系統(tǒng)的響應(yīng)速度。采用智能控制方法后：1. 冷卻水溫度超調(diào)量大大降低。系統(tǒng)采用PID控制時(shí)缸套冷卻水溫度超調(diào)量非常大，峰值為89.5；采用智能控制后，調(diào)節(jié)過程中冷卻水的最高溫度由原來的89.5下降到85.7。2. 溫度控制更加平穩(wěn)。采用PID控制時(shí)，振蕩情況嚴(yán)重，冷卻水溫度波動(dòng)加大，波動(dòng)范圍為84.

19、389.5；采用智能控制后冷卻水溫度波動(dòng)較小，控制非常平穩(wěn)。3. 系統(tǒng)達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)的時(shí)間也由原來的140s減小到92s。圖2.2冷卻水溫度智能控制與PID控制比較其次，假設(shè)船舶離港前設(shè)定溫度為80；離港后主機(jī)功率增加，將冷卻水溫度設(shè)定為85；以便于提高柴油機(jī)的綜合性能。引入擾動(dòng)功率模糊控制信號(hào)的主要目的是預(yù)先調(diào)節(jié)閥門的開度，從而降低冷卻水溫度的超調(diào)量。引入功率模糊控制信號(hào)和未引入的對(duì)比結(jié)果如圖2.3。未引入擾動(dòng)功率模糊控制信號(hào)前，冷卻水最t/s圖2.3有無擾動(dòng)功率模糊控制信號(hào)對(duì)比圖高溫度是86.5；引入后，冷卻水最高溫度為85.6。引入擾動(dòng)功率模糊控制信號(hào)后，在一定程度上降低了冷卻水溫度的超調(diào)

20、量。2.3 系統(tǒng)硬件組成該系統(tǒng)由步進(jìn)電動(dòng)機(jī)三通閥門、海水泵、淡水泵、冷卻水溫度智能控制器組成。其電氣結(jié)構(gòu)圖如圖2.4所示。在溫度測量電路中，采用熱電阻PT100作為測溫傳感器。采用電橋法測量功率信號(hào)。選擇浮子式液位傳感器測量膨脹水箱液位信號(hào)。采集的模擬信號(hào)通過精確A/D轉(zhuǎn)換器ADC0809轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，并送到微處理器中。系統(tǒng)采用了ATMEL公司生產(chǎn)的8位處理器AT89S51,來實(shí)現(xiàn)冷卻水溫度、壓力、膨脹水箱液位的越限報(bào)警，海水泵、淡水泵的控制等。采用三相步進(jìn)電動(dòng)機(jī)精確地控制三通閥門的開度。報(bào)警電路接 口 電路AT89S51A/D轉(zhuǎn)換電路溫度測量功率測量三通閥控制液位測量海水泵控制壓力測量圖2

21、.4 冷卻水溫度智能控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖2.3.1 測溫電路為了避免或減小導(dǎo)線電阻對(duì)測溫的影響，工業(yè)中熱電阻多采用三線制接法，由熱電阻PT100與電橋共同構(gòu)成測量電路，其結(jié)構(gòu)如圖2.5所示。圖2.5 溫度測量電路圖圖中熱電阻Rt的三根導(dǎo)線粗細(xì)相同，長度相同，阻值都是r，即Ra=Rb=Rc=r。其中一根導(dǎo)線串聯(lián)在電橋的電源上，對(duì)電橋的平衡無影響，另外兩根分別串聯(lián)在相鄰的兩臂上，使相鄰兩臂的阻值都增加相同的阻值r。這樣，導(dǎo)線對(duì)熱電阻測量溫度的準(zhǔn)確性毫無影響。測溫電路選擇OP27作為放大器。OP27它是一種低噪音、高精準(zhǔn)、高速運(yùn)算放大器，適應(yīng)的溫度范圍較廣。本系統(tǒng)選用的放大器適宜的工作溫度范圍為2585，

22、完全能夠適應(yīng)船舶環(huán)境，這無疑提高了溫度測量的精度。信號(hào)放大部分屬于V-V放大，將電橋等效成差分放大電路，可以得運(yùn)算放大部分的增益A=R5/R4。另外，可通過調(diào)節(jié)橋臂上的電位器RT3使電橋平衡。2.3.2 A/D轉(zhuǎn)換電路傳感器采集的信號(hào)是模擬信號(hào)，需要轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)后才能由微處理器進(jìn)行處理。A/D轉(zhuǎn)換電路ADC電路有兩大類：直接轉(zhuǎn)換型（通過基準(zhǔn)電壓與采樣保持電路的輸出信號(hào)進(jìn)行比較，直接轉(zhuǎn)換為數(shù)字量）、間接轉(zhuǎn)換型（將采樣保持電路輸出的信號(hào)首先轉(zhuǎn)換成時(shí)間或頻率，然后再將時(shí)間或頻率轉(zhuǎn)換成數(shù)字量）。直接轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換速度高，轉(zhuǎn)換精度容易變；間接轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換速度低，轉(zhuǎn)換精度可以做的較高，對(duì)干擾抑制能力強(qiáng)，在

23、測試儀表中應(yīng)用廣泛。本系統(tǒng)主要用于控制，對(duì)測量的精度要求不太高，所以使用ADC0809轉(zhuǎn)換器。ACD0809是一款8位逐次逼近型A/D轉(zhuǎn)換器，帶有8個(gè)模擬量輸入通道，芯片內(nèi)帶有地址譯碼鎖存器，輸出帶有三態(tài)數(shù)據(jù)鎖存器，啟動(dòng)信號(hào)方式為脈沖啟動(dòng)方式，每一通道的轉(zhuǎn)換時(shí)間大約100s，轉(zhuǎn)換精度為0.4。ADC0809的啟動(dòng)信號(hào)由AT89S51的P2.7和寫信號(hào)/WR的或非產(chǎn)生，這要求一條向ADC0809的寫指令啟動(dòng)轉(zhuǎn)換。模擬通道的地址A、B、C由74LS373的高三位來提供。2.3.3 功率信號(hào)的測量現(xiàn)代船舶的集控室中一般都有柴油機(jī)輸出功率監(jiān)測顯示功能。為降低系統(tǒng)的成本，如果船舶上已有功率信號(hào)采集系統(tǒng)，

24、我們可以直接利用其采集的功率信號(hào)。如果船舶上沒有功率采集系統(tǒng)，我們可采用轉(zhuǎn)矩傳感器用來檢測柴油機(jī)的軸功率。其工作原理是軸的扭矩與軸的扭轉(zhuǎn)角成比例。扭矩傳感器有多種，可選擇相位差式扭矩傳感器。測得的功率信號(hào)直接或經(jīng)過放大處理送至A/D轉(zhuǎn)換器。2.3.4 膨脹水箱液位信號(hào)膨脹水箱液位是冷卻水系統(tǒng)的一個(gè)重要參數(shù)。船舶上的液位傳感器種類很多，如浮子式、電極式及參考水位式等。本系統(tǒng)選用浮子式液位傳感器。其結(jié)構(gòu)如圖2.6所示。它由浮筒、彈簧和天翻地覆差動(dòng)變壓器組成。當(dāng)水位變化時(shí)，浮筒也隨水位上下浮動(dòng)，從而改變了鐵心在差動(dòng)變壓器中的位置，這樣差動(dòng)變壓器輸出一個(gè)與液位成比例的電壓信號(hào)。液位信號(hào)的放大電路與測溫

25、電路相同。圖2.6 膨脹水箱液位信號(hào)傳感器2.3.5 壓力信號(hào)的測量本系統(tǒng)選用電阻式壓力傳感器測量冷卻水的回路的壓力。其原理是電阻的阻值隨壓力的變化而變化。壓力測量電路與溫度測量電路幾乎相同，只是將電橋中的熱電阻傳感器換成了電阻式壓力傳感器。2.3.6 報(bào)警電路報(bào)警電路由控制板報(bào)警電路和機(jī)艙報(bào)警電路兩部分組成。報(bào)警電路如圖2.7所示，由單片機(jī)、反向器、發(fā)光二極管及蜂鳴器組成，當(dāng)單片機(jī)的P2.5管角的電平發(fā)生變化時(shí)，無極性電容放電，三極管導(dǎo)通，LED發(fā)光，同時(shí)蜂鳴器，外接的機(jī)電繼電器動(dòng)作，接通機(jī)艙24V報(bào)警器。圖2.7 報(bào)警電路2.3.7 AT89S51由于系統(tǒng)的水溫變化不快，系統(tǒng)要求的運(yùn)算速度

26、不高，因此系統(tǒng)采用了ATMEL公司生產(chǎn)的8位處理器AT89S51，來實(shí)現(xiàn)冷卻水溫度、壓力、膨脹水箱液位的越限報(bào)警，智能地調(diào)節(jié)冷卻水溫度，以及完成溫度、壓力、液位顯示，海水、淡水泵的控制等。AT89S51是AT89C51的替代產(chǎn)品，它是ATMEL公司推出的又一款在線可編程單片機(jī)，通過相應(yīng)的ISP軟件，用戶可以對(duì)單片機(jī)程序存儲(chǔ)器Flash中的代碼進(jìn)行方便的修改。AT89S51與AT89C51的引腳完全兼容，其技術(shù)參數(shù)如下：1.4KB的系統(tǒng)可編程Flash程序存儲(chǔ)器，3級(jí)安全保護(hù)，128B的內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器；2.4.05.5V的工作電壓；3.最高工作頻率33MHZ；4.32個(gè)可編程I/O口；5.2個(gè)1

27、6位的定時(shí)器/計(jì)數(shù)器；6.6個(gè)中斷源，可以在掉電模式下響應(yīng)中斷；7.1個(gè)全雙工的串行口；8.雙數(shù)據(jù)指針使程序運(yùn)行的更快。AT89S51是控制電路的核心，在控制系統(tǒng)中它的功能是：配合相應(yīng)的外圍電路，實(shí)現(xiàn)溫度、壓力、液位信號(hào)的采集，同時(shí)處理采集的信號(hào)，實(shí)現(xiàn)智能控制算法，輸出閥門開度調(diào)節(jié)信號(hào)。2.3.8 三通閥門控制電路為了達(dá)到精確、快速調(diào)節(jié)三通閥門開度的目的，必須選擇良好的執(zhí)行部件，本系統(tǒng)選擇三相步進(jìn)電動(dòng)機(jī)控制三通閥門的開度。由于它可以直接接收微機(jī)送來的數(shù)字控制信號(hào)，而不需要進(jìn)行D/A轉(zhuǎn)換所以為控制應(yīng)用系統(tǒng)的設(shè)計(jì)帶來很大的方便。步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的特點(diǎn)是快速起停能力。如果負(fù)荷不超過步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)矩值，

28、就能夠在一剎那使步進(jìn)電動(dòng)機(jī)起動(dòng)和停止。一般步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的步進(jìn)速率為2001000步/秒，如果步進(jìn)電動(dòng)機(jī)是以逐漸加速到最大值，然后再減小到零的方式工作，其步進(jìn)速率將增加24倍，而且不會(huì)失掉一步。在沒有齒輪滑動(dòng)的情況下，步值可由每步90低到每步只有0.36，而且它們都能精確地返回到原來的位置上。調(diào)節(jié)三通閥門開度的步進(jìn)電動(dòng)機(jī)控制電路如圖2.6所示，AT89S51的P1.3、P1.4、P1.5三個(gè)管角控制步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的正、反轉(zhuǎn)及步數(shù)。為增強(qiáng)系統(tǒng)的抗干擾能力，在驅(qū)動(dòng)器與單片機(jī)之間加一級(jí)光電隔離器。當(dāng)P1.3管角置1時(shí)，經(jīng)反向器變?yōu)榈碗娖?，光藕?dǎo)通，控制信號(hào)經(jīng)過光電隔離器后驅(qū)動(dòng)達(dá)林頓管，放大的電流在驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電

29、動(dòng)機(jī)。三相步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的導(dǎo)通方式為三相單三拍導(dǎo)通方式，即：ABCA。按照這個(gè)順序通電，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)正轉(zhuǎn)；如果按相反方向通電，則步進(jìn)電動(dòng)機(jī)反轉(zhuǎn)。圖2.6 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)控制電路圖2.3.9 海水泵控制電路海水泵控制電路的目的是實(shí)現(xiàn)冷卻海水流量控制（通過控制主海水泵的工作臺(tái)數(shù)及運(yùn)轉(zhuǎn)速度）。海水泵共有三臺(tái)，N0.1和NO.2海水泵為單速，NO.3海水泵為雙速。通過對(duì)三臺(tái)海水泵的不同布置，可以得到三種不同流量，以滿足中央冷卻器在不同熱負(fù)荷情況下的需求。變流量冷卻可以達(dá)到節(jié)能的目的。海水泵臺(tái)數(shù)控制電路如圖所示，按鍵S6是海水泵控制電路手動(dòng)控制與自動(dòng)控制切換鍵，每按一次，可以進(jìn)行手動(dòng)控制與自動(dòng)控制模式之間的切換。

30、單片機(jī)的P2.2、P2.3、P2.4管角輸出信號(hào)經(jīng)光電隔離后，接入海水泵控制箱。三個(gè)管角的電平變化形成4種組合，控制三臺(tái)海水泵。控制信號(hào)與海水泵運(yùn)行臺(tái)數(shù)對(duì)應(yīng)表，如表1.1所示。S1、S2、S3為海水泵手動(dòng)控制鍵，按下各鍵后，經(jīng)光藕隔離，控制繼電器動(dòng)作，相應(yīng)的海水泵啟動(dòng)。2.4 系統(tǒng)軟件程序 系統(tǒng)的軟件程序采用了模塊化的設(shè)計(jì)思想。系統(tǒng)軟件程序由主程序模塊、A/D轉(zhuǎn)換模塊、中斷程序模塊、智能控制算法模塊等組成。2.4.1 主程序模塊主程序首先完成各個(gè)存儲(chǔ)單元的初始化任務(wù)，包括清標(biāo)志，清暫存單元等。初始化結(jié)束后，程序進(jìn)入T0中斷和T1中斷。首先根據(jù)功率信號(hào)模糊預(yù)調(diào)節(jié)閥門開度，然后進(jìn)入T1中斷，執(zhí)行溫

31、度數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、以及輸出控制信號(hào)等。2.4.2 中斷程序模塊T0中斷程序，首先根據(jù)模糊經(jīng)驗(yàn)判斷功率信號(hào)是否有用，這樣可排除瞬時(shí)擾動(dòng)信號(hào)的干擾。如果判定功率信號(hào)可用，則將模糊調(diào)節(jié)輸出量作為閥門開度的預(yù)調(diào)節(jié)信號(hào)。數(shù)據(jù)采集、標(biāo)度轉(zhuǎn)換、數(shù)字濾波以及智能控制算法等由定時(shí)器T1完成。程序首先設(shè)置采樣通道的首地址，然后啟動(dòng)A/D轉(zhuǎn)換。如果采樣被中斷，則向上發(fā)送采集數(shù)據(jù)，否則，判斷采樣次數(shù)，若滿足三次，則進(jìn)入中值濾波程序，否則繼續(xù)采樣。完成濾波后，判斷溫度是否超限，若是則報(bào)警，否則進(jìn)入PID調(diào)節(jié)程序，輸出調(diào)節(jié)信號(hào)。2.4.3 中值濾波程序模塊由于船舶機(jī)艙環(huán)境非常復(fù)雜，外界干擾非常多，如溫度和濕度變化大、

32、振動(dòng)和噪聲干擾也很大，特別是強(qiáng)烈的電磁干擾會(huì)對(duì)系統(tǒng)采集的數(shù)據(jù)精度產(chǎn)生嚴(yán)重的影響，造成數(shù)據(jù)失真。在進(jìn)行軟件設(shè)計(jì)時(shí)，必須進(jìn)行濾波，以降低各種干擾的影響，以免產(chǎn)生誤操作?？刂葡到y(tǒng)中，采用了軟件數(shù)字小小濾波方式對(duì)采樣信號(hào)進(jìn)行處理。常用的軟件數(shù)字濾波方法有程序判斷濾波、中值濾波、算術(shù)平均濾波、加權(quán)平均濾波、去極值平均濾波、RC低通數(shù)字濾波、復(fù)合數(shù)字濾波等。軟件濾波與模擬RC濾波相比有投資小成本低、設(shè)計(jì) 簡單。系統(tǒng)可靠性高、多通道可以共享及使用方便靈活等特點(diǎn)。本系統(tǒng)采用的中值濾波就是連續(xù)三次采樣，取中間值作為本次采樣值。三次采樣值分別存放在2CH、2DH、2EH中，取中間值放入累加器A中，同時(shí)也轉(zhuǎn)存在2A

33、H單元內(nèi)，以備進(jìn)行溫度標(biāo)度轉(zhuǎn)換用。3 系統(tǒng)控制工作過程當(dāng)冷卻水智能控制器開始工作后，程序首先根據(jù)功率信號(hào)模糊預(yù)調(diào)節(jié)三通閥門開度。然后根據(jù)冷卻水的溫度信號(hào)調(diào)節(jié)三通閥的開度。柴油機(jī)低功率運(yùn)行時(shí)(發(fā)動(dòng)機(jī)水溫(70)，單片機(jī)根據(jù)檢測來的溫度數(shù)據(jù)處理分析向執(zhí)行元件發(fā)出控制信號(hào)，使其完成如下操作： a.減小三通閥的開度至關(guān)閉位置； b.停止海水泵的運(yùn)行； 由于三通閥關(guān)閉，海水泵不工作，以至冷卻水中沒有與外界的熱量交換；發(fā)動(dòng)機(jī)水溫上升很快。當(dāng)水溫升至85，單片機(jī)根據(jù)檢測來的溫度數(shù)據(jù)處理分析向執(zhí)行元件發(fā)出控制信號(hào)，使三通閥的開度增大，海水泵開始低速運(yùn)行。當(dāng)水溫達(dá)到90時(shí)，單片機(jī)又發(fā)出指令，使三通閥處于敞開狀態(tài)。 此時(shí)可充分利用海水泵打上來的海水對(duì)中央冷卻器的冷卻作用，使柴油機(jī)的冷卻水溫度達(dá)