船舶柴油机冷却水系统的智能控制Word文件下载.doc

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指导教师：

完成日期：

2011年3月15日

II

船舶柴油机冷却水系统的智能控制

内容摘要

本文针对传统的船舶柴油机冷却水PID控制系统不能快速、准确、稳定地调节冷却水温度的问题,提出了智能冷却水温度控制系统总体控制方案和具体方法。

在建立船舶柴油机中央冷却系统高温淡水（缸套冷却水）冷却回路的动态热力学模型的基础上，又将柴油机功率模糊控制信号引入到高温冷却水温度控制系统中。

通过预先调节三通阀的开度，达到降低冷却水温度动态偏差，快速调节冷却水温度的目的。

应用Matlab软件对系统的仿真结果表明，基于功率信号模糊预调节与水温Smith+PID调节的智能控制方法，明显优于常规PID控制方法。

在实际应用中实现了对船舶柴油机冷却水的智能精确控制，减少了油耗，延长了发动机的使用寿命。

关键词：

智能温度控制；

功率信号；

精度高；

响应快

目录

内容摘要 I

引言 1

1船舶柴油机中央冷却水系统 1

1.1高温冷却水系统热力学模型 3

1.2高温淡水冷却器热力学模型 4

1.3冷却水系统三通阀分配比例模型 4

2系统结构组成及其工作原理 4

2.1控制系统结构 4

2.2控制系统Matlab仿真结果 5

2.3系统硬件组成 6

2.3.1测温电路 7

2.3.2A/D转换电路 8

2.3.3功率信号测量 9

2.3.4膨胀水箱液位信号的测量 9

2.3.5压力信号的测量 10

2.3.6报警电路 8

2.3.7AT89S51 10

2.3.8三通阀门控制电路 10

2.3.9海水泵控制电路 11

2.4系统软件程序 11

2.4.1主程序模块 12

2.4.2中断程序模块 12

2.4.3中值滤波程序模块 13

3系统控制工作过程 13

4结论 14

参考文献 15

引言

船舶柴油机冷却水的温度是影响柴油机工作的重要热工参数。

如果冷却水温度过低，燃气中酸根与水结合，生成酸类物质，使气缸的磨损增加；

如果柴油机冷却水的温度过高,这将会加快润滑油的老化,加速零件的磨损，缸套冷却水的温度控制的好坏直接影响柴油机的工作状态。

船舶柴油机冷却水系统对柴油机缸套的合理冷却，将减轻缸套的磨损，精确的温度控制会有效地控制柴油机缸套的低温腐蚀、高温腐蚀并减小热应力。

保持柴油机冷却水的温度在最佳的温度范围内,对于提高柴油机的动力性、减少废气的产生、减少燃料消耗量、增强柴油机工作平稳性等方面都有着重要的意义。

国内外关于船舶柴油机冷却水温度控制系统的研究主要集中在冷却水温度的控制方法上。

2002年，杜玉恒提出了“船用柴油机冷却水温度的模糊控制”方法，但模糊控制在精确控制水温时效果不太理想；

2003年，“主机缸套冷却水出口温度控制方法”及“基于功率的缸套冷却水出口温度控制系统的研究”其针对缸套冷却水“惯性大，缸套冷却水出口温度经常超调”的特点，提出了在现有的传统PID反馈控制的基础上，采用“前馈”方法，引入以船舶主柴油机输出功率作为反映缸套冷却水热负荷扰动信号的前馈控制，以减小缸套冷却水出口温度的动态偏差，并利用Matlab仿真进行了验证。

仿真结果表明，这种控制方法比传统的控制方法具有更好的控制性能；

2004年吴桂涛等人提出了船舶主柴油机缸套冷却水出口温度的智能控制，其将基于神经网络的模糊PID控制引入到缸套冷却水出口温度控制系统中，以实现对控制对象进行在线控制。

仿真结果表明，基于神经网络的模糊PID自适应控制比传统的PID控制的控制性能更好而且前者具有适应控制环境变化的能力和自学习能力，当柴油机运行工况发生变化时仍具有很好的控制性能。

还有针对船舶柴油机冷却水系统的时滞特性提出了Smith预估器与PID控制方法，并取得了较为理想的控制效果。

总之，船舶柴油机冷却水温度控制系统应能够在柴油机功率突变时，在冷却水温度波动时快速、精准、以最小的超调量来调节冷却水的温度。

目前,船舶柴油机冷却系统以中央冷却水系统为主。

由于冷却水流经一定长度的管路，需要一定的时间，同时控制信号的执行部件，如电动机、三通阀门等都使得系统具有较大的时滞性和非线性特性。

传统船舶柴油机冷却水温度控制系统的PID控制方法控制效果不佳，在实际控制系统中不能实现快速、稳定的调节船舶柴油机缸套冷却水的温度，且极易使冷却水温度控制系统超调。

因此在现有的中央冷却水系统PID反馈控制的基础上，采用“前馈”方法，引入以柴油机输出“功率”作为反映缸套冷却水热负荷扰动信号的前馈控制，以减小缸套冷却水出口温度的动态偏差。

此系统能够在柴油机功率突变时，在冷却水温度波动时快速、精准、以最小的超调量来调节冷却水的温度。

1船舶柴油机中央冷却水系统

船舶柴油机中央冷却水系统由高温冷却回路、低温冷却回路和海水部分构成其简化图如图1.1所示。

高温冷却回路的冷却水由柴油机缸套流出，经高温淡水冷却器。

三通阀门、高温淡水泵后流入柴油机缸套。

在柴油机缸套冷却水的进口和出口分别装有温度传感器，并在进口处装压力传感器，实时监测缸套冷却水的进口温度和出口温度及压力。

高温淡水回路和主要作用是冷却柴油机的缸套，高温淡水温度的调节原理是：

通过改变三通阀门的开度，改变流过高温淡水冷却器的流量，进而改变冷、热水的配比，调节冷却水的温度。

图1.1中央冷却水系统简化图

低温冷却水回路的冷却水由淡水泵流出后经中央冷却器、三通阀、柴油机滑油冷却器、空气冷却器后流入高温淡水冷却器，冷却高温淡水。

在滑油冷却器和空气冷却器的冷却水进口和出口处均装有温度传感器，并在中央冷却器的进口处装压力传感器，以实现监测冷却水温度和压力。

低温冷却回路冷却原理同高温冷却水回路，也是通过三通阀调节冷却器的旁通水量，改变冷、热水的比例，达到调节水温的目的。

低温淡水回路的功能主要是冷却柴油机的滑油冷却器和空气冷却器，同时用低温淡水冷却高温淡水冷却器。

海水冷却部分的作用是通过海水泵从弦外引入海水，冷却中央冷却器。

1.1高温冷却水系统热力学模型

船舶柴油机中央冷却水系统高温冷却水回路热力模型由缸套冷却热力数学模型和高温淡水冷却器热力数学模型两部分组成，根据热量平衡，在某一微元时间内有下列关系：

缸套冷却水及缸套热量变化＝该微元时间内气缸内燃气传递给冷却水的热量－该微元时间内系统通过热传递等传热方式传给环境的热量。

当环境温度为t0时，有下列关系式：

（1）

当系统中各个参数稳定时，有

若考虑以各变量相对于其稳定状态的微元变化量为参数，设温度变化量Δt=t-t稳定，则式

（1）可变为：

（2）

式

（2）中：

thi为柴油机缸套冷却水出口温度；

tDi为柴油机缸套冷却水进水温度；

CD=mwcw+mccc为冷却水和缸套热容；

mw为冷却水质量；

mc为缸套质量；

cw和cc为冷却水和钢的比热容；

Q（t）为柴油机燃烧传入冷却水的热量；

R为气缸壁热阻。

1.2高温淡水冷却器热力数学模型

由图1.1可得，从柴油机流出的高温淡水流经管系进入高温淡水冷却器，根据热量平衡原理可得高温冷却水侧的热量传递关：

（3）

式（3）中：

Δtm为高温淡水冷却器平均温差；

C1=mhch+mbcb为高温淡水侧热容，mh为高温水质量，mb为铜管质量，ch高温水比热容；

cbo为黄铜比热容；

R为高温淡水冷却器热阻，，a1、a2分别高温水侧和低温水侧的换热系数，K为冷却器总的传热系数。

同理可得低温冷却水热量传递关系：

（4）

式中：

C2为低温冷却水侧热容，C2=mlcl+mbcb,其中为低温水质量，为低温水比热容。

在稳定工况下，高温冷却水传递给铜管的热量等于铜管传递给低温冷却水的热量。

1.3冷却水系统三通阀分配冷、热水比例模型

船舶中央冷却系统是通过改变三通阀门的开度来改变冷、热水的比例。

设x为三通阀某一开度时冷热水的比例，考虑各变量相对于其稳定状态微元变化量为参数，设温度变化量Δt=t-t稳定，则mb﹒ΔtDi=ml﹒Δtbo+m2﹒chi。

2系统结构组成及其工作原理

2.1控制系统结构

传统的船舶柴油机冷却水PID控制方法，不能很好控制缸套冷却水的温度。

实践证明，主机缸套水温度经常超调，特别是在扰动功率较大情况下，传统PID调节更显得无能为力。

Smith预估控制可以预测未来的系统偏差，对系统输出进行提前校正，这种超前预估作用克服了时滞的不利影响，但是由于这种预估器需要系统的精确数学模型，而且当预估模型和实际对象不匹配时，其对系统的误差非常敏感，控制效果较差。

船舶柴油机缸套冷却水温度的变化，主要是由于主机功率发生了变化。

船舶柴油机冷却水温度经常超调，是由于控制方法存在一定缺陷。

本文将功率扰动信号引入控制系统中，通过模糊决策，使系统能够在功率变化的时候，预先调节阀门开度，改变冷、热水配比，可大大降低主机缸套冷却水温度超调量，并用Smith预估PID控制器精确调节水温，优化控制系统的调节能力。

智能控制器控制系统结构如图2.1所示。

图2.1智能控制器控制系统结构图

将模糊控制与Smith预估器结合是模糊控制在纯滞后系统应用中比较成功的一种方式。

针对船舶柴油机中央冷却水温度控制对象的特点。

本文提出了冷却水温度智能控制器，本系统在Smith预估器PID控制器的基础上，将柴油机功率的模糊控制含量信号引入到冷却水温度控制系统中，使系统能够在柴油机的功率变化以后，立即做出反应，来预先调节三通阀的开度，从而达到降低冷却水温度动超调量，快速调节冷却水温度的目的。

2.2系统Matlab仿真及结果

以MANB&

W6L23/30A主柴油机高温冷却水系统为例，利用Matlab对其高温冷却水温度系统动态数学模型仿真，得到缸套冷却水出口温度随三通阀门位置变化的近似传递函数G1（s）=17.133e-7.05t/（152.5s+1）和冷却水温度随功率变化的近似传递函数G2=0.1046/（134.38s+1）.系统采用模糊控制调节器控制扰动功率信号，在功率变化时输出预先调节信号；

温度偏差PID调节器，精确调节冷却水温度。

模糊控制信号与PID调节信号加和共同控制三通阀阀门开度。

首先，当主机冷却水温为80℃，设定值为85℃时，仿真结果如图2.2。

引入扰动功率模糊调节信号的智能控制系统大大降低了缸套冷却水出口处温度，提高系统的响应速度。

采用智能控制方法后：

1.冷却水温度超调量大大降低。

系统采用PID控制时缸套冷却水温度超调量非常大，峰值为89.5℃；

采用智能控制后，调节过程中冷却水的最高温度由原来的89.5℃下降到85.7℃。

2.温度控制更加平稳。

采用PID控制时，振荡情况严重，冷却水温度波动加大，波动范围为