船用柴油机中央冷却系统水温的智能控制初稿汇总.docx
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船用柴油机中央冷却系统水温的智能控制初稿汇总
摘要
随着计算机技术、测量仪器和控制技术的高速发展，在现代自动控制领域中，应用了越来越多的先进测量控制技术、设备和方法。
在这些众多的先进测量控制技术中，由于单片微处理器的性能日益提高、价格又不断降低，使其性能价格比的优势非常明显。
因此，如何将单片微处理器应用到船舶自动控制领域，成为目前轮机自动化的焦点课题之一，为越来越多的科研机构所重视。
PID水温控制调节方法出现时间较早，已被大部分现代船舶所淘汰。
因此本文针对传统的柴油机中央冷却系统水温PID控制系统算法较为复杂，不能准确、快速、灵敏、稳定的调节柴油机冷却水的温度，提出了基于89C51单片机的智能冷却水调节系统的控制方案和具体方法。
在建立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模型基础上，将柴油机功率模糊信号引入到了高温冷却水温度控制系统中。
通过调节三通阀的开度，从而可以达到降低冷却水温度的动态偏差，快速而准确的调节冷却水温度的目的。
比较得出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：
智能控制；89C51单片机；精度高；速度快
Abstract
Withtherapiddevelopmentofcomputertechnology,measuringinstrumentsandcontroltechnology,theapplicationofadvancedmeasurementandcontroltechnology,equipmentandmethodswereappliedinthemodernfieldofautomaticcontrol.Duetotheimprovingperformanceanddecreasingpriceofsingle-chipmicroprocessor,itscostperformancebecameoutstandingbeyondthenumerousadvancedmeasurementsandcontroltechnologies.Therefore,oneofthefocusesofthecurrentturbineautomationtopicsistoapplythesingle-chipmicroprocessorintoshipautomaticcontrol,whichhasbeenpaidattentiontobymoreandmoreresearchinstitutions.
PIDtemperaturecontroladjustmentmethod,whichhastheproblemsofcomplexityandcannotaccurately,rapidly,sensitivelyandstablycontrolthediesel’scoolingsystem,hadbeeneliminatedbymostmodernships.Therefore,thisessaywillfocusonthetheproblemsofthePIDcontrolsystemalgorithmofthecentralcoolingsystemwatertemperatureinconventionaldieselengines,andproposeacontrolschemeandapproachwhichisbasedonthe89C51micro-controllersmartcoolingwaterconditioningsystem.Thesolutionistointroducetheenginepowerfuzzysignalintoahigh-temperaturecoolingwatertemperaturecontrolsystembyestablishingadynamicmodelofthecentralenginecoolingsystemtemperaturefreshwater（jacketcoolingwater）coolingcircuitonthebasisofthermodynamicmodel.Byadjustingtheopeningdegreeofthethree-wayvalvetoachievetheaimofreducingthedynamicdeviationofwatertemperatureandquicklyandaccuratelyadjustingthecoolingwatertemperature.ItcanbesignificantlybetterthantheconventionalPIDcontrolmethodssystemsimulationstudieswhichgainsfuzzyintelligentcontrolpowersignalpre-conditioningandwater-basedSmith+PIDregulator.Inpracticalapplications,notonlyprecisecontrolofintelligentenginecoolingwatervesselisachieved,butalsothefuelconsumptionisreducedandthelifeoftheengineisextended.
KEYWORDS:
intelligentcontrols,89C51microcomputer,highprecision,highspeed
目录
摘要1
Abstract2
第1章绪论5
第2章船用柴油机中央冷却系统10
2.1船用柴油机中央冷却系统工作过程10
2.2系统的构成10
2.2.1系统结构图11
2.2.2系统各组成部分功能说明11
2.3系统的性能指标13
2.3.1系统的主要技术功能13
2.3.2系统的性能特点14
第3章系统硬件组成15
3.1系统硬件组成结构图15
3.2系统各部分结构16
3.2.1测温电路16
3.2.2A/D转换电路17
3.2.3键盘与显示电路:
18
3.2.4串行通讯模块:
19
3.2.5声光报警电路:
19
3.2.6主控单元（MCC）:
20
第4章系统软件介绍22
4.1温度控制系统算法22
4.1.1系统的整体控制22
4.1.2算法介绍23
4.2计算机软件及功能28
4.3单片机的软件设计30
4.3.1主程序:
30
4.3.2T.0中断服务子程序32
4.3.3串行口中断服务程序32
第5章系统可靠性研究34
5.1系统硬件的可靠性设计34
5.2系统软件的可靠性设计36
第6章结论38
致谢39
参考文献40
第1章绪论
1.1课题提出背景
船舶柴油机冷却水温度控制技术是轮机自动化技术的重要组成部分。
轮机自动化，是指用各种自动化仪器仪表、控制元件、逻辑元件，以及计算机系统等组成的各种自动控制和监测系统。
它可以对船舶机舱内动力装置的运动参数进行自动控制，对机器设备的运行状态进行监测和报警，也可以对主要机器设备进自动操作等。
轮机在运行的情况下，由于摩擦与力的相互作用，有许多机械，设备的运动部件将一部分的机械能转换为内能，产生热量。
而燃烧的燃气和压缩的空气也会散发出大量的热量，为了避免受热部件的温度因为过高而影响其正常工作，或者因热负荷过大而产生热腐蚀使其损坏，必须及时而有效地将这些多余的热量散发出去。
因此，冷却水系统的功用，就是对需要及时散热的机械和设备提供足够的冷却水进行冷却，以保证其在一定合适的温度范围内安全、可靠地工作。
目前，船舶柴油机冷却水温度的自动控制系统大多采用的是电子式控制方.式，使用的是模拟式调节仪表，主要以电子器件的逻辑运算输出控制信号，来驱动继电器对电动机进行转向控制，从而达到对温度的控制。
从整体上看主要存在以下两个明显就缺点：
①采用的元器件比较落后，导致电路较为复杂，使用的逻辑元器件也较多，增加了备件管理和维护工作的难度;
②由于系统整体比较复杂，同时模拟仪表的实现功能的限制，因此这些温度控制器都采用了最简单的控制规律，不能提供很好的控制性能。
以上我们可以了解到传统的模拟电路控制方法已经不能满足我们日益增加的需求，因此改进温度控制系统十分重要，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。
我们知道，单片微处理器具有高精确度、高灵敏度、高响应速度，以及耗能少、机构小、可以连续测量、自动控制、安全可靠等优点，非常适合嵌入式控制。
同时，其逻辑控
制运算是由软件来进行的，可以容易的实现各种控制规则，甚至是比较复杂的控制算法的实现，而且不受外界的工作环境的影响，因此，基于单片机的温度控制器可以安全可靠地运行，来智能地控制冷却水的温度稳定在某一给定值，或者给定值附近，使得船舶柴油机冷却水温度测控满足现代远洋船舶的要求。
1.2船用柴油机中央冷却系统水温控制的发展历程
船舶柴油机冷却水温度控制技术，在20世纪中得到了飞速发展。
其大致发展历程如下：
（1）直接作用式控制方式：
在20世纪50年代末期，船用柴油机中央冷却系统水温控制采用一种早期的反馈式控制方式—直接作用方式。
其特点是，不需要外加能源，而是根据在冷却水管路中的测量元件内充注介质的压力随温度的线性变化而产生的力来驱动二通调节阀，来改变流经淡水冷却器的淡水流量和旁通淡水流量，从而进行温度调节。
这种控制方式的缺点是：
测量元件内充注的介质对密封性要求很高，如果造成测量元件内充注的介质泄漏，那么其本身的压力就不能随温度成比例进行变化，因而使得温度控制精度变低。
工作介质的泄露也同时污染了发动机内部零件和冷却水，有可能造成发动机内部机械故障，严重时可能导致发动机损坏报废。
同时，冷却水温度变化较大，对船舶柴油机的稳定运行不利。
利用直接作用式的水温控制方法检修难度较大，每次检修成本较高，而且不能时刻知道水温控制系统的好坏，无法被船员所观察。
在航行时如果出现泄漏将造成无法估计的损失。
（2）气动式控制方式：
在20世纪70年代末期，船用柴油机中央冷却系统水温控制采用气动式作用方式。
其特点是，利用感温元件和温度变送器，把气缸冷却水温度的变化成比例地转变成气压信号的变化送至调节器，与调节器的给定信号相比较，其偏差信号经调节作用规律运算后，成为调节器输出的控制气压信号去调节温度。
它也存在着以下的一些问题，例如系统对气体的密封性和压力要求同样很高，对运输和储存气体的管系密闭性要求也很高，如果控制气压信号有所损失，使得控制精度降低，效果减小。
同样也无法进行人工观测。
因此，这种控制方式现在也很少采用。
（3）电动式控制方式（PID）:
在20世纪80年代中期，船用柴油机中央冷却系统水温控制是采用电动式控制方式。
也是目前远洋船舶上主要采用的温度控制方式。
它的作用方法是，利用安装在船舶柴油机气缸冷却水进口或者出口管路中的感温元件，通常为电阻数值与温度变化在一定范围内成线性变化的热敏电阻，经分压器分压把冷却水温度成比例地转换为电压信号，这个测量信号与由电位器整定的给定值电压信号相比较得到偏差信号，再经过比例微分作用，输出一个控制信号并将此控制信号送至脉冲宽度调制器，将连续的控制信号变成断续的脉冲信号去调节冷却水温度。
尽管此类电动控制系统的控制精度和效果可以在一定程度上满足了船舶营运者的需求，但是这并不说明这种控制方一式是完美无缺的。
首先，这些控制系统的调节器采用了较为简单的控制规律，比如比例微分（PD）控制规律或者比例积分（PI）控制规律，若采用PD控制会出现静态误差，使系统长时间偏离最佳工作点运行，若采用PI控制，则对于冷却水温度这样具有较大惯性的被控对象会因为缺乏超前的控制作用而产生较大的超调量，使得系统动态特性较差，而且调节阀的开度改变以后，温度传感器不能马上反映出调节作用的结果，存在滞后，难以得到满意的控制效果。
其次这种控制系统的测量和控制部分，是利用一些电子器件进行逻辑运算输出的，它的缺点就是一旦逻辑输出部分机械部件出现故障，则整个测控系统的控制能力和精度就会出现故障，其工作效果大打折扣。
而冷却效果的下降，将会产生严重的后果，如船舶主柴油机气缸和活塞温度升高、润滑油随温度的升高而粘度降低造成机械运动的磨损，缩短了柴油机的使用寿命等。
（4）智能调节方式
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用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。
1.3本课题研究的主要内容
“基于单片机的船舶柴油机冷却水温度控制系统”是以现代远洋船舶上广泛应用的船舶中央冷却系统为研究模型，以船舶柴油机冷却水的温度测量和控制为研究对象进行的。
先来了解绝大多数远洋轮船所采用的中央冷却系统工作过程。
利用船舷外的海水泵泵入海水进入中央冷却系统，来冷却低温淡水，被冷却后的低温淡水再去冷却船舶主柴油机气缸套和气缸盖的高温淡水。
中央冷却系统分为两个冷却水回路：
开式冷却，闭式冷却。
（1）开式冷却：
开式回路又称为低温回路，是由海水泵泵入的海水来冷却低温淡水的回路因为海水的流入流出并不是一个闭合的过程所以称为开式回路。
（2）闭式冷却：
闭式回路又称高温回路，就是由低温淡水来冷却高温淡水的回路，因为低温淡水和高温淡水的流动是一个循环利用的过程，因此又称为闭式冷却
在这种冷却系统中，由于舷外海水不再接触各种热交换器和船舶主柴油机的冷却空间，因而避免了海水引起的腐蚀，提高了设备和系统的安全可靠性以及设备使用寿命。
下图1-1为船舶中央冷却系统简化框图
图1-1船舶中央冷却水系统简化框图
因此，我们设计的“基于单片机的船舶柴油机冷却水控制系统”课题应该重点解决以下内容：
（1）通过查找资料和计算分析得出船用柴油机中央冷却系统的工作方式，以及工作流程，并且对发动机冷却水系统的结构有初步的了解，为后期的设计做准备
（2）画出水温测量电路，A/D转换电路，功率信号测量电路，膨胀水箱液位测量电路，压力信号电路，报警电路，三通阀控制电路，海水泵控制电路的电路图，并进行电路分析得出原理，以及工作方法。
（3）分析了种在温度控制中常见的控制算法，根据各自的优缺点，以及针对冷却水的固有特性的分析，实现了带有smith补偿的PID控制
（4）根据硬件的设计画出各个硬件中算法的设计，并且进行验证
1.4系统研究的应用前景
本温度测控系统是用于对船舶主柴油机冷却水的温度进行监测和控制的全自动智能调节系统。
它可以广泛地应用在船舶工程中，如现代远洋船舶上对温度要求比较高的船舶中央冷却水控制系统中。
它具有安全可靠、操作简单方便、智能控制等优点。
另外，此测控系统以及相关产品的研发，既有利于推动工控技术的发展，又能带来可观的经济效益和社会效益。
（1）市场预测:
随着计算机技术、现代通信技术和自动控制技术等高新技术在几十年内飞速的崛起，尤其是这几年的大力发展以及电子技术在船舶上的应用。
无不带动了国内电子业，航海业的腾飞。
相信我们的柴油机冷却水温智能控制系统会给现代船舶带来极大的应用空间，创造良好的经济效益。
（2）课题的实用性及前瞻性:
全球经济一体化的快速发展，对货物要求量的需求增大，人民的物质需求日益加大，各国进出口量与日俱增。
使得船舶自动控制技术也突飞猛进的提高。
“温度测控技术”具有很强的灵活性，根据用户需要，可以方便地调整系统温度给定值，从而使整个船舶主柴油机在更加理想的条件下运转，增加了柴油机的使用寿命，满足了人们对其经济性的要求。
同时，由于系统具有良好的扩展性能，可以与船舶内部网络进行通讯，使得系统功能再扩展成为可能，最大限度地满足了今后的需求。
第2章船用柴油机中央冷却系统
2.1船用柴油机中央冷却系统工作过程
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（第6页）。
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。
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。
2.2系统的构成
整个船舶柴油机冷却水温度控制系统主要由计算机控制中心（上位机）和打印机、测量电路（温度测量、液位测量、功率测量、压力测量）、信号转换电路、单片机（下位机）、执行机构，以及控制软件等部分组成的，系统采用了总线结构、模块化的设计方法，各部分既可以独立工作，又能够联网协同工作，组建方式灵活，并具有良好的可扩展性。
其中计算机控制中心即可实时监测柴油机冷却水温度控制系统的工作状态，又可实时显示水温，在有需要的时候还可以进行人工干扰和调节，十分方便快捷。
温度测量电路采用了十分灵敏并且具有良好感温效果元件，用来测量冷却水的温度。
单片机是本课题的核心部分。
它既可独立工作，又能与上位机组成通讯网络，同时还可以对柴油机冷却水的温度进行监控，对执行机构发出控制指令，实现温度的检测与控制，是由温度采集接口电路、键盘与显示电路、串行通讯接口申路、看门狗电路，以及执行机构接口电路所组成的。
由于现代远洋船舶的中央冷却系统具有.高温淡水和低温淡水两个冷却水回路，所有我们在设计时应对高温淡水和低温淡水进行分别设计。
但两个回路的设计方法基本相同。
在本文中仅对高温淡水回路进行设计。
2.2.1系统结构图
智能控制器控制系统结构如图3-1所示。
图3-1智能控制器控制系统结构图
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。
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。
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。
2.2.2系统各组成部分功能说明
下面我没对计算机控制中心（上位机）和打印机、温度测量、、单片机（下位机）、执行机构，以及控制软件等部分做逐一介绍。
（1）计算机控制中心
计算机控制中心可以对单片机测控平台进行远程实时显示和检测。
利用计算机中安装的通讯软件，计算机可以与单片机进行实时通讯，将单片机存储器中的相关数据传输和显示在计算机终端显示器上，方便用户对每个检测点的实际温度和设定温度进行比较和监测，对于超标的数据给予特殊颜色的显示并报警。
同时，上位机也可以对测控平台的历史数据进行存储分析和打印，以方便用户对测控平台的每一个温度数据进行存储。
当每次启动软件时，该软件可以自动的从单片机温度控制器中读出历史数据并存储到计算机中。
（2）温度传感器组:
本系统采用了铂热电阻Pt100，其感温效果较其他感温元件比较突出。
用来测量冷却水的温度。
同时，本系统采用了多点测量的方法以保证测量的准确性，即在低温回路中低温冷却淡水的出口和进口、高温回路中高温冷却淡水的出口和进口都安装了温度传感器，分别测量这几点的温度，然后单片机控制多路开关，分别采集这几点的温度数值。
在某一时刻，单片机采集的是某个点的温度实际数值，然后与该点的设定数值相比较，再输出控制信号，因此，并不会增加单片机的运算负荷，使得单片机完全有能力承担控制中心的任务。
由于采用了这种多点测量的方法，克服了在以往温度控制中，只能单一的测量冷却水进口或者出口的实际温度，出现偏差的现象，这也证明了本课题设置的科学性和合理性。
（3）单片机测控平台（下位机）:
单片机测控平台（下位机）是整个温度控制系统的重要组成部分，是联系温度信号采集和计算机管理控制中心的枢纽。
一方面，它要获取温度传感器组的测量数据，并且与温度设定值进行比较，同时输出控制信号到执行机构;另一方面，它要将温度测量数据和设定数据上传到计算机管理控制中心（连接打印机）。
系统控制流程是，单片机将温
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