硕士论文-船舶主机滑油温度智能控制系统的设计与研究.pdf

武汉理工大学 硕士学位论文 船舶主机滑油温度智能控制系统的设计与研究 姓名：于天奇 申请学位级别：硕士 专业：轮机工程 指导教师：李鹤鸣 20100501 武汉理t 人学顾l j 学位论文 摘要 船舶主机滑油温度对于柴油机的稳定工作非常重要。控制船舶主机滑油的 温度，有利于提高柴油机的动力性并且在一定程度上可以减少燃料消耗量和废 气的产生。船舶主机滑油系统的运行参数直接反映了动力系统润滑的效果，保 持这些重要的热工参数在规定的范围内是主机滑油温度控制模块的职责所在， 主机滑油温度控制模块工作正常与否，直接关系主机滑油的涧滑效果，严重影 响到主动力系统运行的经济性、机动性和安全性。 目前船舶主机滑油温度控制系统的控制方法大多选用常规p i d ，但是传统 主机滑油温度控制系统具有非线性、时变性、大迟延的特点，是一个回路闭环 系统，因此某些情况下传统p i d 控制难以达到满意的控制效果。船舶柴油机滑油 的温度由于经常出现超调、响应速度慢、温度控制不准确的情况从而影响了船 舶柴油机的性能和寿命。本文的目的是研究先进控制技术取代常规控制，以实 现精确调控主机滑油温度的目的。 本文首先介绍了船舶主机滑油温度控制系统的工作原理及智能滑油温度控 制系统的设计方案。分析了主机滑油温度控制系统的数学模型，并利用m a t l a b 的s i m u l i i l l ( 模块建立系统仿真模型。然后研究了滑油温度控制系统的先进p i d 控 制技术，将神经网络p i d 控制引入其中。利用m a t l a b 软件仿真了该系统的神经 网络p d 控制，对遇到的问题进行了分析并提供了解决方法。仿真和实验结果表 明基于神经网络p d 控制信号的智能滑油温度控制器响应速度快，控制精度高， 滑油温度超调量小，具有很好的控制效果。 关键词：船舶柴油机，滑油温度，数学模型，m a t l a b 仿真，神经网络 武汉理。1 ：人学硕十学位论文 a b s t r a c t t h em a i ne 1 1 百n el u b eo i li sv 唧岫川觚t 衙m e 虹b i l 时w o r ko fm ed i e s d 百n e ni sa d v a n t a g e o u st 0c x a l 伽o nd i e s e l 朗舀n eo fm o t i v ea n dt os o m ec x 缸l tc 趾 d e c r e a s et l l e 向dc o 艄e q u a n t i 锣a n dw a s t eg a so f 嗍石o ni f w ec 觚c 0 n 仃0 1m e 1 u b e o i lo naw e l lt 觚l p 嘲r e t h ep a r a m 曲e ro fs b i p sl d b e0 i ls y s t e mw 嬲d i r e c tr e n e c t l e e 腩c to f 吐1 em 嘶v es y s t e n ll u b r i c a t e ，ni sm ed u t yf o rm em a i nl u b eo i ls y s t e i i lt ok e c p m ei i l l p o r t a n tp a 姗e t e ri 1 1m er i g l i ts c a l e i fm em a i nl l l _ b eo i lt 啪p e r a t u r em o d ec 趾 舭w e i lo r 肿tc a i ld n c d yr e 衙t 0m ee 虢c to ft 1 1 el u b r i c a t “培i tc 趾s e v 丽够 砌u e n c em e e c o n o m y ，m o t i v ea i l ds 甜敏yo f 吐l em a i nf o r c es y s t e m c u i t e n t l yc 0 n 昀lm e t l l o d so fg 缸p sl u b eo i lt e n l 讲戤呱l r es y s t e mm o s t l yc h o o s e n o n n a l 删弘l 撕0 1 1 sp i d ， b u t 仃撕t i o nl u b eo i lt e “l p 咖咖ls y s t e m埘m u m i n e ，t i m ec h 锄g ea n db i gd e l a yc h 嬲l c t 舐s t i c s ni sab a c k 位l c ks h u tw 础s y s t 锄 s o 缸a d i t i o nm 甜l ( ) d so fp i dc o n 乜o lc 觚tr e a c hm es a t i s f 籼巧e 侬：c t t h et 锄p 锄t i 鹏o f t l l e 蜘p sd i e s de n g m el u b eo i lu s u a l l ya p p e a rs u p e ra 由u s t r e s p o n dt 0s p e e ds l o w ， 搬n p e m t u r ec o n 仃o lu n c l e a ra n dn c a i li n f l u e l l c et h e 如n 甜o na n dl i f eo ft 1 1 e 蜘p sd i 懿d e n g m e t e x t u a lp l l r p o s ei st 0r e s 昀r c i h l ef o r e r u n n e rc 0 i n l lt e c i h m q u e t 0r e p l a c en o m l a l r e g u l a t i o i l sc o n t r o l ，n 咖p 而s i o na 由u s tm et 锄p e r 舳o f m ed i e ie i 画i l el i i b e o i l m s t e 烈触i i l 昀d u c 6 0 n n l e w o 出p r m c 岫l e o f n l es h i p l 妇础t e i l l p e 舭沁l s y s t 锄锄dm ep r o j e c to ft l l ei m d l i g e n c e1 l i b e0 i lt e m p c 翻t u r ec o n 协o ls y s t 锄a n a l ) ，s i s m 础锄撕c sm o d d0 f m 血l u b eo i l t e l i 聊舭c o n n d ls y s t e 批锄dm a k e 懈eo f m a 廿a b s i i n u l i l l l 【m o d e 岱t a b l i 幽e n t 廿l ei i i l i t a t es y s t e m 1 1 1 e i lr e s e a 蛐1 e 硒朗1 彻髓p d c o n t lt a c h i l i q u eo ft l l el l i b e0 i l t 蜘叩l e r a t u r ec o n 臼ls y s t e m ，ni s l ef i l 髓t i i n et a k e 也e n e r y en e 咐。出p mc 0 曲dt 0 慨瓶h i l i 咖仕坨n e r v en 咖o r l ( o f 也es ) ，s t e mp d 0 0 n 缸o l 谢m l em a t l a b a n s y s 锄ds o l v em ep f o b l e n l 埘n l n 如gm e 山o d t h e 删to f m ei i i l i t a t e 锄dt l l ee x p 咖l 饥te x p r e s sn l a tt l l en e v e rn e tp dc o n t r o lw i m 删 q i l ic ：i ( ，c o n 仃d la c a 螂s i i l a l l l u b e 胡t e l 】叩l e r 撇a 由u s 伽1 di th a s 鲫c 0 嘣r o le 丘破 k e y w o r d ：s h i p sd i e s e le l l 百n e ，l u b eo i lt e r i l p e m t l 玳，m a m 抛撕c sm o d e l ，m a u a bi 而t a t i b i l e en e t 、o r k i i 独创性声明 本人声明，所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究 工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致 谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果， 也不包含为获得武汉理工大学或其它教育机构的学位或证书而使 用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己 在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 签名： 孟垂当日期：玉包查：兰z立盔匀日期：玉包查：兰厶 学位论文使用授权书 本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定， ，即：学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和 电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权武汉理工大学可以将 本学位论文的全部内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、 缩印或其他复制手段保存或汇编本学位论文。同时授权经武汉理 工大学认可的国家有关机构或论文数据库使用或收录本学位论 文，并向社会公众提供信息服务。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 研究生( 签名) ：才云肖 导师( 期口兰、 武汉理i ：人学硕+ 学位论文 第1 章绪论 1 1 课题的背景和意义 船舶主机在运行的过程中相关连接部件之间存在着滑动摩擦和转动摩擦， 如果在这个过程中由于缺少润滑油或者滑油温度不当将不能保证各连接部件充 分的润滑及冷却，最终将导致部套之间发生相对的过热现象，严重的会造成各 种相关设备永久性的破坏【l 】【2 1 。综上所述，体现了主机滑油在船舶运行工作阶段 的重要性，通过控制滑油流量和温度，能够让各相关运动部件之间达到最佳的 润滑效果，减轻相关运动部件的疲劳应力，有效的延长各个设备的使用寿命， 根据以上所述，本文提出了“船舶主机滑油智能温度控制系统的设计与研究”的课 题。 主机滑油温度的合适与否是保证船舶主机讵常运行的重要条件，但是在实 际的工作环境当中，滑油及冷却水需要一定的时间流经相应的管系，同时也经 过一些执行部件如三通阀，电动机共同组成的复合系统，以上原因均会造成整 体滑油温度控制系统存在着大延迟特性【3 】【4 】。 以智能控制理论和现代控制理论为基础的各种控制技术包括预测控制、鲁 棒控制、模糊控制、神经网络控制、专家控制等m 。这些技术在理论上已经比较 成熟，但实际上很少应用于船舶机舱过程控制中，常规p i d 控制仍然应用于大 多数机舱过程控制如主机滑油温度控制，由于采用常规p i d 导致无法实现全局 最优的船舶运行状况。在实际控制系统中不能稳定、快速的调节船舶主机滑油 的温度，且滑油的温度容易超调从而对船舶柴油机的性能和寿命造成一定的影 响【8 】。因此，除了进行滑油温度控制器设计以外，研究各种先进的控制算法同样 对本课题也有重要的意义。 1 2 国内外研究动态 1 2 1 机舱自动化的发展过程 随着科技的发展和进步机舱自动化从2 0 世纪5 0 年代开始发展的比较迅速， 武汉理l ：人学硕十学伊论文 5 0 年代术期机舱反馈控制系统引入机舱自动控制中并得到了广泛应用，2 0 世纪 6 0 年代初，机舱自动化程度发展到在集中控制值班室只需一个工作人员值班的 水平。在一定程度上提高了主机动力装置可靠的工作也同时改善了轮机工作人 员的工作条件f 1 】【9 】。 2 0 世纪6 0 年代中期“无人值班”机舱出现，机舱自动化也实现了从局部到全局 自动化。不但减少了管理人员的数量，而且在船舶航行和动力装置工作的安全 性和可靠性方面也有明显的提高，充分显示了机舱自动化的功能和作用。6 0 年 代后期，船舶自动化控制发展到了采用电子计算机控制的程度，自动化的控制 过程远远超出了机舱范围，在其他方面如装卸货物、导航甚至医疗等方面都有 广泛的应用。 7 0 年代中期，微型计算机的应用和发展十分迅速，由于其具备低廉的价格 并且具有良好的控制效果，机舱自动化的分散控制基本采用微型计算机。8 0 年 代中后期，由于单片机应用十分广泛，并且其内存量和运算速度也都有大幅提 高，单片机组成的各种智能化仪表令机舱中各种机器设备均能实现运行参数的 自动调节。同样在集中控制室也设置一台微型计算机，通过它可以把分散控制 的单片机、可编程控制器和微型计算机联系到一起并能够协调的工作，实现机 舱统一的技术管理。目前，自动化水平很高的船舶已经实现了“驾机合一”的控制 方式。随着自动化程度的发展，船舶智能化程度必将更加先进。 1 2 2p i d 控制器的发展 p d 技术在工业过程控制中是生命力很强也很通用的控制手段，可以用来控 制大部分反馈回路【l o 】。目前的控制器主要是在1 9 l 旺1 9 3 5 期间研究并设计出来 的。在这个期间以后也相继研究出很多的控制算法，但是其他的控制器又很难 与p d 控制器相比，p i d 控制器以其结构简单，对模型误差具有鲁棒性及易于操 作等优点，仍被广泛应用于冶金化工、电力、轻工和机械等工业过程控制中【1 2 l 。 在日本，各种工业控制方法中采取p i d 控制算法的占总数的9 0 以上。据美国控 制工程报刊统计，各种工业控制算法选用p i d 调节器控制的也超过了9 0 。再其 它国家及中国也存在着普遍应用p i d 控制器用于工业生产过程中的控制，同样在 大量运用p d 为主要控制方式的阶段，也出现了一些更加先进的控制算法，他们 都是以现代控制理论为基础的前提发展起来的，但是在工业的生产过程中，先 进控制技术并不是十分成熟，很长一段时间大部分生产过程仍然应用p i d 算法而 2 武汉理r ：人学硕十学位论文 没有选取更先进的控制算法。 由于工业生产过程很难进行十分精确的建模，因此这种情况下，更加体现 了p i d 控制器的优势，p i d 控制器具备其他算法不可替代的优势，它不需要定 建立十分准确的数学模型，并且还具备结构简单，鲁棒性适应性较强的优点【1 3 j 【1 4 】。随着时间的积累，人们也逐渐的总结出了许多经验，主要体现在控制器各种 参数的总结方面，为今后的控制器发展奠定了坚实的基础。随后p i d 控制器经 历了一系列的发展过程，从液压到气动式最后发展到电气控制，也同样实现了 整个p i d 控制器从普通的模拟式发展到先进的数字智能式，智能控制器在控制各 种参数的方面具备普通控制器无法比拟的优点。时代在进步，工业控制也在不 断发展，在这种快速的发展模式下越来越多的复杂控制回路已经出现，这在控 制算法方面无形中提出了更高的要求，也因此使得系统的各种控制参数难以满 足控制系统理想状态的需求值。导致了生产过程从最初的原材料的消耗到最终 制造商品的品质都造成一定程度的影响。这种严峻的形势下，对人们提出了应 该研究更加先进的控制算法来替代传统的p i d 控制的需要，目的是满足当代社会 工业控制发展的需求。后来的生产设计过程主要是在传统p i d 控制器的基础上对 控制算法进行一系列的改进和提高。主要可以归结为两个方面的发展，一种是 常规控制器结构的改进，另一种更重要的为研究更加智能的控制算法。工业控 制发展到现代已经有很多智能控制算法，在这些先进的控制算法中比较常用并 且实践证明效果也很好的主要有模糊控制，神经网络控制和专家控制。可以采 取常规控制器同先进的智能控制算法相结合的控制方式，达到常规控制器和智 能控制算法优势共同体现出来的目的，也就实现了真正的智能p d 控制器。由于 这种智能控制方法具有鲁棒性良好的优点且不需要提供建立准确的数学模型的 优点，这种算法已经普遍的应用于当今工业生产控制过程。 1 2 3 滑油温度控制器的现状 滑油温度是船舶机舱中重要的控制参数之一，传统的滑油温度控制器由大 量模拟电路来实现，电路复杂，控制精度较低，故障率高，维护困难。随着轮 机自动化的提高，无人机舱的普及，对滑油温度控制器控制精度要求日益增高， 对其可靠性也提出了更高的要求。国内外关于船舶柴油机滑油温度控制系统的 研究主要集中在主机滑油温度控制器的控制方法上。目前常用的温度控制方法 主要包括常规p d 控制，模糊p d 控制，神经网络与p d 复合控制等。实际的生产 3 武汉理：人学硕十学何论文 过程中，根据人类长期以来总结出的经验，将这些经验利用人脑的工作能力输 入到微机中，通过总结经验来实现控制算法，最后计算机实现能够根据总结出 的算法自动调节系统运行参数，这就将智能化的滑油温度控制器用于实际工业 生产的过程。 1 3 本文的主要工作 本课题以某型船舶为模型对该类设备的工作原理、工作状态、结构特点和性 能等进行了深入、详细地研究分析，重点研究滑油温度控制系统的各控制模块 的硬件设计，建立系统的数学模型并研究其智能控制方法。在导师的指导下， 本人认真查阅相关文献资料，并以船舶主机滑油温度智能控制系统的设计与 研究为硕士论文题目。分析主机滑油温度控制系统各部分的原理及建立相应 的模块，通过各个分模块的组合建立最终控制系统的数学模型。采取先进的神 经网络控制算法与普通控制算法相比较的方式得出神经网络控制器的的优点， 最终实现取代常规p i d 控制器的目的。 本文具体的工作如下： 1 ) 对船舶主机滑油控制系统各个组成部分进行分析，主要针对滑油冷却器， 执行器，温度变送器的工作原理进行系统建模，建立数学模型的前提还应该认 真分析各种设备的特性，根据传热学的相关原理，深入了解整个主机滑油温度 控制系统的热传递原理，根据前人的经验和相关的先进算法，实现相关控制部 件的准确建模，并在能够满足不影响分析模型性能的情况下适当的省略或简化 某些建模过程，为分析整个控制算法提供方便。同时，还要认真分析相关外界 干扰，比如主机负荷的增加或者在航行过程中海水温度的变化，都会对实际航 行中的滑油温度控制系统带来一定的影响。把这些干扰因素考虑进来，很大程 度上增加了整个系统的稳定性。 2 ) 分析并对比相关的控制理论，由于主机滑油温度系统的控制存在一定程 度的延迟特性，在实际的工作过程中会经常出现超调现象，本文采用单神经元 自适应控制器与先进的p i d 控制加神经网络控制的复合式控制器，通过分析神 经网络控制的机理，把它应用于主机滑油温度控制系统。在系统的仿真过程中 对相关的参数进行调节，最终实现良好的调节效果。分析当船舶主机滑油温度 控制系统控制通道的数学模型在长时间运行后会发生改变，利用m a t l a b 仿真软 件对比在数学模型改变时常规p i d 控制、单神经元自适应p d 控制及c m a c 加 4 武汉理一l ：人学硕+ 学位论文 p i d 复合控制各自控制的响应曲线。最终分析控制结果采取合理的控制方法。 3 ) 根据主机滑油温度控制系统的工作原理，设计并研究主机滑油温度控制 器系统的硬件模块，具体内容包括：信号采集转换模块：主控制模块；备用通 道控制模块：驱动模块；信号反馈模块；系统电源模块。 武汉理j 1 ：人学硕十学位论文 第2 章主机滑油温度控制系统数学模型 如果想全面的分析一个系统的各种性能指标，就非常有必要建立相应控制 系统的数学模型，本章就是要通过主机滑油温度控制系统的数学模型的建立， 实现更深层次的分析主机滑油温度控制系统的各项性能。但是，系统如何建模， 采用哪些方法是一项需要仔细考虑的因素，通常人们可以依据工业生产控制过 程的复杂程度建立相对简单或者相对复杂的数学模型，最终归结起来主要是和 各种模型的应用范围有关，针对不同的应用范围实现建立具有各种特点的模型 【1 7 】【l s 】。这些应用范围主要分为理论分析类、功能分析类、算法控制类等。这些 分类模型都具备相对独立的侧重点。对于理论分析类型的建模重点放在系统模 型的准确性方面，通过认真的理论分析使得每个部分环节建模的过程都十分严 谨，任何参数的变化通过这种模型都能够进行分析，并且可以根据这种模型分 析它的整体和各部分因参数变化而造成的影响。由于系统在建模过程中过多的 要求其准确性，因此在这种模型的实现过程需要很大的计算量周期性很长。对 于功能分析类的建模方式，侧重点并不是放在系统的准确性和精确性方面，它 不同于理论分析型，它主要把重点放在对整个控制过程的输入和输出的相对关 系上。同时该类建模能够预测系统达到稳定阶段各种参数应该达到的数值，控 制过程主要是通过复杂的重复累加算法予以实现的。但是这种复杂的重复累加 算法使得整个系统的设计过程也十分复杂。对于算法控制类模型的建立类似于 功能分析类，主要是研究整个工业生产过程控制对象的输入和输出之间的关系， 但是同功能分析类不同之处在于它不是更加注重预测系统的参数而是侧重于研 究控制系统的实时性。他的优点在于建模的过程比较简单，通过线性方程把各 种变量之间的关系紧密的联系起来。 本章主要根据相关理论和实验，采用仿真软件m a t l a b 实现系统的建模过 程【1 8 】【1 9 1 。根据之前所分析的控制算法建立主机滑油温度控制系统的传递函数。 通过具体分析整个模型的组成原理，加上良好的软件仿真环境，实现能够为智 能滑油温度控制器的设计提供相对完整的控制系统模型。 6 武汉理i ：火学硕十学伶论文 2 1 系统概述 船舶在航行的过程中，受到不同外界因素的影响会导致主机滑油温度出现 一定的波动值，主机滑油温度控制器的作用就是最大程度得以最快速度实现系 统温度能够回调到设定值。把船舶主机滑油的温度维持在理想稳定范围内，对 于船舶主机中各个需要润滑的设备安全稳定经济的运行非常重要。船舶主机滑 油进口管上装设有温度传感器，温度传感器的输出信号同滑油进口温度成一定 的比例变化。调节器接受来自感温元件输出的控制信号，执行机构接收来自调 节器输出的控制信号，进而改变旁通阀的开度，低温海水在滑油冷却中与滑油 进行一定程度的热交换，最终把主机进口滑油的温度限定在给定值或给定值附 近。 2 2 系统数学模型的建立 曼虻- 控铜器，电动执行器- 冷却嚣 ! - 一一。l 一一 一 沮度变送器一j 1 一一j 图2 1 主机滑油温度控制系统结构图 2 2 1 滑油冷却器的特性分析 2 2 1 1 滑油冷却器的静态特性 图2 2 所示为本文所选取的冷却器，它是一个管式逆流单程作用式滑油冷却 器，其中g l 为主机滑油的流量，g 2 为冷却水的流量。瓦、毛分别为主机滑油及 冷却水的入口温度，五。、互。分别为主机滑油及冷却水的出口温度，而c i 、c 2 各 为主机滑油与冷却水的比热容。 7 武汉理：i ：人学硕十学位论文 兰一 g ，g 毛l 一 、 二二二二l 一g ：c ：互。、一l 一 v 2 、一2 2 口 g l g 五。 l 对象的静态特性是指在稳定情况下控制对象的输出与输入变量之间的函数 关系。对于图2 2 所示的滑油冷却器，其具体的静态特性即输入变量t l i 、t 2 i 、 g i 、g 2 与输出变量t l o 、t 2 。的静态关系，如图2 3 所示。如果用函数表示，则为 图2 3 滑油冷却器特性图 通过上图2 3 可知，滑油冷却器的相关静态特性主要就是确定各个变量参数 之间的一个函数关系，具体而言就是确定五。与瓦、互，、g l 、g 2 之间的函数关系 f o 通过求解滑油冷却器的相关静态特性的函数关系，可以实现有效的分析整个 控制系统的外界干扰因素，同时求得相关的静态放大系数也有利于对滑油温度 控制系统干扰因素的分析。 根据传热学的相关理论分析主机滑油冷却器的能量走向及单位时间内传递 热能的速度。从而获得相互关联的数学表达式，这种表达式可以表示出滑油冷 却器的静态特性【2 0 】【2 1 1 。 ( 1 ) 一般的情况下可以大致的理解为两种介质在相互的接触过程中，彼此之 间的能量存在一种相对的平衡关系，在不考虑一定原因导致小部分能量自然丢 失的状况，具体的数学表达式如下： g = g lc l ( 墨。一五，) = g 2 g ( 互，一互。) ( 2 2 ) 式中q 传热速率，s ； 武汉理i ：人学硕十学位论文 g _ 一质量流量，堙 ； c _ 比热容，j ( 堙。c ) ； t 一温度，o c ； ( 2 ) 同样还是根据传热学的理论，我们可以理解两种不同介质之间能量在 单位时间内传递的大小为他们相对的热量传递速率，具体的数学表达式如下： g = 灯丁 ( 2 - 3 ) 式中：k _ 传热系数，k c 州( 。c m 2 h ) ； ，一滑油冷却器的散热面积，m 2 ； 丁一温差平均值，。c 。 本文所采用的这种滑油冷却器温度的平均表达值可用r 表示。 肌鼍铲2 譬 协4 ， 互。一瓦必 式中= 互，一互。； 乞= 互。一瓦； 垒垒在1 3 3 之间时，其对数平均值可选择其算术平均值取代，其误差在5 f 2 以内。 算术平均值如下： f ：垡丝：亟二玉! 亟二型( 2 5 ) 根据以上公式，把式( 2 2 ) 及式( 2 - 5 ) 代入到式( 2 3 ) 中，经整理可得： 姓：! 乃咆嚣+ 扣器，腰2 、g c 7 ( 2 - 6 ) 式( 2 6 ) 为即滑油冷却器的静态特性表达式。由此可以推出各通道的静态放大倍 数。 钆主机滑油入口温度死，对滑油出口温度墨。的影响，即瓦叫五。通 道的静态放大倍数。 对式( 2 - 6 ) 进行增量化，令互；= 0 则可得： 垒互。二垒圣f ： ! 嘲f 嚣+ 如器， 由式( 2 - 7 ) 可求得g l c l 通道的静态放大倍数为： 9 ( 2 7 ) 武汉理l ：人学硕十学位论文 挚赢 协8 ) k f2 、g g 式( 2 8 ) 表明，石，与五。为线性关系，且其静态放大倍数小于l 。 冷却水入口温度互，对滑油出口温度五。的影响，即瓦一石。通道的静态 放大倍数。 同样对式( 2 6 ) 也进行增量化，令石，= 0 ，可得： 盟： ! 幔j 嚣+ 黪 ( 2 9 ) 式( 2 - 9 ) 表明，五。与互，也为线性关系。 c 主机滑油流量g l ，对其出口温度五。的影响，即g l 一石。通道的静态 可通过对式( 2 6 ) 进行求导鲁，求取静态放大倍数为： 鲁：车退坠 ( 2 - l o ) 崛2 研g 嚣鲥 一 由式( 2 一1 0 ) 可见，g 2 叫巧。通道的静态特性不是线性关系式。这种通道 时，整个曲线呈饱和形状，此时g l 的变化对石。的影响很小。 籍黔2 - 鱼生 k f 图2 - 4 五。与g l 的静态关系图 d 冷却水流量g 2 对主机滑油出口温度五。的影响，即g 2 叫五。通道的静 态放大倍数。 同样可通过对式( 2 - 6 ) 求导，求得篆，其结果与式( 2 - 1 。) 相近，可以看出他 们之间为复杂的非线性关系。因此，同样用图来分析和表示此通道的静态关系。 图2 5 表示了这个关系，从曲线形状可以看出，当g 2 g 增大时，曲线呈饱和形 l o 武汉理i ：人学硕十学位论文 状，此时可忽略不计g 2 的变化对的石。影响。 正。一互， 疋，一互， g 2 c 2 kf 图2 5 。与g 2 的静态关系图 2 2 1 2 滑油冷却器的动态特性分析 由于滑油冷却器两侧不会产生相变，大多为分布参数对象。分布函数对象 输出的变化规律可用偏微分方程来描述，此输出既是时间函数也是空间函数【8 】 【2 2 l 。滑油管式冷却器动态特性数学表达式可参考下图建立。 z 一 g l c l 石， z ：o z = i 么2 u l l l q g 弓一一l 三二一一g c 艺 l j dz q g 咒 图2 6 管式冷却器分布参数模型图 建模之前对此管式冷却器进行如下假设： 滑油冷却器上由内到外侧切面的各处温度一样； 可以认为滑油冷却器内的液体的比热c i ，c 2 和传热系数k 为固定值； 滑油和海水是各自互相独立的按层流动的液体。 为了建模方便，更好的分析相关热量传递方式，滑油冷却器的外壳 对两个液体之间的热量的传递的影响不予以考虑。 在分析上图2 6 滑油冷却器的数学模型的过程中，主要是通过传热学的相关 定理进行对控制对象的系统建模。利用微分的原理，获取滑油冷却器上的一个 非常小的部分进行分析，由于选取的部分很小可以忽略各部分的温度差，认为 这一部分各处的温度值都是相等的。滑油冷却器内滑油和冷却水之间依靠能量 的传递来改变滑油的温度，达到满意的控制效果。同样，根据传热学原理得出 滑油在冷却器内的能量平衡关系式。假设d z 为圆柱体的微元，通过微元内系统 武汉理 ：人学硕十学位论文 的能量传递数学表达式来解释相关的能量平衡过程。 滑油微元内蓄热量的变化率= ( 单位时间内海水传给滑油微元的热量) + ( 单位时间滑油带入微元的热量) ( 单位时间内滑油离开微元所带走的热量) 即： g l q 张m q m d + 掣胡+ 础驰) 一驰瑚：m 酗望攀 ( 2 - 1 1 ) 式中，彳为内管的圆周长；爿川即为微元的表面积；，= ；为冷却器的总 长度；m ，为流体l 单位长度的流体质量，m 。讲即为微元的质量。 消去方程式( 2 1 1 ) 中的讲，并作适当的整理，得： 等掣：一掣+ ( 筹) 【瓦亿沪秘) 】 ( 2 - 1 2 ) g l西刮 、g l a “” ” 同理，可得流体2 的热量动态平衡方程式： 等掣：一掣+ ( 黑) 【互以沪乏明 ( 2 - 1 3 ) g 西 研、g c 一” ” 时间和空间的边界条件表达式为： l 石( ，o ) = 墨( f ) ，互( ，o ) = 互( f ) 互( o ，f ) = 互，o ) ，巧( 1 ，f ) = 互。( f ) ( 2 1 4 ) 【正( o ，f ) = 乏。o ) ，互( 1 ，f ) = 互，( f ) 以上数学表达式( 2 一1 2 ) ，( 2 - 1 3 ) ，( 2 一1 4 ) 从数学的关系上表达了滑油冷却器 能量传递的复杂过程。利用数学模型的方法更好的分析系统性能，但是以上的 数学表达式在求解过程并不容易。通常为了便于计算机实时控制和现代控制理 论的应用，可以采用时间、空间离散化方法，将上述连续偏微分方程转换成相 应的离散状态空间模型。经过人们长期的经验总结得到了许多宝贵的经验公式， 可以利用这些相关的传递函数表达滑油冷却器的能量传递过程，具体的分析过 程如下： a 主机滑油入口温度瓦、冷却水入口温度互，对主机滑油出口温度互。的影 响，即五，一石。、互，一互。通道特性。可用如下传递函数来表示： g ( s ) = 去 ( 2 1 5 ) 式中： 足各通道的静态放大倍数 ? = 矽g ，矿、g 分别为冷却器的容量和冷却水的流量。 b 主机滑油流量g i 、冷却水流量g 2 对主机滑油出口温度墨。的影响，即 g i 一五。、g 2 一五。的通道特性。如用如下传递函数来表达： 1 2 武汉理工大学硕士学位论文 g f n = 一一茎 一e 一和 、 ( 五s + 1 ) ( 瓦j + 1 ) ( 2 1 6 ) k 各通道的静态放大倍数； 正= 竖! g 丝! g ； 2 瓦：堡鱼妄丝堕，、q 、g 2 分别为主机滑油和冷却水的容量、 流量。 g 2 、- 图2 7 冷却器的热传递图 分析公式( 2 1 6 ) 的传递函数可以得知整个控制环节可以看作是一个二阶的 惯性环节，并且系统具有延迟性。具体也可以通过图2 7 进行分析。图2 7 为滑 油冷却器的热传递图，热量传递的过程主要是滑油冷却器内的滑油把其能量转 移到冷却水中，根据能量守恒理论滑油温度降低的同时冷却水的温度自然会升 高，不过期间涉及到另外一个因素就是冷却器的外壳。滑油和冷却水进行能量 传递的过程并不是滑油直接和冷却水海水相互接触，而是通过冷却器的外壳把 热量传递给冷却水，在这个热量调节的过程中，冷却器外壳的作用变形成了公 式( 2 1 6 ) 中出现的二阶惯性环节。同时，在滑油和冷却水进行能量传递的过程 中会出现一定的延迟性。因此通过以上的分析结果最终总结出公式( 2 1 6 ) 这样 的近似公式。其中公式中出现的五、疋与很多因素有关，比如滑油和冷却水他 们的相对停滞阶段影响着正、互，同样滑油冷却器的各种材料特性，也决定着互、 疋的具体值。虽然互、正与这么多的因素有关，但是公式( 2 1 6 ) 依然能够近似 的表达滑油冷却器的基本特性。 2 2 2 主机滑油温度控制系统数学模型的建立 通过之前对滑油冷却器的各种特性的分析和总结，已经得到了比较相近的 数学模型表达式或传递函数。但是传递函数的具体系数值还需要结合实际滑油 冷却器的工作参数，认真分析某种类型的滑油冷却器的特性最终计算得出实际 1 3 武汉理一j ：人学硕士学位论文 的数学模型。接下来主要是研究求得具体模型的方法。首先选择一个具体的主 机滑油冷却器，主机滑油温度控制系统的控制过程如下图2 。8 所示。此过程是一 个反馈的的控制过程，包含了控制器，执行器，控制通道和扰动通道的共同作 用。 砌 邵 图2 8 主机滑油温度控制系统传递方框图 实际的建模过程中，首先假设滑油冷却器中冷却水以恒速“( 七) 流动。这样 可以为系统建模过程带来很大的方便。本课题选择的主机滑油冷却器的具体性 能参数如下表2 1 【4 l 表2 1b l g 系列冷却器基本参数 尧体室膏t h连接瞌兰 内径 量子持曲甜职蠢体长瞧挎蕾平均壤 曩t 鼻_矗置体冲蠢件 冀薯体 狰童体 _ _ 瑚配h僻l ，6 * 彤j l ol 厶柏曲 2 蛐铀“鹪“l 瑚9 0 i 口7l 帖j 7叠埔g 瑚l 4 j o6 如l 瑚9 7 _ l 鹕l ，墨，o 如舒舒 瑚扣铂n - 2 嘲1 0 “1 6 9l l _ ”o - 矗o龉 枷抛l d 舶，8 = a d1 2 7 i 船2 l 5 5 - 似 珈，孙l ，- 铀0 帅- 2 0 l j 6 _ 2 2 6”抽协1 3 0i 湖n如瑚啊时司枷1 6 0 - 2 村蜘再9 d - 1 6 0l l 瑚蛳湘h 舳 i l 舡2 卯口】8 锄舡0 di l 柚1 0 瑙 镧幽柏瑚口l o - 笛钟l g 椭】i 咒一2 稿ml 嚣 瑚伪，b i t 掣n 五枷2 1 0 _ 3 ，s5 1 1 71 6 0 - 姗1 2 5i 蛐 硼嘲田v l l 姆o - 瑚2 删，7 1 蔸l 晦瑚 l 巧 l 鼬 瑚1 0 5 6曩卜l 舯1 5 司岫o罄7 射蛇一l 船2 曩h i o瑚瑚 啪l l 】o 畦d1 7 舡瑚2 5 d 弼竹一m拍。砌l 枷 o脚l 弘瑚1 0 i 瑚2 ，7 o 扣j 蛳劫时弓1 5 d枷 啪u 1 61 5 0 2 铷口畦珊鞠孽l i9 - i 粥3 l 凸聊t 瑚 1 0 l s ，o埔d 枷l 叠卸l z ，l 垂4 9 71 2 0 - 2 0 d 瑚o瑚 l l 加撇罄o _ 咖笠l o - 3 5 m玉矗舛l 舡2 射蚰时枷抛抛 l 枷2 7 “o _ 棚l o - 跏3 刚5 0 i 岛棚5 0 0 _ l 咖岱姗 ，湘工弱o _ 螂恐弘：5 4 i - 2 2翻m 枷酣扣1 2 为2 5 0瑚 1 ) 外界干扰情况的数学模型 船舶航行的过程中主机负荷的大小取决于很多因素，其中对其影响最大的 就是环境温度的变化和工作状态的改变。这些外界干扰情况的出现导致船舶主 机的运转速度会产生很大的变化。具体分析如下：首先假设某船舶在航行的初 始阶段主机的运转速度恒定不变。在这种前提分析船舶将受到不同环境影响的 种类。主要归结为四个方面。第一是船舶如果在航行时装载的货物很少，船舶 1 4 武汉理。1 j 人学硕十学何论文 的平衡就会受到一定程度的影响，此时要增加船舶压载水的注入量，在加入压 载水的过程中便增加了一定程度的负载值。第二种情况是航行过程中需要换方 向航行时，需要使用到舵机，通过对舵机的操作也使船舶的负荷增大。第三种 情况是海平面环境比较恶劣时，船舶航行摇晃增大，螺旋桨离海平面的距离始 终变换不定，这种情况会造成主机负荷的改变时大时小。第四种情况是环境温 度的变化，由于海水温度的变化情况不能够具体确定。通过对以上分析可以将 这四种情况简化归结为两类外界因素的干扰。即工况变化和海况变化。他们的 干扰传递函数表达式用( 2 1 7 ) 进行表荆2 7 】： 七， f ( s ) = 土， ( 2 1 7 ) l f s + l 其中弓用来表示系统的干扰时间，尼r 为静态增益，七r 可通过相关公式( 2 8 ) ， ( 2 9 ) 计算。其他相关的具体参数值如下：。 滑油比热容q = o 4 6 6 砌，( 姆。c ) ； 冷却水比热容c 2 = o 9 3 2 砌，( 培。c ) ； 4 2 。c 滑油密度为8 8 3 k 咖3，3 0 。c 海水密度为1 0 2 0 k 咖3 ，选取的滑油冷 却器的内径为2 0 0 i 】 1 i i l ，f 为冷却面积，取，= 3 朋2 ；l 为壳体长度l = l o o o m m ； g l 为滑油流量g i = 6 m 3 i j l ； g 2 为海水流量g 2 = 1 5 m 3 l l ； 由公式( 2 8 ) 计算出尺，l = o 8 l ，由公式( 2 - 9 ) 计算出k ，2 = 0 1 9 。乃i = 7 5 3 6 s ， l ，- 3 0 1 4 s 。根据以上求得的相应参数的具体数值，求得工况干扰和海况干扰情 况下两者的数学模型如下表示： 工况干扰传递函数： 邪) = 蔫兰； ( 2 - 1 8 ) 海况干扰传递函数： 只0 ) ：一坠一。 ( 2 1 9 ) 一 3 0 1 4 s + l 2 ) 控制通道的传递函数 此过程的主要原理就是利用调节三通阀的开大或关小来调节海水的进入 量。根据以上所总结的公式( 2 1 6 ) ，结合相关理论求出此控制过程的传递函数。 对于系数k 可以先根据公式( 2 1 0 ) 计算出。 增益l o l ； z = ! 监= 5 2 7 5 s 武汉理i ：入学硕十学位论文 z ：! ! ! 玉：1 3 1 9 s 2 8 此控制过程的传递函数如下： g 0 ) = 三一p 1 3 。1 9 5 ( 2 2 0 ) 一 ( 5 2 7 5 j + 1 ) ( 1 3 1 蛐+ 1 ) c 执行器的传递函数模型 执行器的组成主要包括伺服马达、工作电机和流量调节阀。系统输出的控 制信号经过驱动模块内部的逻辑运算，经过功率放大，驱动升温输出继电器或 者降温输出继电器，进而来控制电液转换器，电液转换器将电能转换成水的压 力，来驱动伺服马达，而与伺服马达相连的连杆执行机构则控制着阀门的开度。 旋转变压器将伺服马达的位移信号转换成角度的电压信号，然后经过反馈控制 模块将角度信号转换成o 3 v 电压信号输入到主控制器。经过以上对执行器原理 的分析可以将这个控制过程近似认为是一个比例环节。 2 3 基于s i m u l i n k 的仿真系统模型 控制过程的各个环节的传递函数已经获得，接下来的工作就是利用仿真软 件m a t l a b 的s i l n u l i i l l ( 模块实现对整个滑油温控过程的建模。m a t l a b 中的s i m u l i n k 模块作为本文的建模软件。它可以实现对控制对象的动态过程利用功能库实现 实时的建模和仿真。其仿真功能十分强大，已经广泛的应用于过程控制设计的 各个领域。 s i m u l i i l k 模块用于仿真建模的主要优点在于它将一个可视化的界面提供给 使用者。为使用者提供了方便快捷的建模环境，如果设计过程中需要用到哪个 模块只需要用鼠标选中然后拖放到仿真界面即可。操作也十分方便。要改变不 同模块的具体参数也只需简单的修改即可实现。s m i u l i i l l 【模块种类众多，包含有 输入模块、输出模块、连续模块、离散模块、函数和表模块、数学模块、非线 性模块、信号模块以及子系统模块还包括了各个工具箱特有的模块。通过拖放 建立这些模块，使用者能够实现对个人建立的模型进入仿真过程，同时用户可 以随时更改相应模块的参数最终令系统达到理想的仿真效果，实现符合个人设 计指标的系统。 利用m a t l a b 中s i m u l i n k 模块对系统仿真，选择各种各样的控制算法，并在 此仿真环境中观察仿真效果，对各个结果进行对比分析，最后确定最佳合理的 控制策略。在这个过程中，滑油温度控制系统实际的工作环境与仿真环境必然 1 6 武汉理i ：人学硕十学位论文 会存在一定程度的差异，但是通过认真的分析系统工作原理和干扰因素所得到 的仿真模型依然具有很高的参考价值。甚至是完全接近实际的控制需求。下图 2 9 即为此控制过程的仿真模型。 图2 9 主机滑油温度控制系统的s i m u l i i l l ( 仿真结构框图 将系统的各模块根据不同功能分为四个部分，分别为：控制器、执行器、 控制对象和扰动。模型的滑油温度给定值为4 2o c 。因为系统的各个部分具有非 离散的特性，均可使用数学公式来表达。这就需要调用到s i m u l i i l l 【中的相关模 块来实现。同时，选择其中的m 函数还可设计出系统需求的非连续控制器。在 实际的仿真环境中，可以选择零阶保持器将非连续控制器和用数学公式表示的 对象相互联系到一起。这种情况下，在k t 时间点，滑油温度控制器的控制信号 通过零阶保持器传输到控制对象部分。这个过程会持续正好一个周期。因此， 通过这样组合控制的主机滑油温度控制系统可以理解为非离散化的系统。其仿 真结果曲线图可通过示波器( s c o p e ) 实时显示。 控制器( c o i n r o l l 神：通过m a t l a b 内的m 文件可以构造出不同需求的控制器， 具体方法就是