船舶自动控制第四章第一节柴油机冷却水温度自动控制5

1、第四章輔機控制系統第一節 柴油機缸套冷卻水溫度自動控制系統一、 SYSTEM ARRANGEMENT DIAGRAM上圖為一柴油機系統中之溫度控制系統，可控制下列三種系統之溫度： 主機冷卻水溫度、滑油溫度、燃油溫度， 控制之對象雖不同但控制基本原理皆一樣. 唯控制靈敏度依需求條件不同而選擇不同的控制方式. 上圖中燃油溫度控制屬於比例控制 ( Proportional action 簡稱 P. action ), 滑油溫度控制屬於比例+積分控制 ( Proportional Integration action 簡稱 P. I. action), 缸套冷卻水溫度控制屬於比例+積分+微分控制 (

2、Proportional Integration Differentiation action 簡稱 P.I.D. action). 控制之準確度、靈敏度、可信度屬以比例+積分+微分控制最高，比例+積分控制次之，比例控制則最差。比例控制是一種最簡單且直觀的控制方式，隨則負載之變化而產生偏移(Offset)效果是比例控制特性；若欲降低偏移量可增加增益，然而增加控制器的增益，也就增加系統不穩定性的可能率(Probability of Instability)。當僅有比例控制時，系統輸出會存在穩態誤差(Steady-state error)，且無法完全消除外界所加入的固定擾動。積分控制主要目的在於消

3、除穩態誤差。在一個自動控制系統中，為了消除穩態誤差，在控制器中必須引入"積分項"，將系統的誤差量對時間做積分累加，隨著時間的增加，積分量會增加。基於這個理由，即便誤差很小，積分項也會隨著時間的增加而加大，超過某一個門檻值(Threshold value)即推動控制器的輸出增大使穩態誤差進一步減小，直到等於零。但是暫態反應(Transient response)會較差。在微分控制中，控制器的輸出與輸入誤差訊號的微分，亦即與誤差的變化率成正比關係。在自動控制系統，克服誤差接近目標值的過程中，受控制系統可能會出現來回振盪無法穩定，甚至發散失穩。其原因是在於，系統中存在有較大慣性的

4、元件或是有某元件的物理特性其行為總是滯後(delay)於命令值，使得力圖克服誤差的過程中，總是落後於誤差的變化。解決的辦法是使克服誤差的作用的變化要"超前"於誤差變化，亦即在誤差接近零時，克服誤差的作用就應該是零。微分控制隱含有預測之意。將誤差量對時間微分，能預測誤差變化的趨勢。因此，PD控制器，就能夠提前預測行為並反應，使克服誤差的控制作用等於零，甚至為負值，避免被控制的對象嚴重地超越目標值(Overshoot)。 所以對有較大慣性被控制系統， PD控制能改善系統的穩定性。PID控制包含三個部分：比例增益、積分增益、微分增益三個部分，實際應用中，也有PI與PD控制器。PI

5、D控制器就系根據於系統的誤差，利用比例增益、積分增益與微分增益計算出控制量。二.CONTROL FLOW DIAGRAM (PRACTICAL EXAMPLE)流程說明:位於三向閥出口端之溫度計檢測出主機缸套冷卻水入口端之溫度, 當冷卻水溫度超出設定溫度時 T.C.經過比對、效正誤差值之大小後輸出控制指令(輸出減壓後之作動空氣至膜片), 促使 THREE-WAY DIAGRAM REGULATING VALVE 作動, 開大冷卻器(Cooler)端之閥，使來自泵端(From pump)缸套冷卻水進入冷卻器的量增加，並關小從泵端來之高溫(Hot)缸套冷卻水，使THREE-WAY DIAGRAM

6、REGULATING VALVE出口端之缸套冷卻水溫度降低, 當冷卻水溫度低於設定溫度時促使THREE-WAY DIAGRAM REGULATING VALVE 關小 COLD端之閥, 開大 HOT水端之閥, 使進入主機冷卻水之溫度提高並控制於設定範圍內。三.系統組件(SYSTEM COMPONENT)1. 溫度控制器T.C. (AUTOMATIC TEMPERATURE CONTROLLER) 為一溫度控制器，必須發出命令驅動受控制系統 (TEMPERATURE CONTROLLING THREE-WAY MIXING VALVE)，以改變受控制系統的行為，使受控制系統的輸出值，達到所要的命

7、令值。溫度控制系統通常為一個溫度敏感的裝置或是系統，需要將其溫度的變化量控制在特定範圍之內。感測器則通常是利用熱電耦(Thermocouple)的裝置量測溫度的變化，透過信號放大、類比信號轉數位信號的方式將量測資料傳送至電腦內處理，電腦內則放置PID控制的演算法，將誤差值適當的乘上比例、差分或是積分增益值(Gain)，藉由輸出裝置，即時的對被控制系統產生作用，使其在合理的控制範圍之內。2. 控制空氣調節器(AIR FILTER REGULATOR)將 SUPPLY AIR (約 3-10 kg/cm2) 做適當的過濾及減壓(2.0 kg/cm2)供應至 T.C .和THREE-WAY DIAGRAM REGULATING VALVE作為驅動媒介. 太高的空氣壓力將會造成 CONTROLLER 內部膜片損壞, 太低則無法驅動元件。3. 三向溫控閥(TEMPERATURE CONTROLLING THREE-WAY MIXINGVALVE)自動: 當T.C. 檢測出進入主機缸套冷卻水溫度過高後輸出降溫指令至 TEMPERATURE CONTROLLING THREE-WAY MIXING VALVE, 閥桿之作動改變 COLD & HOT 端閥之開度, 當 COLD端開大, HOT 端