船舶柴油机冷却水系统的智能控制.doc
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题目：
船舶柴油机冷却水系统的智能控制
学习中心：
层次：
专业：
电气工程及其自动化
年级：
2009年春季
学号：
学生：
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84.3℃～89.5℃；采用智能控制后冷却水温度波动较小，控制非常平稳。
3.系统达到稳定状态的时间也由原来的140s减小到92s。
图2.2冷却水温度智能控制与PID控制比较
其次，假设船舶离港前设定温度为80℃；离港后主机功率增加，将冷却水温度设定为85℃；以便于提高柴油机的综合性能。
引入扰动功率模糊控制信号的主要目的是预先调节阀门的开度，从而降低冷却水温度的超调量。
引入功率模糊控制信号和未引入的对比结果如图2.3。
未引入扰动功率模糊控制信号前，冷却水最
t/s
图2.3有无扰动功率模糊控制信号对比图
高温度是86.5℃；引入后，冷却水最高温度为85.6℃。
引入扰动功率模糊控制信号后，在一定程度上降低了冷却水温度的超调量。
2.3系统硬件组成
该系统由步进电动机三通阀门、海水泵、淡水泵、冷却水温度智能控制器组成 。
其电气结构图如图2.4所示。
在温度测量电路中，采用热电阻PT100作为测温传感器。
采用电桥法测量功率信号。
选择浮子式液位传感器测量膨胀水箱液位信号。
采集的模拟信号通过精确A/D转换器ADC0809转换成数字信号，并送到微处理器中。
系统采用了ATMEL公司生产的8位处理器AT89S51,来实现冷却水温度、压力、膨胀水箱液位的越限报警，海水泵、淡水泵的控制等。
采用三相步进电动机精确地控制三通阀门的开度。
报警电路
接口电
路
AT89S51
A/D
转
换
电
路
温度测量
功率测量
三通阀控制
液位测量
海水泵控制
压力测量
图2.4冷却水温度智能控制系统结构图
2.3.1测温电路
为了避免或减小导线电阻对测温的影响，工业中热电阻多采用三线制接法，由热电阻PT100与电桥共同构成测量电路，其结构如图2.5所示。
图2.5温度测量电路图
图中热电阻Rt的三根导线粗细相同，长度相同，阻值都是r，即Ra=Rb=Rc=r。
其中一根导线串联在电桥的电源上，对电桥的平衡无影响，另外两根分别串联在相邻的两臂上，使相邻两臂的阻值都增加相同的阻值r。
这样，导线对热电阻测量温度的准确性毫无影响。
测温电路选择OP27作为放大器。
OP27它是一种低噪音、高精准、高速运算放大器，适应的温度范围较广。
本系统选用的放大器适宜的工作温度范围为－25℃～85℃，完全能够适应船舶环境，这无疑提高了温度测量的精度。
信号放大部分属于V-V放大，将电桥等效成差分放大电路，可以得运算放大部分的增益A=R5/R4。
另外，可通过调节桥臂上的电位器RT3使电桥平衡。
2.3.2A/D转换电路
传感器采集的信号是模拟信号，需要转换成数字信号后才能由微处理器进行处理。
A/D转换电路ADC电路有两大类：
直接转换型（通过基准电压与采样——保持电路的输出信号进行比较，直接转换为数字量）、间接转换型（将采样——保持电路输出的信号首先转换成时间或频率，然后再将时间或频率转换成数字量）。
直接转换电路转换速度高，转换精度容易变；间接转换电路转换速度低，转换精度可以做的较高，对干扰抑制能力强，在测试仪表中应用广泛。
本系统主要用于控制，对测量的精度要求不太高，所以使用ADC0809转换器。
ACD0809是一款8位逐次逼近型A/D转换器，带有8个模拟量输入通道，芯片内带有地址译码锁存器，输出带有三态数据锁存器，启动信号方式为脉冲启动方式，每一通道的转换时间大约100μs，转换精度为0.4℃。
ADC0809的启动信号由AT89S51的P2.7和写信号/WR的或非产生，这要求一条向ADC0809的写指令启动转换。
模拟通道的地址A、B、C由74LS373的高三位来提供。
2.3.3功率信号的测量
现代船舶的集控室中一般都有柴油机输出功率监测显示功能。
为降低系统的成本，如果船舶上已有功率信号采集系统，我们可以直接利用其采集的功率信号。
如果船舶上没有功率采集系统，我们可采用转矩传感器用来检测柴油机的轴功率。
其工作原理是轴的扭矩与轴的扭转角成比例。
扭矩传感器有多种，可选择相位差式扭矩传感器。
测得的功率信号直接或经过放大处理送至A/D转换器。
2.3.4膨胀水箱液位信号
膨胀水箱液位是冷却水系统的一个重要参数。
船舶上的液位传感器种类很多，如浮子式、电极式及参考水位式等。
本系统选用浮子式液位传感器。
其结构如图2.6所示。
它由浮筒、弹簧和天翻地覆差动变压器组成。
当水位变化时，浮筒也随水位上下浮动，从而改变了铁心在差动变压器中的位置，这样差动变压器输出一个与液位成比例的电压信号。
液位信号的放大电路与测温电路相同。
图2.6膨胀水箱液位信号传感器
2.3.5压力信号的测量
本系统选用电阻式压力传感器测量冷却水的回路的压力。
其原理是电阻的阻值随压力的变化而变化。
压力测量电路与温度测量电路几乎相同，只是将电桥中的热电阻传感器换成了电阻式压力传感器。
2.3.6报警电路
报警电路由控制板报警电路和机舱报警电路两部分组成。
报警电路如图2.7所示，
由单片机、反向器、发光二极管及蜂鸣器组成，当单片机的P2.5管角的电平发生变化时，无极性电容放电，三极管导通，LED发光，同时蜂鸣器，外接的机电继电器动作，接通机舱24V报警器。
图2.7报警电路
2.3.7AT89S51
由于系统的水温变化不快，系统要求的运算速度不高，因此系统采用了ATMEL公司生产的8位处理器AT89S51，来实现冷却水温度、压力、膨胀水箱液位的越限报警，智能地调节冷却水温度，以及完成温度、压力、液位显示，海水、淡水泵的控制等。
AT89S51是AT89C51的替代产品，它是ATMEL公司推出的又一款在线可编程单片机，通过相应的ISP软件，用户可以对单片机程序存储器Flash中的代码进行方便的修改。
AT89S51与AT89C51的引脚完全兼容，其技术参数如下：
1.4KB的系统可编程Flash程序存储器，3级安全保护，128B的内部数据存储器；
2.4.0～5.5V的工作电压；
3.最高工作频率33MHZ；
4.32个可编程I/O口；
5.2个16位的定时器/计数器；
6.6个中断源，可以在掉电模式下响应中断；
7.1个全双工的串行口；
8.双数据指针使程序运行的更快。
AT89S51是控制电路的核心，在控制系统中它的功能是：
配合相应的外围电路，实现温度、压力、液位信号的采集，同时处理采集的信号，实现智能控制算法，输出阀门开度调节信号。
2.3.8三通阀门控制电路
为了达到精确、快速调节三通阀门开度的目的，必须选择良好的执行部件，本系统选择三相步进电动机控制三通阀门的开度。
由于它可以直接接收微机送来的数字控制信号，而不需要进行D/A转换所以为控制应用系统的设计带来很大的方便。
步进电动机的特点是快速起停能力。
如果负荷不超过步进电动机的动态转矩值，就能够在一刹那使步进电动机起动和停止。
一般步进电动机的步进速率为200－1000步/秒，如果步进电动机是以逐渐加速到最大值，然后再减小到零的方式工作，其步进速率将增加2～4倍，而且不会失掉一步。
在没有齿轮滑动的情况下，步值可由每步90°低到每步只有0.36°，而且它们都能精确地返回到原来的位置上。
调节三通阀门开度的步进电动机控制电路如图2.6所示，AT89S51的P1.3、P1.4、P1.5三个管角控制步进电动机的正、反转及步数。
为增强系统的抗干扰能力，在驱动器与单片机之间加一级光电隔离器。
当P1.3管角置1时，经反向器变为低电平，光藕导通，控制信号经过光电隔离器后驱动达林顿管，放大的电流在驱动步进电动机。
三相步进电动机的导通方式为三相单三拍导通方式，即：
A→B→C→A。
按照这个顺序通电，步进电动机正转；如果按相反方向通电，则步进电动机反转。
图2.6步进电动机控制电路图
2.3.9海水泵控制电路
海水泵控制电路的目的是实现冷却海水流量控制（通过控制主海水泵的工作台数及运转速度）。
海水泵共有三台，N0.1和NO.2海水泵为单速，NO.3海水泵为双速。
通过对三台海水泵的不同布置，可以得到三种不同流量，以满足中央冷却器在不同热负荷情况下的需求。
变流量冷却可以达到节能的目的。
海水泵台数控制电路如图所示，按键S6是海水泵控制电路手动控制与自动控制切换键，每按一次，可以进行手动控制与自动控制模式之间的切换。
单片机的P2.2、P2.3、P2.4管角输出信号经光电隔离后，接入海水泵控制箱。
三个管角的电平变化形成4种组合，控制三台海水泵。
控制信号与海水泵运行台数对应表，如表1.1所示。
S1、S2、S3为海水泵手动控制键，按下各键后，经光藕隔离，控制继电器动作，相应的海水泵启动。
2.4系统软件程序
系统的软件程序采用了模块化的设计思想。
系统软件程序由主程序模块、A/D转换模块、中断程序模块、智能控制算法模块等组成。
2.4.1主程序模块
主程序首先完成各个存储单元的初始化任务，包括清标志，清暂存单元等。
初始化结束后，程序进入T0中断和T1中断。
首先根据功率信号模糊预调节阀门开度，然后进入T1中断，执行温度数据采集、数据处理、以及输出控制信号等。
2.4.2中断程序模块
T0中断程序，首先根据模糊经验判断功率信号是否有用，这样可排除瞬时扰动信号的干扰。
如果判定功率信号可用，则将模糊调节输出量作为阀门开度的预调节信号。
数据采集、标度转换、数字滤波以及智能控制算法等由定时器T1完成。
程序首先设置采样通道的首地址，然后启动A/D转换。
如果采样被中断，则向上发送采集数据，否则，判断采样次数，若满足三次，则进入中值滤波程序，否则继续采样。
完成滤波后，判断温度是否超限，若是则报警，否则进入PID调节程序，输出调节信号。
2.4.3中值滤波程序模块
由于船舶机舱环境非常复杂，外界干扰非常多，如温度和湿度变化大、振动和噪声干扰也很大，特别是强烈的电磁干扰会对系统采集的数据精度产生严重的影响，造成数据失真。
在进行软件设计时，必须进行滤波，以降低各种干扰的影响，以免产生误操作。
控制系统中，采用了软件数字小小滤波方式对采样信号进行处理。
常用的软件数字滤波方法有程序判断滤波、中值滤波、算术平均滤波、加权平均滤波、去极值平均滤波、RC低通数字滤波、复合数字滤波等。
软件滤波与模拟RC滤波相比有投资小成本低、设计简单。
系统可靠性高、多通道可以共享及使用方便灵活等特点。
本系统采用的中值滤波就是连续三次采样，取中间值作为本次采样值。
三次采样值分别存放在2CH、2DH、2EH中，取中间值放入累加器A中，同时也转存在2AH单元内，以备进行温度标度转换用。
3系统控制工作过程
当冷却水智能控制器开始工作后，程序首先根据功率信号模糊预调节三通阀门开度。
然后根据冷却水的温度信号调节三通阀的开度。
柴油机低功率运行时（发动机水温（70℃），单片机根据检测来的温度数据处理分析向执行元件发出控制信号，使其完成如下操作：
a.减小三通阀的开度至关闭位置；
b.停止海水泵的运行；
由于三通阀关闭，海水泵不工作，以至冷却水中没有与外界的热量交换；发动机水温上升很快。
当水温升至85℃，单片机根据检测来的温度数据处理分析向执行元件发出控制信号，使三通阀的开度增大，海水泵开始低速运行。
当水温达到90℃时，单片机又发出指令，使三通阀处于敞开状态。
此时可充分利用海水泵打上来的海水对中央冷却器的冷却作用，使柴油机的冷却水温度达到平衡。
当水温高达95℃时，单片机经数据分析发出控制指令使海水泵全速工作，三通阀仍处于敞开状态。
这时中央冷却器的冷却能力最大，实现快速降温。
当发动机水温降至89℃时，单片机根据采样数据分析处理发出控制指令，使执行元件完成以下操作：
a.海水泵低速工作；
b.三通阀处于敞开状态；
这样，直到发动机水温返升至95℃，海水泵又全速工作。
4结论
由于船舶工作的特殊环境
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