开题报告-船舶中央冷却系统半实物仿真设计.doc

武 汉 理 工 大 学全日制硕士专业学位研究生开题申请表学院： 能源与动力工程 专业： 动力工程 年级：能动152班研究生姓名葛善波导师姓名王志华申 请理 由本人已修完个人培养计划中的全部课程，成绩合格（见附表），并已完成必修环节。本人已修完个人培养计划中的全部课程，包括必修环节，成绩合格（见附表）。研究生签字： 年 月 日导 师意 见 导 师 签 字： 年 月 日学 院意 见主管领导签字（章）： 年 月 日注：1. 学院受理开题申请时间为每年4月份和10月份；2. 各学院研究生工作办公室在开题受理结束后一周内将本学院所有开题人员进行统计，报研究生院培养处。全日制硕士专业学位研究生课程成绩表姓 名葛善波入学年月2015.09学 院能源与动力工程专 业动力工程课程名称类别学时学分成绩学习时间备注动力工程综合实验（必选）学位课181772015-2016-1内燃机特性匹配与优化 学位课362852015-2016-1内燃机工作过程数值计算学位课362842015-2016-1现代信号分析理论学位课362732015-2016-1矩阵分析学位课362822015-2016-1机械振动学学位课362742015-2016-1船舶动力装置性能分析学位课362842015-2016-1第一外国语（英）学位课543822015-2016-1自然辩证法概论学位课181872015-2016-1专业英语（必选）选修课181832015-2016-1试验与测试技术选修课362692015-2016-1数值计算学位课362652015-2016-2船舶机械可靠性与故障诊断讲座选修课362832015-2016-2舰船电力推进系统监测控制技术讲座选修课362802015-2016-2课程总学分：26学位课学分：19学位课平均成绩：79.16学院对以上成绩的真实性进行确认：经审查，上述成绩真实有效。 审核人签字： 年 月 日研究生选题报告书（供全日制硕士专业学位研究生用）选 题 题 目船舶中央冷却系统半实物仿真设计研 究 生 姓 名 葛善波 入 学 年 月 2015年9月 导 师 姓 名 王志华 职称 副教授 副 导 师 姓 名 钟碧良 职称 教授 所 属 学 院 能源与动力工程学院 专 业 动力工程 研 究 方 向 船舶动力机械性能优化与运用保障 选题报告时间： 2016 年 9 月 1 日说 明1选题报告可打印或用黑色钢笔逐栏填写，要求字迹清晰，文句通顺。2选题报告所列各栏内容要详细填写、要求重点突出。3选题报告于第三学期开始，最迟不能超过第四学期末完成。4选题报告是中期考核筛选工作的一部份，选题报告不合格者不得进入论文工作阶段。5自备案之日起，满8个月后方可进行论文答辩。注：1一至三的内容可打印加页（空表可在校园网上下载），四至五的内容，用碳素墨水填写在表内。2研究生将选题报告完成后交各学院备案，论文答辩后，由答辩委员会秘书将此表与硕士学位申请及评定书等材料一同交院（系）学位评定分委员会转校学位办公室。全日制硕士专业学位研究生选题报告书一、文献查阅报告：（附所阅读的主要文献至少40篇以上）动力装置是船舶的“心脏”，而冷却系统是船舶动力装置不可或缺的组成部分，用于冷却整个船舶发热部件，保证所有设备在运行工况下正常工作，其主要作用为通过流通循环外部介质冷却运转设备。目前船舶中央冷却系统设计采用海水定排量方法，在低温水和高温水系统中增加三通阀进行冷却水随动旁通法，机舱通风系统也是定排量通风法，整个系统的能耗稳定，不会跟随外部环境和柴油机运行功率进行（把进行改成而）调整。为此，国内外有很多学者开展船舶冷却控制的研究，以提高船舶柴油机运行的经济性和环保性。根据课题需要，查阅相关文献资料，并完成文献阅读报告。文献主要包括以下三大内容：1船舶中央冷却系统的发展与应用；2 船舶中央冷却系统建模与仿真；3 船舶中央冷却水系统温度控制策略。 1、 船舶中央冷却系统的发展与应用冷却系统设计是动力装置设计中较为严谨的一个环节，它不但涉及船员的工作环境，还关系着船舶的安全性及适用性，所以在设计过程中不但要满足船东的要求，还要受到相关规范和标准的制约。船舶中央冷却水系统的组成主要包括：高温淡水回路、低温淡水回路、海水回路，现对其做详细阐述。高温淡水回路的主要功能是冷却主机燃烧室部件，防止燃烧室部件过热或过冷（有点矛盾，冷却怎么能防止过冷，要么前面就不说是冷却，说是维持部件的工作温度），保证主机机械处于正常稳定的工作状态。高温淡水系统主要换热设备有主机缸套、高温淡水三通阀和造水机。在主机出口温度调节阀的作用下，冷却水经过主机出来的温度保持在 85。然后经过除气箱与膨胀水柜来补充泄漏的水、除去系统中的空气，然后一部分高温水通过造水机。造水机主要是利用主机缸套冷却水的热能汽化海水以制取淡水。高温淡水在缸套水冷却器中由低温淡水冷却后，再次进入主机冷却主机燃烧室部件，进而循环利用。低温淡水在中央冷却水泵的作用下，送至中央冷却器淡水入口，在中央冷却器中将热量传递给海水，温度降低。从中央冷却器淡水出口排出的低温淡水经三通调节阀作用与未经冷却的低温淡水混合，混合后的水温应符合三通调节阀的设定要求。然后低温淡水经由低温淡水管路送至上述各个换热设备对滑油、缸套冷却水、空气等进行冷却，经换热设备吸热后重新回到中央冷却水泵的入口进行下一轮循环。低温淡水回路的主要设备有低温淡水冷却器、主机滑油冷却器、主机高温淡水冷却器、主机空气冷却器、空压机、中间轴承和冷藏装置等。海水系统构成比较简单，海水从低位海底门或高位海底门进来，经三台主海水泵输送给（把给改成至）低温淡水冷却器海水入口侧，在低温淡水冷却器内与低温淡水进行热交换后从海水出口侧排出，部分海水直接由海水管路送至舷外，部分海水在海水入口温度调节阀的作用下返回到海水泵入口。综上所述，与其他冷却系统形式相比，中央冷却系统有以下优势：（1）腐蚀性的海水仅流经海水管系，不直接接触各个换热设备及冷却器，海水管系的简化降低了腐蚀影响，减少了维护工作；（2）主柴油机缸套由高温淡水单独冷却，可保证温度稳定，基本不受外界环境变化的影响，主机可在最佳状态下运行，提高主机的热效率；（3）闭式循环的高、低淡水系统作为该冷却系统的主要组成部分，可保证常年清洁，减轻了回路内换热设备的污垢问题，从而提高了系统的可靠性及使用寿命。马量1对船舶主机冷却水系统进行了详细概述，其主要内容包括：主机中央冷却水系统的概念、组成，包括海水系统、低温淡水系统、高温淡水系统等。在文中，阐述了中央冷却水系统的三种基本型式：独立式中央冷却系统、混流式中央冷却系统、标准中央冷却系统，并详述了中央冷却水系统的优点：冷却水温度稳定，不受工况变化；淡水循环可多年保持清洁，减小装置受腐蚀影响。冯长顺、金小闯2在机电信息一刊中对冷却水系统设计要求、注意事项做了详细阐述。文中阐述了海水冷却系统、淡水冷却系统的组成特点，并详细介绍了独立式完全中央冷却系统、混流式完全中央冷却系统、中央冷却系统各部件的组成与连接方式，以及各自对应的优缺点。文中介绍了GL级的E级冰区加强船舶、DNV级的ICEC级冰区加强船舶和具有1985年芬兰瑞典冰线规则IC符号的船舶，以及它们各自的海水箱尺寸、吸入口位置高度、焊接工艺等技术要求规范。 孔韡3以环境污染和能源短缺为背景，对船舶冷却水系统设计方法进行了研究，使之更适应工程船舶的特点，减少碳排放并提高经济性。通过分析工程船舶的特点，进而讨论工程船舶的冷却水系统设计要点，特别是其与运输船型的冷却水系统异同之处；提出对冷却水系统的淡水侧设计改进的重点在于优化船用设备的冷却参数，并总结了船用设备冷却参数的估算方法；对板式冷却器总传热系统变化的研究中总结出海水测（到底哪个侧字）需求的海水量随着海水温度和系统热负荷而改变的规律，并在计算结果的基础上，（逗号可以删掉）讨论采用变频/双速海水泵的优点和限制条件。（改成：对采用变频/双速海水泵的优点和限制条件进行了讨论）唐强4通过对系统进行能耗分析，表明采用变频技术后，实现（了）不同工况下冷却海水流量的连续变化，充分利用了海水的冷却能力，节能效果显著，有利于降低船舶运营成本；通常船舶中央冷却控制系统采用的控制方案存在非线性等特点，以及传统PID控制器在跟踪设定值和抑制扰动方面存在一定的缺陷，在很多情况下达不到理想的控制效果，为了改善控制品质采用神经网络对中央冷却系统进行智能控制，建立了神经网络控制器模型，并应用到系统的变工况动态研究中。结果表明，神经网络控制不仅实现了系统的变频控制目标，并且具有很强的自适应性和抗干扰性，改善了冷却水系统的控制性能。陈伟智5从系统原理设计角度出发，开展了三项工作：第一，通过对传统船舶中央冷却系统投资运营成本分析，针对海水泵组能耗过高的现象，根据水泵相似原理与传热学原理，提出海水泵组变频调速控制方案；第二，为控制中央冷却系统核心设备板式冷却器的采购成本，提出设计原则并建立设计选型流程；第三，为达到平衡系统初期投资与运行能耗的目的，采用非线性规划方法，以最小化管网总投资与运行费用为目标函数、管子管径为优化变量、冷却系统供水量与压头为约束条件，建立冷却水回路管系经济流速计算模型。许正福6在所建立的（可以删掉）实验室冷却水系统设计选型理论的基础上，以福州交通职业技术学院实验室冷却水系统设计为案例，运用AutoCAD机械设计软件，基于资源综合利用，绘制各冷却水系统图，对整个系统的主要设备进行计算选型，其中包括海水系统，低、高温淡水冷却水系统，冷却水塔系统等主要设备的选型，对轮机动力装置系统实验室冷却水系统的设计、建设有一定的参考价值。杜磊7通过对设计流程的方法查询（通过查询流程设计方法），以及通过比对船舶中央冷却水设计的方法来对开展陆上机舱冷却水设计工作（以及对比船舶中央冷却水设计方法开展了陆上机舱冷却水设计工作）。陆上机舱作为可以模拟船舶所有实际功能并应用于教学领域的模拟器来说，它有和船舶很多的相似之处,但从微观角度来看，陆上机舱的特殊性也必须注意到。着重（改成从）系统设备的角度，将陆上机舱特有的水塔、水力测功器添加到设计流程中，应当考虑整个系统的冷却量，并加以选型。在具体设计上，通过设计软件的二次开发技术，对后期热平衡图、系统图的绘制工序进行简化。通过对大连海事大学陆上机舱中央冷却水系统的研究，对陆上机舱冷却水系统设计提出设计约束以及设计思路。在陆上机舱中央冷却水系统设计中，通过（改成以）总体冷却量计算、设备计算、设备选型以及平衡图、系统图的绘制为主要流程进行设计。后期则通过AutoCAD VBA开发，将系统设计通过宏观模式简化于设计软件中。 吴鹏飞、霍旭颖8-9等以热交换器原理为突破口，研发了两种带前端控制的海水泵控制模式，即直接计算的控制模式和基于数据库的控制模式。这两种优化的系统控制模式可以使海水冷却系统更“智能”。因为（可以删掉）现有的船舶中央冷却海水泵变频控制技术属于闭式控制系统，其操作总是滞后于系统的实际变化，给船舶冷却水系统带来负面影响（这四个字放这里感觉很别扭），节约了能源，降低了运营成本，投资回报率相当高，是一项值得推广的技术。带有前端控制的海水泵变频控制技术能够使海水泵对热负荷和海水温度的变化提前作出响应，减弱了对冷却系统的热冲击，确保设备正常运营，同时也能够判断换热器内是否存在污垢，保证了换热器的高效使用。潘伟昌10通过对中央冷却系统的系统阐述，中央冷却系统在各种船舶中的应用及某些船舶的中央冷却系统在设计和运用中所产生的一些问题的叙述和分析，使得中央冷却系统的设计理论化、系统化，为广大船舶设计人员提供了设计合理经济的中央冷却系统的理论依据。周振星11以一型5万吨级散货系列船为例，从中央冷却系统的工况入手，通过优化中央冷却系统布置，利用功能关系转换的方法，通过列表比较其中央冷却系统改进前后对燃油消耗量的变化，证实了改进后的系统对燃油消耗量有所降低，从而说明通过对动力系统优化布置是可以达到一定的节能效果。同时设计了两种空调机组同时并存的方案，以便在不同的外界环境条件下，进行两种空调机组的性能和能耗的实验与分析，降低船舶的燃油消耗，优化船体线型减小船体阻力、增加螺旋桨直径提高推进效率，还对一些系统进行优化布置实现节能目的。钱作勤、贾小俊、周祥军12-13等以12300t滚装船为母体，运用非线性规划理论对独立式和混合式两套冷却水系统进行了优化计算和分析，并对其冷却水系统的冷却效果和经济性进行了评估。同时还对其多主机双套冷却水系统进行了热力性能研究，对其在系统额定热负荷下和变负荷下的热力特性进行了分析计算，通过计算定量地揭示出其冷却系统的节能潜力。为今后用以（可以删掉）指导冷却系统的运行管理，以及为系统节能降耗提供了科学而准确的依据。郭敏14对船舶主柴油机缸套冷却水系统的传热机理进行了分析，建立了船舶主柴油机缸套冷却水系统的动态热力数学模型。由于系统的参数具有不确定性，并针对目前船舶主柴油机缸套冷却水系统惯性较大，缸套冷却水出口温度经常超调的特点，设计了该系统的H控制器。通过仿真发现所设计的H控制器能有效地提高系统的动态精确度和抑制扰动能力。李彬彬15根据主机负荷和海水温度的变化建立由主机到冷却器、管路以及海水泵的热负荷模型，根据不同的主机负荷及海水温度的变化，得到海水泵实际所需的转速和流量。对不同条件下的仿真结果进行节能计算与研究，结果表明，基于直接转矩控制的船用主海水泵变频控制有着良好的转速、转矩动态响应，并且克服了传统主海水泵只能工作在工频的耗能模式下（的缺点），有效节省了冷却水系统中能源消耗，从而向绿色船舶、节能船舶迈出了实质性的一步。郭俊杰16对提出的船用直接膨胀式变风量空调系统的运行特性进行实验研究。考察在降温工况、在空调舱室设定温度以及空调舱室负荷发生阶跃变化的情况下各空调舱室的温度、变风量末端阀门开度、送风温度、送风机运行频率，蒸发温度、冷凝温度、压缩机运行频率等参数的变化情况，分析各参数变化的原因，研究VAV末端，变频风机，变频压缩机等运行性能。实验结果表明，该类船用变风量空调系统实现了对舱室温度的良好控制，各个空调舱室可以独立控制。对静压控制单元控制送风静压和变频风机控制送风静压两种不同的送风控制方式进行比较研究。（用逗号）考察在降温工况和在不同的舱室设定温度以及舱室负荷发生阶跃变化的情况下，舱室温度，系统风侧和制冷机组侧各参数变化的异同；考察相同工况条件下，系统运行的功耗情况。研究发现两种控制方法都满足对空调舱室温度的良好控制和各空调舱室的独立控制；采用变频风机控制送风静压的船用变风量空调系统比采用静压控制单元控制送风静压的船用变风量空调系统节能。 2、船舶中央冷却系统建模与仿真 制冷系统仿真研究起源于其实验研究又高于其实验研究，可靠性好的真实系统实验研究，不但是检验系统和部件性能的最终手段，而且是验证和评判仿真结果的标准，也是许多仿真参数的直接来源。但真实系统的实验往往耗时、耗费较大，甚至有时实验手段有限而无法实现。用已经通过真实系统检验过的模型，代替真实系统在计算机上进行实验，则可以克服单靠真实系统实验研究的缺陷，能满足对制冷系统各种工况运行特性和能耗的分析，最终目的是利用数学模型对该系统进行数字仿真与研究。何治斌17通过用分布参数模型建立蒸发器和冷凝器数学模型、用集中参数模型建立压缩机和膨胀阀数学模型的方法，建立了冷水机组的数学模型，然后又基于热力学和传热学定律，通过建立三通电磁阀控制的冷却水与空气的热量传递关系，以及船舶供冷负荷关系，建立了夏季制冷除湿工况的空气处理系统模型，又通过建立三通电磁阀控制的蒸汽与空气的热量传递关系，以及船舶供热负荷关系，建立了冬季加温加湿工况时的空气处理系统模型，最后联立建立了船舶空调系统总模型的矩阵方程式。李精明18介绍了船舶空调系统的组成及其特点，根据其工作过程特点和操作要求，分析了船舶空调系统的自动控制功能。在此基础上，采用模块化建模方法，应用质量、能量、动量守恒定律和热力学、传热学、流体力学等基本理论，通过机理分析，在一定简化条件下，全面建立了船舶空调系统的动态数学模型。 王丁19-23从所建造船舶的柴油机冷却水控制系统着手，研究了船舶柴油机冷却水系统热力学模型和温控系统，对现有船舶所使用的PID温控阀控制进行了分析；同时根据鲁棒控制理论，对船舶柴油机冷却水温度控制系统进行H控制器的设计及仿真分析，通过仿真发现在没有参数摄动情况下H最优控制器使系统稳定的时间比PID控制器使系统稳定的时间要短，而且振幅小。当模型参数发生较小摄动时，虽然H状态反馈控制和PID控制都能使系统稳定，但PID控制明显使系统性能下降，表现在稳定时间变长。当摄动达到一定量时，PID 控制系统不再稳定，而H状态反馈控制能使系统保持良好的稳定状态。紧接着分析了主机冷却水温度控制系统机械参数在某个范围摄动时系统的输出响应，仿真结果显示H控制器都能使系统回到平衡状态，得出H控制器比PID控制器具有更强的鲁棒稳定性和抗干扰能力的结论。李海峰24针对传统控制系统的缺点，给出了智能冷却水温度控制系统总体控制方案。然后，在详细分析Smith预估控制、PID控制、模糊控制的优缺点的基础上，设计了引入柴油机功率模糊控制信号的智能冷却水温度控制器及硬件电路，并应用MATLAB/Simulink进行仿真。仿真结果和实验结果说明引入功率模糊控制信号的智能冷却水温度控制器响应速度快，冷却水温度超调量小，控制精度高，优于传统PID控制器。徐红明、陈逸宁25提出一种简单、可靠的船舶柴油机缸套冷却水系统建模与仿真分析方法，利用阶跃响应法获取现场试验数据，采用“两点法”得出模型参数，在MATLAB软件环境下，采用“曲线拟合法”对模型参数进行修正，实现系统动态特性建模。对模型进行了仿真分析与实验结果比较，研究发现温度波动范围减小，控制更平稳，系统控制品质得到较大改善，该模型也是可行的。陈日冲26在完成稳态工况下水力计算方法的优化后，针对轮机模拟器动态仿真的需求，建立非稳态管网的水力计算数学模型，给出了实时求解方法，以实际管网为例，实现了管网水泵启动和改变阀口开度等不同工况时的非稳态仿真计算。最后，根据实船资料，建立高低温淡水系统和海水系统模型和数学模型。在Silverlight平台下，使用XAML语言和C语言分别进行冷却水管网系统仿真界面设计和水力计算等程序设计，实现了冷却水系统网络化的动态仿真。 3、船舶中央冷却水系统温度控制策略 吴云凯27为了实现机舱自动化控制，设计了以DSP为控制核心的船舶柴油机缸套冷却水自动控制系统，并根据系统需求选用了其他相适应的硬件。船舶柴油机缸套冷却水温度是监控主机是否正常运行的一个重要热工参数，但其变化具有滞后特性，在该系统引入Smith补偿数字PID控制方法后，解决了水温缓慢变化滞后特性引起系统超调量大和振荡的问题，实现了对象的在线控制。赖永生28针对船舶柴油机冷却水系统非线性、大惯性及长时滞的特点提出相应的船舶柴油机冷却水温度控制解决方案。该船舶柴油机冷却水温度控制解决方案利用了离线MATLAB/Simulink在线遗传算法进行船舶柴油机冷却水温度自适应PID控制器的设计，并在MATLAB/Simulink仿真环境下对基于离线遗传算法进行船舶柴油机冷却水温度自适应PID控制器进行控制仿真实验，得到了理想的控制效果。 董昌春29研究了冷却水温度控制系统的先进PID控制技术，首次将神经网络PID控制（包括单神经元PID自适应控制和基于小脑模型神经网络与PID的复合控制）引入其中。利用MATLAB/Simulink仿真该系统的神经网络PID控制，对遇到的问题进行了分析并提供了解决方法。然后对各种控制模式进行系统性能评价，结果表明神经网络PID控制算法有很好的控制效果。张立文30针对船舶柴油机冷却水温度大惯性、长时滞、易超调的特点，在深入研究船舶柴油机高温冷却水系统热力学模型与温度控制系统模型的基础上。（用逗号）基于前馈控制理论利用MATLAB/Simulink仿真设计了两款前馈模糊控制器，并对控制效果进行了仿真对比试验。结果表明引入前馈模糊控制环节以后系统的控制速度与抗扰动能力显著提高。为了提高船舶柴油机冷却水温度控制系统的可靠性以及控制效果的快速性与准确性，设计一套基于PLC S7-200的新型船舶柴油机冷却水温度控制系统，系统具有前馈模糊控制功能，有自动与手动运行两种工作模式，拥有人机界面，具有高低温报警、系统相关参数的设定及修改等功能。陈伟智、张维竞、张晓卿、唐强31-34等通过建立中央冷却系统数学模型得到传递函数，并利用经典控制理论分别以冷却淡水出冷却器温度、海水流量作为主被控变量和副被控变量设计了串级控制系统的主、副控制器。传统PID控制对于负荷侧的扰动，控制器的动作必须经过较大容积滞后才能开始对输出的改变做出调整，控制过程较慢。但串级控制系统在负荷侧扰动作用于系统时，主控制器通过外回路及时调整副控制器的设定值，使海水流量能随时根据冷却水温度进行调节。结果证明，针对使用PID控制器的冷却水温度控制系统惯性大、动态性能差的特点，引入串级控制模型可以明显提升系统的稳定性，优化了控制性能。秦发华35根据主发动机和辅助机械热负荷变化与淡水流量需求的关系，分析了管系设备的水压分布规律，热负荷、淡水流量变化对换热器换热过程的影响，并通过一系列实验方案得出淡水冷却泵可以根据设备冷却水需求量的动态变化调节泵的运行转速而获取能源节约，海水冷却泵可以根据海水温度变化与设备散热量的动态变化调节泵的转速而获取能源节约。淡水冷却泵变频控制不仅可以实现节能运行，还有助于通过中央冷却系统使海水冷却泵的能耗进一步下降。船舶试验证明采用淡水冷却泵与海水冷却泵同步变频运行比单独采用海水冷却泵变频运行可实现节约效率由35%提升至73%（以灵便型散货船为例，以非自动控制能耗为基数）。 张少明36将单片机应用于船舶主柴油机冷却水温度自动控制系统中。首先对温度测控系统进行了功能分析，根据系统所要实现的功能进行了硬件元器件的选择和软件算法的确定，最终得出主机冷却水温度控制系统的整套硬件设计方案。陈逸明37以实际某船舶主机冷却水系统故障为例，通过详细分析实船主机冷却水系统的控制原理及实船所使用的PID阀调节原理，找出具体故障原因并加以修理，使得故障得以解决。在分析常规PID控制的非线性、时变性、迟延性等特点后，同时提出了新的主机冷却水系统设计改进（方法），在系统的传热机理分析的基础上，建立了船舶主机冷却水系统的动态热力数学模型以及H控制器标准设计问题的模型，从而设计出该系统的H控制器。在对PID控制参数整定后，通过MATLAB/Simulink仿真对比发现所设计的H控制器能有效地提高系统的动态精确度和抑制扰动能力。 王宏智、张冬梅、盛进路38等在分析电子式控制柴油机冷却水系统的缺点后，提出了基于单片机控制的船舶柴油机冷却水温度控制方法，并分析了单片机控制冷却水系统的优点，包括高精确度、高灵敏度、耗能小、响应速度快等等，得出基于单片机的温度控制器可以安全可靠地运行，（并且）智能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（改为：附近时可以使）船舶柴油机冷却水温度测控满足现代远洋船舶的要求这一结论。参考文献：1 马量船舶主机冷却水系统的建模与仿真D.大连海事大学，2007.2冯长顺、金小闯船舶冷却水系统设计与分析J.机电信息，2013（36）：135-136.3 孔韡工程船舶的冷却水系统设计方法研究D.上海交通大学，2013.4 唐强船舶中央冷却系统仿真与智能控制研究D.上海交通大学，2015.5 陈伟智某船中央冷却系统控制策略研究D.上海交通大学，2013.6 许正福轮机动力装置系统实验室冷却水系统设计研究D.大连海事大学，2009.7 杜磊. 基于陆上机舱的中央冷却水系系统设计研究D.大连海事大学，2010.8 吴鹏飞，霍旭颖船舶冷却海水泵变频控制模式应用研究J.船舶与海洋工程,2013（2）:1-2.9 史美中，王中铮热交换器原理与设计第二版M.南京：东南大学出版社，2005. 10潘伟昌船舶中央冷却系统的分析与初步研究D.哈尔滨工程大学，2001.11周振星船舶中央冷却系统节能优化设计研究J.船舶与海洋工程，2012（4）：1-2.12钱作勤、贾小俊、周祥军滚装船冷却水系统的优化设计与热力性能研究J中国造船，2005（2）：4613Vicente P G，Garcia A，Viedma AHeat Transfer and Pressure Drop for Low Reynolds Turbulent Flow in Dimpled TubesJInternational Journal of Heat and Mass Transfer，2001，45(3)：543 553 14郭敏基于理论的船舶主机冷却水控制系统的设计J.武汉船舶职业技术学院学报，2013（3）：12-1615李彬彬船用主海水泵的变频控制与系统的节能研究D.大连海事大学，201616郭俊杰船用变风量空调系统的运行特性及其送风控制研究D.集美大学，201017何治斌船舶空调系统的建模与仿真D.大连海事大学，201118李精明船舶空调仿真系统的设计与实现D.大连海事大学，200819王丁基于H理论的船舶冷却水控制系统的仿真设计D.上海交通大学，2014.20Wang Guimei，Song HuiStudy of the Mine Drainage Fuzzy Control System Based on MATLAB JInternational Conference on Intelligent Human-Machine Systems andCybernetics， 2009(2)：99-10221Davison JThe Output Control of Linear Time-invariant Multivariable Systems with Unmeasurable Arbitrary DisturbancesJ，IEEE Transaction on Automatic Control，1971，AC-17，621630 22K han AA，RapaINFuzzy-PID Controller：Design，Tuning and Comparison with Conventional PIDControllerCProc of the 2006 IEEE International Conference on Engineering of Intelligent SystemChina：IEEE Computer Press，2006：1-623Reznik L，Bourmistrov APID Plus Fuzzy Controller Structures As a Design Base for Industrial ApplicationsJEngineering Application of Artificial Intelligence，2000，13(4)：419-43024李海峰船舶柴油机冷却水温度智能控制系统研究与设计D.大连海事大学，2007.25徐红明、陈逸宁船舶柴油机缸套冷却水系统动态特性建模与仿真J.船海工程，2010（2）： 82-8526陈日冲船舶冷却水管网系统建模与仿真研究D.大连海事大学，2016.27吴云凯.船舶柴油机缸套冷却水自动控制系统的设计J.自动化仪表，2010（2）：28-30.28赖永生.船舶柴油机冷却水系统温度控制器的设计D.大连海事大学，2015.29董昌春.主机冷却水温度控制系统的神经网络PID控制研究D.上海海事大学，2005.30张立文船舶柴油机冷却水温度控制系统的研究与设计D.大连海事大学，2010.31陈伟智、张维竞、张晓卿、唐强船舶中央冷却系统串级控制的建模与仿真研究J中国造船，2013（1）：5432Hansen M，Stoustrup J， BendtsenJ DRobust Nonlinear Control Design with Application to a Marine Cooling SystemCProceedings of the 18th IFAC World Congress，201133Umas，Chidambaram M，Rao A S，Chang K YEnhanced Control of Integrating Cascade Processes with Time Delays Using Modified Smith Predictor JChemical Engineering Science，2010(3)：1065-107534Ying Q，Gao JCascade Control for a Class of Process with Integrator and Time Delay JIntelligent Systems and Applications，2009：1-4 35秦发华船舶中央冷却系统节能研究D.苏州大学，2015.36张少明.船舶柴油机冷却水温度的微机控制系统开发J.船电技术，2009（1）：9-11.37陈逸明.船舶主机冷却水温度控制系统的故障分析及设计改进J.中国水运月刊，2015（7）：113-118.38王宏智、张冬梅、盛进路.船舶柴油机冷却水温度控制系统的设计J.青岛远洋船员学院学报，2006（4）：17-19.39涂环ENGARD型船舶中央冷却水系统建模与仿真武汉理工大学，201340Michael LassenDESMI Lifts Green Ship Business CaseJWorld Pumps，2015（12）：16-1841邱德庆.基于单片机的船舶柴油机冷却水温度控制系统D.大连海事大学，2004.42杜玉恒，韩学胜，郭祖平.船用柴油机冷却水温度的模糊控制J.大连海事大学学报，2002（1）：28-30.43吴桂涛，孙培廷船舶中央冷却系统的热力计算数学模型J.大连海事大学学报，2002（1）：13-15.注：可加附页，附页页码用11、12等表示。二、和选题相关的调研报告：（调研时间、地点、单位及主要收获等）调研时间： 2016年 4月（和下面广州两个字对齐）调研地点：广州调研单位：某高校船舶信息化控制工程技术开发中心主要收获：（1）了解船舶中央冷却水系统工作原理，熟悉各冷却水系统内装置的工作原理，明确了各装置的参数指标；通过查阅各类相关文献，了解国内外在船舶中央冷却水系统领域的发展动态和研究现状，学习已有的冷却水系统仿真理论知识；（2）了解变频器和风机换热的工作原理，以及风机冷却系统中各装置与PLC控制器的连接方式及调试方法，掌握了西门子PLC S7-1200系列的使用方法；（3）了解冷却水系统仿真对象实物的组成结构和功能，初步确定仿真对象的各种冷却设备，并结合项目要求确定基本的仿真流程。三、选题报告（应包括以下内容）：1所选课题的题目及课题来源；选课题目：船舶中央冷却系统半实物仿真设计 课题来源：黄埔区文冲船厂与高校共建项目，专题编号：2014TS00005852 课题研究的目的、意义；船舶冷却系统主要是针对船舶动力源柴油机的冷却，其中包含海水冷却系统、低温淡水冷却系统、高温淡水冷却系统、机舱通风系统等。其中海水冷却低温淡水，低温淡水冷却高温淡水，机舱通风系统对机舱温度进行冷却。柴油机冷却水精确控制，对于提高柴油机的动力性、减少废气的产生、减少燃料消耗量等方面都有着重要的作用，而机舱通风量的控制，对于保证柴油机、锅炉及焚烧炉燃烧时所必须的空气量，保证机内良好的工作环境，改善轮机人员的工作及卫生条件也具有重要作用。 船舶正常情况在全球跨区域运行，海水和空气环境温度也随季节变化，船舶正常营运也不会长期处于极限负荷下，因此传统船舶设计中的极限负荷设计法必然产生了过多的冷却系统能耗，导致了船舶能源消耗高，不利于保护环境，不能满足IMO组织对船舶CO2排放标准。据远洋运输公司对运行经验的分析，一般来说中央冷却系统年成本构成大致情况为：投资费用占20%25%，泵的能耗费用占65%70%，维修费用占10%左右，泵的能耗中海水泵的能耗约占35%40%。由此可见，在船舶冷却系统中，除了设计高温冷却水温度控制系统，同时优化海水回路的运行、控制海水流量，使海水泵的功率随环境温度变化，对降低海水泵功率消耗、提高冷却效果、降低冷却系统成本具有重大现实意义。为此，需要根据船舶运行状态提供合理的冷却量，消耗尽量低的能源，以符合目前全球对环境保护和能源消耗的指导思想。 当今，随着社会经济的发展，节能减排、绿色造船、绿色航运已成为船舶工业发展的重要要求，环境友好型的绿色船舶应能够减少对资源的消耗。为此，要从船舶设计、自动控制手段等各个方面入手，对船舶冷却系统定排量海水和定风量供风能耗高的问题进行研究，研究变风量控制和变冷却水的控制，采用变频集成驱动技术和智能控制技术，开发出一套集成船舶节能控制研究系统，能够根据工况变化和环境温度变化有效地调整冷却量，特别是海水流量和进风量，从而节约能源，确保设备正常运作，以适应航运公司对船舶节能越来越高的需求。所以，本课题的研究具有重要的意义和良好的应用前景。3 和本课题有关的国内外研究现状分析，包括发展水平和存在的问题等；动力装置是船舶的“心脏”，而冷却系统是船舶动力装置不可或缺的组成部分，用于冷却整个船舶发热部件，保证所有设备在适宜工况下正常工作，其主要作用为通过外部循环介质冷却运转设备。目前船舶冷却系统设计采用海水定排量方法，在低温水和高温水系统中增加三通阀进行冷却水随动旁通法，机舱通风系统也是定排量通风法，整个系统的能耗稳定，不会跟随外部环境和柴油机运行功率进行调整。为此，国内外有很多学者开展船舶冷却控制的研究，以提高船舶柴油机运行的经济性和环保性。（这和第六页开头一模一样） 瑞典ALFA-LAVAL公司研发的ENGARD微机控制系统39围绕船舶中央冷却水系统的控制和检测进行特别设计，用于对海水系统、低温淡水系统进行控制。低温淡水系统的温度主要通过调节阀改变流经中央冷却器的旁通量来实现，调节阀的动作由控制系统检测海水、淡水温度变化进行PI调节。海水系统流量由系统控制在四种海水流量之间转换，目的在于控制泵入系统的海水不会过剩，保证中央冷却器的换热效率，实现最大程度的节能及海水流量的优化控制。在中远第五代大型集装箱船及广船国际建造的18000t半潜船的中央冷却系统都采用了这套控制系统，取得了较好的效果。它在中远第五代大型集装箱船应用，每小时能够节省72吨燃油，节能明显。丹麦的DESMI公司利用FluidFlow软件、EnergyCheck和OptiSave等工具，开发了海水冷却系统DESMI Seawater Cooling System40。该系统允许操作者根据特定的需求确定精确的系统控制参数，通过使用温度传感器，该系统能将可能的管道摩擦考虑在内，计算出最佳的制冷量，由变频器控制着海水泵，实现精确的海水量需求控制。邱德庆41“基于单片机的船舶柴油机冷却水温度控制系统”以及李海峰30“船舶柴油机冷却水温度智能控制系统研究与设计”均提出了基于单片机的冷却水温度控制系统的设计思路与设计方法，并针对船舶柴油机冷却水系统的时滞特性提出了“带有Smith预估器的PID”控制方法。杜玉恒，韩学胜，郭祖平等42提出了“船用柴油机冷却水温度的模糊控制”方法，控制系统接收油门刻度、扫气压力、进出机温度差等多种前馈信号进行模糊控制，克服了单输入、单输出的PD、PI或PID控制的缺陷；吴桂涛，孙培廷43提出了基于神经网络的模糊PID控制方法，该方法的优点是控制系统具有适应控制环境变化和自学习的能力，当柴油机运行工况发生变化时仍具有很好的控制性能。张立文29在“船舶柴油机冷却水温度控制系统的研究与设计”中，针对船舶柴油机冷却水温度大惯性、长时滞、易超调的特点，重点对冷却水温度控制系统前馈环节进行了仿真研究，提出了基于模糊前馈控制的船舶柴油机冷却水温度的控制方法，该方法通过引入柴油机排烟温度或油门拉杆位移进行柴油机冷却水出口温度的控制，效果较好。 目前研究冷却水温度控制主要采用较为简单的控制策略，如比例微分控制或是比例积分控制，往往控制效果比较差。采用PD控制，会出现静态误差，使系统温度偏离最佳设定点时间较长；采用PI控制，对于惯性比较大的冷却水温度控制，会因缺乏超前控制作用而产生较大的超调量使系统动态特性较差，还存在着例如积分饱和等不少问题。主机的中央冷却水温度控制系统，是一个集水、电、机为一体的复杂非线性系统，参数具有时变性、滞后性和不确定性，对它的控制较为复杂。气象条件(例如风浪) 和环境水温的不断变化，主机负荷的不断变化，均给主机冷却水温度调节系统带来强烈扰动。为了减少控制滞后性，引入柴油发电机组的功率信号作为前馈控制信号，将是较为有效地解决冷却水温度的控制精度方式。 我国中远在七十年代进口的“河”字号船舶还是设置两台主海水泵，互为备用，其一台功率就够满足冷却用水10%负荷的传统设计要求。八十年进口的“汉涛河”型船舶把两台10%负荷主海水泵中的一台改为双速泵(全速为1750r.p.m，45kw；低速为1165r.p.m，22kw)，在全年中大部分时间只用低速泵(22kw)，节能设计进了一步。八十年代中期进口的“普河”、“泰河”轮是采用了两台10%的主海水泵，其中一台采用变频调速器，可无级调速到所需的海水流量，但转速的设定是轮机员手动设定，不能根据环境工况自动调节转速。由上面看出，根据中央冷却系统设计方案的不同，对应于两种不同的控制设计方案：一是常规泵的控制系统方案，有单泵或者多泵并联运行方案；二是变频泵的控制。 海水回路的节能主要依靠改变泵的运行工况来优化海水流量，以达到节省海水泵功耗的目的，中央冷却系统的海水变流量调节控制已成为发展趋势，一般都通过多泵组合方式来实现。目前海水泵的运行工况有下列几种情况：(l) 设置多台定速海水泵：如350%。可有两种流量100%，80%； (2) 设置定速泵与变速泵，（标点上下统一，小标号对齐）如350%。一台变速泵，可有三种流量100%，80%，55%；两台变速泵，可有四种流量100%，80%，55%，40%；(3) 设置定速泵与无级变速泵，定速泵负责最常用的工况，变速泵适应工况的变化，可以延长较为昂贵的无级变速泵的寿命；(4) 设置无级变速泵，实现无级调速，使海水流量连续变化，这是今后发展的方向。 总的来说，目前国际部分厂家也开发了变频驱动的海水冷却系统，采用简单的PID闭环控制，属于反馈控制方法，控制效果较差，高温水和低温水冷却系统又依赖三通阀自主控制，容易造成整套系统温度振荡，影响柴油机运行温度，从而影响柴油机效率。 随着变频器价格的降低，舰船中央冷却系统的海水泵应用变频无级调速将会应用越来越多，最终实现根据柴油机的负荷大小对冷却气缸套和气缸盖的高温冷却回路中的冷却水流量和温度进行有效的控制，防止在低负荷下过度冷却，以限制燃烧室部件的热负荷和防止气缸套的低温硫酸腐蚀，并保持柴油机冷却水出口温度不变，而冷却系统的控制系统应保证在全负荷工作范围内可靠地控制，减小冷却系统中的温度波动。 目前国际上尚未有对机舱通风系统进行控制的研究。3.5存在的问题和不足（一）船舶在设计中央冷却水系统的时候，中央冷却系统的海水设计温度为32，对于无限航区的船舶，一般其航行区域纬度跨度较大，海水的温度变化也较大，海水的常年平均温度约为17，导致了中央冷却系统所需的海水流量也会变化较大，只有很少的时间处在满负荷运行的状态；（二）船舶主动降低航速运行，使冷却水系统更加不可能满负荷工作，导致了海水泵能量利用率不高，海水回路不能够实时满足变流量的要求，海水泵的压头、流量不能随海水系统状况和航区而改变，能力长期过剩；海水泵或风机台数的配置也没有根据船舶航区、船舶种类等实际情况进行综合考虑，海水泵选型不尽合理，运行效率偏低，能量损失较大；（三）不能解决海水盐分析出的问题，在满足冷却要求的情况下，尽量减少海水流量，以充分利用海水的冷却能力，来降低海水泵的功耗。但是，海水里含有