（轮机工程专业论文）基于滑模理论的燃油粘温控制系统的研究.pdf

中文摘要 摘要 随着石油资源的日益短缺，船舶柴油机都开始以价格相对低廉的重油为燃料， 而将其控制在合适的粘度是保证柴油机能正常燃烧的重要条件。所以本文燃油粘 温控制系统的研究在全球大力倡导节能减排的背景下有重要而深远的意义。 本文设计了结构合理的燃油粘度和温度控制系统，该系统由主蒸汽加热装置 和电辅加热装置两部分组成，其工作原理是进行温度的程序控制，温度定值控制 和粘度的定值控制。 依据热力学和传热学的原理，本文分已知不确定上界、运动方程的目标跟踪 和带迟延环节的二阶线性系统三种情况建立了温度控制系统的线性数学模型，求 取了滑模运动方程，设计了控制器。同时，对燃油温度模型的p i d 控制算法和滑 模变结构控制算法的m a t l a b s i m u l i n k 仿真，验证了后者超调小、响应快和抗干 扰能力强的优点。 对于燃油粘度的控制，本文分线性系统和非线性系统两种情况进行了滑模变 结构控制算法的研究，分别求取了滑模运动方程，设计了控制器。其中，线性系 统包括相空间描述和一般状态空间描述；非线性系统分高阶常微分方程型、仿射 型和简约型三种型式设计了基于输出方程的滑模变结构控制器。 最后，本文分别对p l c 和单片机型式的燃油粘温控制系统进行了探讨，并在 粘温控制半仿真系统上进行了实验研究。 关键词：燃油粘温控制；非线性系统；滑模变结构控制 英文摘要 a b s t r a c t w i 也t h es h o r t a g eo ft h ep e t r o l e u mr e s o u r c e sd a yb yd a y h e a v yo i lo fr e l a t i v e l y l o wp r i c ei su s e di nt h ed i e s e le n g i n e a n dt h em o s ti m p o r t a n tp r e c o n d i t i o nt h a td i e s e l e n g i n ec a l lb u r nn o r m a l l yi sc o n t r o l l i n gt h ef u e lo n as u i t a b l ev i s c o s i t y s os t u d yo nt h e f u e lv i s c o s i t ya n dt e m p e r a t u r es y s t e mo ft h ep a p e rh a si m p o r t a n ta n df a r - r e a c h i n g m e a n i n go nt h ee n v i r o n m e n tt h a ta d v o c a t i n gr e d u c i n ge n e r g yc o n s u m i n gi nt h ew h o l e w 0 订d t h ep a p e rd e s i g n sas u i t a b l ef u e lv i s c o s i t ya n dt e m p e r a t u r ec o n t r o ls y s t e mw h i c h i n c l u d e sm a i ns t e a mh e a ta n de l e c t r i c i t yh e a t i n gd e v i c e m o r e o v e r ，i tg e n e r a l l yi n c l u d e s t h ef u e lt e m p e r a t u r ep r o c e d u r ec o n t r o l ，t e m p e r a t u r ed e f i n i t ev a l u ec o n t r o la n dt h e d e f i n i t ev a l u eo fv i s c o s i t yc o n t r 0 1 t h el i n e a rm a t h e m a t i c a lm o d e lo ft h et e m p e r a t u r ec o n t r o ls y s t e mi ss e tu pa n dt h e s l i d i n gm o d em o v e m e n te q u a t i o na n dv a r i a b l es t r u c t u r ec o n t r o l l e ra r ee s t a b l i s h e do nt h e b a s i so ft h e r m o d y n a m i c sw h i c hi n c l u d e su n c e r t a i nu p p e rb o u n d b e i n gk n o w n , f o l l o w i n g m o v e m e n te q u a t i o na n dt w o - o r d e r d e l a yl i n e a r s y s t e m f i n a l l y ，s i m u l a t i o n so n m a t l a bo fp i dc o n t r o la l g o r i t h ma n dt h es l i d i n gm o d ev a r i a b l es t r u c t u r ec o n t r o l a l g o r i t h mc a r r i e do u tw h i c hs h o w st h a tt h es l i d i n gm o d ev a r i a b l es t r u c t u r ec o n t r o li s a b l et or e s p o n dq u i c k l y ，r o b u s ta g a i n s ts y s t e mp a r a m e t e r sa n de x t e r n a ld i s t u r b a n c e s a st ot h ec o n t r o lo ft h ef u e lv i s c o s i t y ，r e s e a r c ho nt h es l i d i n gm o d ev a r i a b l e s t r u c t u r ec o n t r o li sc a r r i e do u ti nt h i st e x td i v i d i n gl i n e a rs y s t e ma n dn o n - l i n e a rs y s t e m a n dt h ee q u i v a l e n tc o n t r o l ，t h es l i d i n gm o d em o v e m e n te q u a t i o na n dt h ev a r i a b l e s t r u c t u r ec o n t r o l l e ra r eo b t a i n e d a m o n gt h e m ，l i n e a rs y s t e mi n c l u d e sl o o k ss p a c e d e s c r i b i n ga n dt h eg e n e r a ls t a t es p a c ed e s c r i b i n g n o n l i n e a rm o d e li n c l u d e sh i g h o r d e r d i f f e r e n t i a le q u a t i o n , o n ei m i t a t i v en o i l 一l i n e a rs y s t e ma n dl i n e a rb r i e ft y p es e p a r a t e l y f i n a l l y ，ap l ca n dt h es i n g l e c h i pc o m p u t e rs y s t e ma r ed e s i g n e d e x p e r i m e n t so n ah a l fs i m u l a t i o ns y s t e ma r ec a r r i e do u t k e yw o r d s ：f u e lv i s c o s i t ya n dt e m p e r a t u r ec o n t r o l ；n o n l i n e a rc o n t r o ls y s t e m ； s l i d i n gm o d ev a r i a b l es t r u c t u r ec o n t r o l 大连海事大学学位论文原创性声明和使用授权说明 原创性声明 本人郑重声明：本论文是在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果， 撰写成硕士学位论文= = 基壬遗搓理途笪燃油鲨量控鱼i 丕统盥硒究：。除论文中已 经注明引用的内容外，对论文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以 明确方式标明。本论文中不包含任何未加明确注明的其他个人或集体已经公开发 表或未公开发表的成果。本声明的法律责任由本人承担。 学位论文作者签名：粒 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解大连海事大学有关保留、使用研究生学 位论文的规定，即：大连海事大学有权保留并向国家有关部门或机构送交学位论 文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权大连海事大学可以将本 学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，也可采用影印、缩印或扫 描等复制手段保存和汇编学位论文。同意将本学位论文收录到中国优秀博硕士 学位论文全文数据库( 中国学术期刊( 光盘版) 电子杂志社) 、中国学位论 文全文数据库( 中国科学技术信息研究所) 等数据库中，并以电子出版物形式 出版发行和提供信息服务。保密的论文在解密后遵守此规定。 本学位论文属于：保密口在年解密后适用本授权书。 不保谢( 请在以上方框内打“，) 一豳伽乙0 = 2 翻日 日期：伽怕年月吖日 基于滑模理论的燃油粘温控制系统的研究 第1 章绪论 目前，我国的新造船量虽然在全球排第二，但设计能力落后、配套产业发展 滞后、大量电子设备和核心装备依赖进口，以船舶柴油机燃油粘度和温度控制为 目的的自动化系统也不例外，这成为制约行业发展的主要瓶颈。所以我国造船业 现行的这种“只造船壳子，进口其他设备 的经营模式，附加值过低，对行业发 展不利。本文将对燃油粘温控制系统的算法进行研究。 1 1 线性和非线性控制理论 尽管一切实际的系统都是非线性的，真正的线性系统在现实世界中是不存在 的。但是，有很大的一部分实际系统，它们的一些主要关系特性，在特定的范围 内，可以充分精确地用线性系统来加以地描述。并且，实际的系统与理想化了的 线性系统间的差别，对于所研究的问题而言已经小到无关紧要的程度而可予以忽 略不计。因此，从这个意义上讲，线性系统或者可线性化的系统又是大量存在的， 这正是研究线性系统的实际背景。 对系统进行分析或者是综合，一个首要的前提就是建立起系统的数学模型。 数学模型的基本要素是变量、参量、常量和它们之间的关系。系统数学模型中的 变量，包括输入变量、状态变量和输出变量，在有些情况下还须考虑扰动变量。 建立系统数学模型的基本途径有解析法和实验法，前者通过分析系统的机制，直 接运用物理原理来建立表征系统动态过程的数学描述；后者则是在通过实验取得 数据和按照相应准则处理数据的基础上，导出最接近系统实际情况的简化数学描 述。 在数学模型一旦确定后，便可对系统进行分析和综合。通常可把分析分为定 量分析和定性分析两种情况。对于定量分析，主要关心的是分析系统相对于某个 输入信号的响应与性能；而定性分析，主要分析稳定性、能控性和能观性等系统 的基本结构特性。当系统的性能不能够令人满意而且须要加以改善或实现最优化 时，就同时按照系统的状况和期望的性能要求来设计系统的控制器，当然，控制 器有各种各样的形式，而且，每种控制算法的特征和控制效果都不完全相刚1 1 。 第1 章绪论 对于线性系统的时间域数学模型，可以用以下方程描述： 史o ) = a x ( ) + b 口o ) ( 1 1 ) y ( t ) = c x ( t ) + d u ( t ) 、7 毫无疑问，只要情况允许，就应尽可能地通过线性化来分析非线性系统的特 性。然而，仅仅线性化是不够的，因为线性化有两个基本的限制：第一，由于线 性化是在稳定工作点附近的近似，仅能预测出非线性系统在这一点邻域内的“局 部特性，而不能预测出系统远离工作点的“非局部 特性，当然也就无法预测 整个状态空间的“全局 特性；第二，非线性系统动力学远比线性系统复杂，有 一些“本质的非线性”现象只有在非线性条件下才能发生，因此不存在线性模型 描述或预测。以下是几个本质非线性现象的例子： ( 1 ) 有限逃逸时间 非稳定线性系统的状态只有在时间趋于无穷时才会达到无穷，而非线性系统 的状态可以在有限的时间内达到无穷。 ( 2 ) 多孤立平衡点 线性系统只有一个孤立平衡点，也就是它只有一个吸引系统状态的稳态工作 点，而与初始状态无关。非线性系统可以有多个孤立的平衡点，其状态可能收敛 于几个稳定工作点之一，至于收敛于哪个工作点取决于系统的初始状态。 ( 3 ) 极限环 振荡的线性时不变系统必须在虚轴上有一对特征值，在有扰动的条件下这是 几乎不可能保持的非鲁棒条件。即使我们能够做到，振荡幅度也要取决于初始状 态。现实生活中，只有线性系统才能产生稳定振荡，有些非线性系统也可以产生 频率和幅度都固定的振荡，而与初始状态无关，这类振荡就是极限环。 当然，还有分频振荡、倍频振荡或殆周期振荡，混沌和特征的多模式等非线 性现象【2 5 】。 所以，非线性的控制系统的研究方法，是从一个个具体的非线性控制系统而 发展起来的，即由简单到复杂，从特殊到一般，可以大自地分为以下几个部分： ( 1 ) 古典理论 基于滑模理论的燃油粘温控制系统的研究 针对特殊系统发展了以下三种理论：主要针对二阶系统发展了“相平面法”； 针对含有一个非线性环节的高阶系统发展了“描述函数法；针对含有一个 非线性环节的系统，由李雅普诺夫理论发展出绝对稳定性理论。 ( 2 ) 综合方法 因为非线性系统的研究缺乏系统的、一般的理论及方法，而实际上又迫切需 要建立自动控制系统，所以直接建立综合方法的研究取得了一定的成果： 李雅普诺夫( l y a p u n o v ) 方法 这一方法是目前为止最完善、最一般的非线性方法，正是因为这种一般性， 无论是分析稳定性还是镇定综合都欠缺构造性，需要应用研究。 变结构控制 它是5 0 年代发展起来的，因为其滑动模态具有对干扰和摄动的不变性，到8 0 年代后逐渐地受到重视。它是一种非常实用的非线性控制系统的综合方法，可以 赋予系统各种良好的品质与性能，其应用前景是相当广泛的。 系统的变换 线性系统中状态变换可将方程化为各种正则型。这一手段可将系统变成足以 描述其特征的最简形式。对于非线性系统，通过反馈变换、状态变换或输入变换 将方程化为正则型也是意义重大的，不同的是化成某种正则型往往要对系统加上 苛刻的条件。 ( 3 ) 微分几何控制理论 非线性系统的进展在过去几十年主要是定性的，与线性系统的进展相差越来 越远，主要是因为没有合适的数学工具。线性系统( 彳，曰，c ) 的性质主要确定于 么，b ，c 表示的变换，而非线性系统( ( x ) ，g ( x ) ，办( z ) ) 远为复杂，数学上仅有的结果 也只是微分几何中局部变换等远非完善但可以应用的工具。在这种形势下，开始 用微分几何方法研究系统的能控性等基本特性，建立微分几何控制理论。 ( 4 ) ( 微分) 代数控制理论 第1 章绪论 ( 微分) 代数方法是近年才出现的一种非线性控制系统分析和设计方法。微 分代数方法的研究在某些问题上也取得了有希望的成果，它成为与微分几何相辅 的工具【每1 0 1 。 1 2 关于变结构控制的基本理论 广义地讲，在控制过程( 或瞬态过程) 中，系统结构( 或叫模型) 可发生变 化的系统叫变结构系统。比如，某一闭环系统，在偏差大于某值时，用比例控制 以便加快响应速度；在偏差小于某值时，变为积分控制以保证稳态精度。像这样 系统的结构在瞬态过程中就发生了变化。又如，在某一时间段，采用一种控制算 法，在另一段时间，采用另一种控制算法。 1 2 1 滑模变结构控制基本原理 本文研究的是一类具有滑动模态的变结构系统。所谓滑动模态指的是一种运 动，也叫滑动运动。设有一个超面，可以是超平面，或称流形，记为s ，在n 维空 间中，s | 是0 1 ) 维的超平面： j ( x ) = c 7 x = 0 ，即q x l + c 2 x 2 + + c 月一1 x 月一l + x ”= 0 也可以是( 刀聊) 维的超平面： s ( x 、= c x = 0 其中，c 为m ，2 阵，或记为： s ，( x ) = o ；i = 1 , 2 ，所 当然，超平面都可以代之以超曲面，简称超面 s ( x ) = 0 或s ，( x ) = o ；待1 , 2 ，m 这里，s ( x ) 是x 的非线性函数。 总之，子空间( 流形) s 可以表示为： s = x l s ( x ) = 0 滑动模态就是动态系统 文= f ( x ，f ) ， x r ” 中发生在流形s 上的一类运动。 基于滑模理论的燃油粘温控制系统的研究 滑模变结构控制指的是对于控制系统 戈= 么( x ) + b ( x ) “ 构造一个流形s ，并寻求控制”0 ) 以保证s 上存在一滑动模态， 该模态区渐近稳定。 设有非线性系统 文= f ( x ，h ，f ) x r ”，u r ”，f r 我们需要确定切换函数向量 s ( x ) ，s r ” ( 向量的维数一般情况下等于控制的维数) ，并寻求变结构控制 并使得系统在 ( 1 2 ) 甜，c x ，= ：；：二；： 二；三三 c ，3 ， 这里变结构控制就体现在比+ ( x ) g - ( x ) 上，使得以下条件成立： ( 1 ) 满足到达条件：切换面s 以外的相轨迹于有限时间内到达切换面； ( 2 ) 切换面是滑动模态区，且滑模运动渐近稳定，动态品质良好。 显然，我们设计出来的变结构控制可使得闭环系统全局渐近稳定，且动态品 质良好。因为这里利用了滑动模态，所以又称变结构控制为滑动模态控制。 切换函数和二阶系统状态轨迹示意图分别如图1 1 和1 2 所示： x ， o o 图1 1s 平面上系统的状态图 f i g 1 1s y s t e m a t i cs t a t ed i a g r a mo nsl e v e l 第1 章绪论 b 、 ，o ，田o 、- 0 。 l i 一 i ( 1 ) 。o f 图1 2 二阶系统滑模运动状态轨迹图 f i g 】2s t a t eo r b i tp i c t u r eo ft w o o d e r - s y s t e ms l i d i n gm o d em o t i o n 由此可见，滑模变结构控制系统的运动是由两个阶段组成的，如图1 3 所示。 第一阶段为趋近运动，即从初始状态开始于有限的时间内到达切换面的运动，运 动全部位于切换面之外，或者有限次穿越切换面，如图中x 0 a 段；第二阶段为滑动 模态，它完全位于切换面上的滑动模态区内，如图中的a o 段。 图1 3 滑模运动示意图 f i g 1 3s k e t c hm 印o fs l i d i n gm o d em o t i o n 滑模变结构控制可归结为求系统的等效控制和滑模运动方程。等效控制就是 强迫系统在切换面上运动的一种控制，系统在这种控制下的运动，正好就是滑动 模态运动【1 1 之0 1 。 考虑单输入控制系统 基于滑模理论的燃油粘温控制系统的研究 史= t ( x ) + 6 ( 砷x r ”，“r 7 ( 1 4 ) 其中，控制跖为标量，取切换函数或切换面s 为 删二o ，s e 足 ( 1 5 ) 切换面上的运动对系统( 1 4 ) 的解荆来说，对所有t 应永远满足 文踯) ) = o ，文】 ) ) = o( 1 6 ) 式( 1 6 ) 表示沿式( 1 4 ) 之解的s 对f 的导数应等于零。求这个导数得表达式为 文础) ) ：_ 0 sx ：_ 0 s 砷+ 咖 改 礅，、 ( 1 7 ) = - a ( x ) + 串圳_ 上式中 拿：【晏，要】= g r a a ，。_ 2 【i 一，i j5 c t x 铂 称为s 的梯度，或者方向导数等。 假设函数 j 兰：从曲0 ，当x s ：( x l s ( x ) ：0 ( 1 8 ) 即在切换面s 上不等于零，条件( 1 8 ) 被称之为“变结构可控 条件。 现在就可以从式( 1 7 ) 解出 = r 塞删，娴= o ( 1 9 ) 伙 这就是我们所要求的等效控制。注意，该控制仅在切换面s 上有定义。 由式( 1 4 ) 和( 1 9 ) 得s 上系统的微分方程，它可表示为 j = 彳( 神十易( x 弦 = 4 ( x ) 一6 ( x ) 【鍪6 ( x ) 】1 宴4 ( x ) ( 1 1 0 ) s ( x ) = o 方程( 1 1 0 ) ，也就是滑动模态运动的微分方程。 为了求解滑模变结构控制器的结构【2 m 4 1 ，保证正常运动的品质，一般地， 取等速趋近律 第1 章绪论 指数趋近律 幂次趋近律 特别地，取a ：l ： 2 一般趋近律 , 蚕= - - e s g r e o j = - s g n s 一幻 o , k 0 ( 1 1 2 ) j = - k m 。s g n j 七 0 ，1 o r 0( 1 1 3 ) j = 一j i 橱s g ns k 0 ( 1 1 4 ) 霖- - s 0 s f ( 八s ) ：0 瓠0 ( 1 1 5 ) 厂( o )， 当s ”7 1 2 2 滑模变结构控制的特点 首先，变结构控制是设计控制系统的普遍方法。适用于低阶与高阶、线性与 非线性、连续与离散、集中参数与分布参数、同步与有时滞、确定性与不确定性、 精确描述与随机描述等各种控制系统。此方法比较简单。尤其是针对非线性系统 的研究，滑模变结构控制算法是非常有效而且适用的。 其次，变结构控制可以保证控制系统的全局渐近稳定性。 最重要的是变结构控制对系统的摄动和外干扰有完全的鲁棒性，也可称为不 变性，但它仅仅是滑动模态具有这种不变性，而系统的非滑动模态，即从初始状 态到切换面的那段趋近运动不具有不变性，或者鲁棒性，这主要决定于摄动和干 扰的大小。 当然，滑模变结构控制也有一些不足之处，主要有： ( 1 ) 与传统的p i d 控制，现代控制理论的模糊控制、神经网络控制等不同， 滑模变结构控制必须获得系统的精确数学模型，而且对于高阶的、复杂的非线性 模型进行非线性状态变换，变成简单的型式往往又是比较困难的。 ( 2 ) 滑模变结构控制是一种继电控制。由一个结构到另一个结构的变换是严 基于滑模理论的燃油粘温控制系统的研究 格地按切换面瞬时地完成，倘若切换开关不理想，比如因为惯性的存在，就必然 会产生高频颤动，即抖动 3 5 - 4 5 1 。 1 3 燃油粘温控制系统的研究现状 目前，国内有无锡一家公司进行燃油粘度控制系统的设计。其工作过程为： 从日用油灌已加热至6 0 7 0 的燃油，经粗滤器通过循环泵进混油筒，由增压泵注 入加热器、过滤器，经过传感器供油至柴油机，传感器把经过加热后燃油的实际 粘度信号转换成压缩空气信号或电信号( 电动型) ，通过信号变送处理后送至粘 度控制仪，在粘度仪中实际输入信号和设定信号相比较后输出控制信号至执行机 构，调节控制器输出压缩空气( 压缩空气通过旋风除油过滤器处理以降低露点温 度) 的控制压力( 气动型) ，或者是电压的大小( 电动型) ，从而调节执行机构 蒸汽控制阀的开度，从而调节燃油的加热热量，把实际粘度保持在设定的粘度范 围内并减小粘度波动峰值，而达到控制重油理想雾化粘度下的温度。 从实船使用该粘度系统的情况来看，由于系统本身设计的不合理及工艺上的 达不到要求，常出现以下故障：柴油机熄火、停车，燃烧过程冒黑烟、固体排放 物增多，柴油机磨损加剧、使用寿命降低、维护成本增加和人为操作难度增加等。 国外主要有日本和德国两家公司研发。日本开发的n a k a k i t a 型燃油粘温控 制系统比较早，目前占有新造船较大的份额。如中海集团广州分公司很多新船订 单直接放在日本或者将柴油机及其燃油粘度控制系统系统成套设备都从日本引 进。因为考虑到大型远洋船舶的柴油发电机( 四冲程中速机) 不管在航行工况还 是停泊工况都是不停车的，所以发电柴油机与主机( - - 冲程低速机) 共用一套燃 油供油系统，且全部按照燃烧3 0 0 0 s 重柴油设计，即燃油粘度控制系统将3 0 0 0 s 重柴油的粘度控制在1 2 c s t 后一路送入主柴油机，另一路送入发电柴油机。轻质柴 油只是在主机长期停车后再起动或者船舶厂修后重新营运时使用，一方面可以保 证主机良好的起动性能，另一方面可以清洁主机各部件。 该系统主要由测粘计、燃油隔离器、差压变送器、模糊p i d 粘度控制器、自 动手动选择器、执行机构( 气动膜片调节阀) 、气源等部分组成。但它对中速 柴油发电机的轻柴油换重柴油的改造上面不太成功，往往导致柴油机起动困难、 第1 章绪论 冒黑烟、运行不稳定、磨损加剧、维护成本增加和柴油机寿命降低等后果。究其 原因，该粘度控制系统是针对通用情况设计，采用的是经验得出的粘度定值1 2 c s t 控制，不能适应我国营运船舶多样化的特点。 德国k u p k e + w o l f 公司生产的船用燃油粘度控制系统，其系统工作原理为：粘 度控制燃油供油单元控制系统通过重油循环泵将重油输送到混油罐中，与轻油( 回 油) 混合后，经过轻油循环泵输送到u 型管加热器进行加热处理，使燃油的粘度 下降并经双筒过滤器过滤后输送到主机。粘度传感器实时监测处理燃油的粘度， 将粘度信号送至粘度调节器，粘度调节器将实测的粘度值与设定值进行比较，如 果出现偏差则根据设定的粘度控制策略实时调整u 型管加热器的蒸汽流量，从而 改变加热器的温度。最终经过一系列的调整过程使燃油的粘度稳定在系统设定的 范围之内。其中的粘度控制为独立的单元，循环泵的控制由继电器控制箱实现。 综合国内的产品，有如下缺点： ( 1 ) 变工况下，主机冒黑烟；( 2 ) 主机排温升高，对主机缸套、活塞磨损 严重；( 3 ) 控制系统与对象匹配不优化，系统的控制指标不达标，严重情况下出 现主机停车这一相当危险的事件：( 4 ) 对操作、管理的要求严格，维护麻烦；( 5 ) 系统结构复杂，故障发生率很高。 综合国外的产品，有如下缺点： ( 1 ) 大多数采用继电器接触器控制( 程序控制) 、过程中的测粘计采用 毛细管式，这样的结果是维护相当麻烦，故障频出； ( 2 ) 以上所述的粘度控制系统都采用定值控制，没有考虑“不确定”因素； ( 3 ) 以上系统为通用产品，对不同船舶类型、大小等因素不作考虑，从而导 致非线性问题对系统的影响在控制系统中就无法体现出来，产生的后果是可想而 知的； ( 4 ) 对操作者要求较高，例如，不同国家的燃油，操作者须要查看粘韫 曲线，然后输出上限值，各处的温度值也要做相应调整等，稍有不慎，可能产生 严重后果。 本文的船舶柴油机劣质燃油的粘度和温度控制，首先是用p l c ( 可编程控制 基于滑模理论的燃油粘温控制系统的研究 器) 或单片机硬件系统代替了传统的接触器继电器控制装置；其次是用滑模 变结构控制算法代替国内外通用的针对燃油粘温控制的p i d 或模糊叫i d 控制 算法。而从国外查阅文献资料情况看，尤其是滑模变结构控制算法在燃油粘温控 制系统方面的运用尚未见相关的研究。而且，在算法方面的探讨为解决以上问题 打下了好的基础，加上随着船舶c 0 2 排放的逐渐受重视，本文的研究也很有借鉴 意义。所以，本论文对粘温控制系统这方面的工作还是很有意义的，但必须建立 起系统的精确数学模型。 1 4 燃油粘温控制系统的控制策略 本文研究的燃油粘温控制系统，包括两个部分：燃油的温度程序控制和温度、 粘度定值控制。 温度程序控制首先根据热力学和传热学知识建立起温度和热量交换的线性关 系，即线性数学模型，该模型是一阶系统，对该系统进行滑模变结构控制设计； 然后再考虑迟延环节，将其线性化，此时的系统变为了一个二阶系统，对二阶模 型进行研究；最后运用滑模变结构控制中有关对带迟延环节系统的研究方法，对 未线性化的模型进行控制器设计。所以，基于滑模变结构控制的温度程序控制包 含了一阶线性、二阶线性和带迟延环节系统的研究。 温度、粘度定值控制部分首先必须了解温度和粘度之间的关系，并根据经验 和部分燃油的粘温眭线图建立起包含两个变量的数学模型，可知这是一种非线性 的模型，首先对该简单的非线性模型进行滑模变结构控制器设计；其次，考虑该 模型是一个带输出方程的模型，所以必须运用针对输出变量的滑模变结构控制方 法来进行分析。那么，在温度和粘度定值控制部分，算法包含了非线性系统的滑 模变结构控制和带输出方程的滑模变结构控制。 1 5 本文的研究背景 当今，随着船舶的日益大型化，主机功率的超大型化和燃油的劣质化，造成 的后果必然是燃烧质量的下降和排放的达不到要求。而且，在世界燃油价格不断 攀升的情况下，船公司为了节约燃油成本，以致船舶所使用的重油品质越来越差， 甚至有不少现代船舶已经开始燃用渣油了。燃油的优劣直接影响燃烧质量，而燃 第1 章绪论 烧质量的好坏，又直接关系到主机的燃烧工况、排放和输出功率，并影响主机的 使用寿命。所以，为了达到节能减排的目的，在燃油处理方面，除了有效的沉淀、 分离、过滤和添加燃油添加剂之外，保证其喷射时的合适粘度是影响燃烧质量和 排放的关键所在。 我国拥有1 8 0 0 0 多公里的海岸线和1 1 0 0 0 0 公里的内河航道，是一个水运资 源非常丰富的国家。2 0 0 9 年底，全国拥有内河、沿海和远洋等水上船舶2 2 4 4 万 艘，净载重量1 3 0 8 7 7 1 万吨。其中，内河运输船舶2 5 2 9 万艘，净载重量8 3 4 9 3 2 万吨。因为燃料在船舶费用中所占的比例很大，有些企业已超过成本6 0 ，所以， 节省能源已成为船舶行业研究的重要课题。特别是在经济危机的形势下，降低成 本己经是当前全世界运输企业迫切需要解决的问题。 目前，我国还有大量的小型内河船舶直接以轻柴油作为燃料，部分江海直达 或沿海、近洋船舶以及远洋的旧船舶有轻柴油重柴油同时使用的燃油供油系 统，大部分远洋新船的主、辅柴油机直接以重油或渣油作燃料。对需要进行轻柴 油重柴油转换的燃油供油系统而言，燃油粘温自动控制系统工作的稳定性、 可靠性显得尤其重要；而众多的以重柴油为燃料油的中大型船舶，有烧1 0 0 0 s 燃 料油的，也有烧1 5 0 0 s 燃料油的，还有烧3 0 0 0 s 燃料油的。其中，烧1 5 0 0 s 燃 料油的船舶较多，这在9 0 年代和2 1 世纪前几年是无法想象的，因为1 5 0 0 s 燃 料油被认为是品质非常差的，价格也相对便宜，很多船公司根本就不屑于使用该 型号燃料油。但是随着燃油的日益紧张，往后烧3 0 0 0s 燃料油的船舶将会越来越 多，而且1 0 0 0 s 、1 5 0 0 s 、3 0 0 0 s 这三种燃料油之间的价格差异将会越来越大。 对于劣质燃油的雾化问题，则要靠控制好燃油的温度和粘度来解决。而且， 当前节约能源己成为船舶行业研究的重要课题，特别是在经济危机的形势下，降 低成本已经是当前全世界运输企业迫切需要解决的问题。所以，解决好劣质燃油 的粘度控制问题对公司节约大量燃油成本和减少船舶排放有十分重大的意义。 1 6 本文的主要工作 从粘温控制系统的研究特点可以看到，本文将对线性和非线性系统进行研究， 主要目标是建立一个控制器的框架，探讨滑模变结构理论在实际的船舶燃油粘温 基于滑模理论的燃油粘温控制系统的研究 控制系统中运用的可行性。 本文的具体研究内容有： 1 、根据众多的远洋、近洋、沿海和内河新、旧实船的调研结果，了解实船 燃油粘温控制系统的工作原理和过程，以及存在的问题。同时设计出合理的控制 系统结构简图( 见第2 章) ； 2 、根据热力学和传热学知识建立起温度和热量交换的线性数学模型，分别对 一阶系统、线性化迟延环节后的二阶系统和保留迟延环节的一阶系统进行滑模变 结构控制器设计并进行m a t l a b s i m u l i n k 软件仿真【4 6 - 5 2 】( 见第3 章) ； 3 、根据经验和部分燃油的粘温曲线图建立起包含两个变量的非线性数学模 型，进行滑模变结构控制器设计和仿真；再考虑输出方程，通过正则变换进行滑 模变结构控制的研究( 见第4 章) ； 4 、对燃油粘温控制系统，进行p l c 硬件系统或单片机系统设计和研究( 见第 5 章) ； 5 、利用燃油粘温控制教学实验装置，进行基于滑模变结构控制算法的实验， 并获得温度、粘度控制的实验数据( 见第6 章) 。 第2 章燃油粘温控制系统设计 第2 章燃油粘温控制系统设计 上个世纪九十年代初，随着发达资本主义国家劳动力成本的增加，我国造船 工业开始兴起，并且于2 0 0 7 年在造船数量方面超过日本，达到了全球第二位的水 平。但是，受国际、国内政治经济等因素的影响，为了大力发展经济，加上船舶 的气体排放法规还未规范和健全，我国的现有运营船舶现状比较特殊。在西方发 达资本主义国家和日本、韩国等造船工业比较发达的国家，因为有中国等发展中 国家帮助消化废旧船舶，所以在旧船舶的报废、处理方面比较规范和及时，而且 船舶的更新和技术的改造非常及时。这样，其机械和控制设备方面的领先技术就 牢牢掌握在这些国家手中，造成了我国这种造船行业自主知识产权远远落后的局 面。 2 1 我国运营船舶燃油粘温控制系统情况 本文在经过实际运营船舶的调研后，对燃油粘温控制系统的情况进行总结。 随着燃油的日益紧张和油价的不断攀升，燃油进行柴油重油、重油劣质 燃油( 渣油) 的替代已被船舶行业公认为是最迫切的事情。而且，2 0 0 8 年全球经 济危机造成了大量的船舶停止运营，最重要的原因是燃油成本过高。哪怕是各国 相继出台了燃油补贴政策，对企业来讲也是杯水车薪，反过来还给国家和地方财 政带来了巨大压力。 我国目前远洋的货船船龄在十年以下的新船比例逐渐上升，而且会逐年升高， 随着各国对海洋环境保护的日益重视以及港口防污染和排放法规的日益严格，旧 船将逐渐退出全球航线的营运。那么，在这些新船里面，有包括两种情况，一种 是新造船，其主推进柴油机和两台辅发电柴油机只是在柴油机长期停车后起动或 者坞修后重新运营才有燃油系统重柴油与轻柴油之间的切换。一般情况下，因为 其停泊时间较短，而且停泊期间，辅柴油机并未停车，所以就直接以重油或劣质 柴油作燃料油。目前，新造的船舶，低速二冲程主柴油机的气缸的润滑是采用注 油器，直接燃烧重油技术已非常成熟；中速的发电辅柴油机气缸的润滑是飞溅润 滑，柴油机厂在对喷油正时、活塞环、缸套材料以及间隙等进行改造和调整后， 基于滑模理论的燃油粘温控制系统的研究 也直接将辅柴油机设计生产成专门燃烧重柴油或劣质燃油的柴油机。当然，由于 船舶运营环境的特殊，辅发电柴油机中还有一台是按只燃烧轻柴油设计和制造的。 另一种是有十年左右船龄的新船，因为其辅柴油发电机都是按照燃烧轻柴油而设 计，所以，船公司试图对其中全天候工作的柴油机的燃油系统进行轻柴油到重油 或劣质燃油的改造，但是当他们发现改造过后的柴油机工作不稳定、冒黑烟、故 障频出和维修维护成本增加，甚至影响到船舶的适航性能后，船公司从长远利益 考虑，干脆对这些辅柴油发电机进行了直接燃烧重油或劣质燃油辅柴油发电机的 更换。正是在这种情况下，我们发现，众多船舶的燃油以单一的3 8 0 s 重油为燃料 油，因为作为日本生产的这种辅柴油发电机来讲，其机械部分本身就是按照燃烧 目前全球储量相对较大，价格相对便宜的3 8 0 s 重油来设计生产的。 至于近洋和沿海船舶，由于部分是发达国家即将淘汰的船舶，加上国内港口 检验相对国外较为宽松，所以二十年船龄的船舶还占有较大的比例。这些船舶， 主推进低速二冲程柴油机在起动、停车、过狭窄水域、风浪海况和进出港等情况 下以轻柴油为燃料油，而进入正常航行后，以重油为燃料油，所以主机存在轻油 到重油的转换，但是这些老船没有燃油粘温自动控制装置。它们是先用轻柴油启 动主机，进入正常航行后，将重油温度加热到一定温度( 如1 3 0 ) ，再手动切换 将轻油转换成重油；同样地，当船舶进港口时，直接将重油切换成轻油。造成这 种局面是因为上世纪七、八十年代造船时，轻柴油并未像现在显得如此紧张，而 且1 0 0 0 s 重油也比较富余，价格相对低廉，重要的是1 0 0 0 s 重油放到现在来讲是品 质较好的柴油，所以对燃烧的粘度等参数的要求并不高，即燃烧性能较好。但是， 随着燃油价格的不断上涨，1 0 0 0 s 重油的逐渐稀缺，把3 0 0 0 s 重油作为这些船舶的 燃料油必定会带来主机故障频出，寿命降低，维修困难等后果。不过，由于我国 内贸高速增长、个体船老板短期最大利润的追求以及近洋和沿海航区对船舶适航 性能的要求相对较低等决定了主机仍然在这种恶劣环境下工作。而对于中速四冲 程柴油发电机而言，则全部是燃烧轻柴油。 还有一类是由海进江的船舶或者在长江上航行的船舶，它们的主机就是中速 柴油机，对这类船舶的监督更加不严格，所以，众多船老板对这类航区的旧船或 第2 章燃油粘温控制系统设计 新造船进行了强制的改造或直接加装国内生产的粘温控制系统。因为这类船舶个 体老板比较多，他们追求以最快的速度回收造船或购买旧船舶的成本，所以，在 造船时就订购了国内简单生产的燃油粘温控制系统或者对旧船直接加装此系统， 然后把原来烧单一轻柴油的主机变为轻重油混烧。此类由我国部分企业自行生产 的设备不仅在工艺上，还在功能上都跟国外有非常大的差距。表现在这种改造， 只是完成了轻柴油到1 5 0 0 s 重油的改造，而且粘温控制设备本身是采用接触器 继电器控制，功能简单、故障率高，还要辅以轮机员的机旁监控和故障应急处理。 至于发电的高速柴油机，则是完全燃烧轻柴油。 在以上我国现役船舶的实船调研和查阅国内外文献资料以及了解国内企业运 营情况的基础上可以得出以下结论：大型低速二冲程和中速四冲程柴油机是可以 进行轻柴油到重油的改造的，但对高速四冲程柴油机而言，国内外无人进行这方 面的研究。因为我国内河航道较多，而且以高速机作为小型船主机的船舶众多， 所以高速机如果也能以重油为燃料，那么其经济和社会意义是非常重大的。目前， 本文认为既然属飞溅润滑的中速机可行，那么从理论上看，高速机燃烧重油是可 行的。燃油在柴油机中是否能正常燃烧取决于燃油的雾化程度和它的十六烷值， 其中最重要的是雾化问题，即要控制好燃油的粘度，粘度控制以外的其它问题可 以通过以下分析解决。 价格低廉、品质较差的3 0 0 0s 重柴油，粘度高、密度大、十六烷值低、残 炭值高，如果直接使用会对燃烧室部件有腐蚀、磨损等作用，同时不解决好其雾 化问题，会出现起动困难、冒黑烟、爆燃、敲缸，引起缸内压力升高和最大爆发 压力急剧上升等现象。对于腐蚀、磨损等问题，可以通过在燃油和气缸油中加入 相应的添加剂解决，燃油添加剂和气缸油添加剂都是国内、国外极其普遍的产品， 现阶段使用的添加剂主要有：f p e 博牌节能王、德联、蒙特等燃油添加剂，嘉实 多、长城、壳牌爱力士等气缸油添加剂。 燃油添加剂具有清洗、分散、润滑、破乳、抗氧、助燃、防腐、防锈和保洁 等功能，不挥发，不易燃，不会形成二次污染，储运安全。且所含有的净化物， 对于已粘附在受热面的油垢、胶质以及燃烧室中的积碳有松化作用，使之容易被 基于滑模理论的燃油粘温控制系统的研究 气流清除，并在燃烧后排出。此类添加剂的活化分子加入油中能使分散剂中的小 分子迅速扩散，并直接攻击油类分子中的长链碳键，从而使燃烧完全，以至引擎 的动力性提高和油耗降低。同时，燃油容易在运输、储存和使用过程中遇水引起 油层乳化，导致在油水界面形成乳化乳渣而使过滤网堵塞，而且油层乳化容易导 致水分带入进气系统及燃烧室中，造成腐蚀和影响发动机的正常运转。因为添加 剂中含有破乳成分，所以燃油中加入添加剂可以防止出现上述不良现象。再者， 抗氧化成分可抑制来自燃料成分中的不安定成分，如烯烃和少许的二烯烃，以确 保柴油机工作正常，避免柴油机金属表面氧化。如果利用高科技配方将燃油中的可 溶解水包容起来，形成“油包水”，则在燃烧时，微乳化的小水粒在高温作用下带 进蒸汽发生“微爆”，使燃烧时火焰传播得更加均匀细腻，且燃气雾化得到充分改 善，从而达到完全燃烧。 为改善润滑油的物理化学性质，还可向润滑油中加入一定量的添加剂，加强 其本身具有的某种性能，以更好地满足需要，这些被称为润滑油物理性能的组分， 包括粘度指数改进剂、油性剂、降凝剂和抗泡剂等，它们能使润滑油分子变形、 吸附和增溶；另一类改善润滑油化学性质的，有挤压抗磨剂、抗氧剂、抗氧化腐 剂、防锈剂和清净分散剂等，它们本身可以与润滑油产生化学反应。如果从机理 分类，可分为以下两类：一是靠界面的物理化学作用来发挥其使用性能，包括耐 载荷添加剂( 油性剂、抗磨剂、挤压剂) 、金属表面钝化剂、防锈防腐剂、洁净分散 剂、降凝剂和抗泡剂等；二是靠润滑油整体性质的作用达到润滑目的，包括抗氧 剂和粘度指数改进剂等。 除此之外，还要对柴油机的燃油喷射系统，如喷油泵的柱塞偶件间隙、喷油 器的针阀偶件升程、喷油定时等参数进行调整。其实现方式主要有柴油机采用v i t 最优喷射机构( 可变喷油定时机构) 和电子喷射柴油机，其中，经过5 年甚至1 0 年 时间，电喷柴油机在船舶上会大规模使用。 综上所述，不管何种机型，燃油供油