（轮机工程专业论文）船舶柴油机冷却水温度智能控制系统研究与设计.pdf

摘要 摘要 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。精确控制冷 却水的温度，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 方面都有着重要的意义。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；如果柴油机冷却水温度过低( 3 0 以下) ，燃气中的酸 根与水结合成酸类物质，使气缸的磨损增加。冷却水温控制的好坏直接影响柴 油机的工作状态。 目前，船舶柴油机冷却系统以中央冷却水系统为主。传统船舶柴油机冷却 水温度控制系统，不能快速、准确、稳定的调节船舶柴油机冷却水的温度，冷 却水的温度经常超调，响应速度慢，温度控制不准确，严重影响了船舶柴油机 的性能和寿命。本文的目的是研究智能冷却水温度控制器，以达到精确调控柴 油机冷却水的温度。 本文首先介绍了船舶柴油机中央冷却水系统的工作原理及其存在的缺点， 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s i n i t h 预估控制、p i d 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l i a t l a b 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 p i d 控制器。 关键词：船舶柴油机，冷却水温度，功率模糊控制信号，一a t i a b 仿真，智能控制 英文摘要 n e s t u d y 孤dd e s 咖o fc o o h g w a t e ri n t e l l i g e n tc 0 n t r o lo f m a r i n ed i e s e le n g i n e a b s t r a c t t h et e m p c r a 眦o f c 0 0 l i n gw a t c r o fm a 血ed i e le n g i l l ei s 柚i l l l p 0 枷r e f c n c c nj s v e r ys i g n i 6 啪tt oc o n 仃o lt h et 锄p e m t u r c0 fc o o l i n gw a t e ra o c u r a t c l y f o r i m p r o v 啦t h cp o w 盯p e 南衄柚c co fd i e s e i 锄g i ，d c c f e 鹤i n gt h e 驭h a u s t i n g 姐d s a v i n gf i l d i ft l l et e m p c m t i l r co fc 0 0 1 i n gw a t e ri sv e r yh i g h ，t h ch i g ht 钿p c 咖c w i l ls p c e d u pt h ea g c i n gs p c c do fl u b r i c a t eo i l ，卸da c c c l 盯a t et h ew e 盯柚dt c a ro f p a n s ；j ft h et 锄p c r a t i i 他i sv e r yl o w ( b c l o w3 0 ) ，t h ea c i dn d i c “i nc o m b u s t i 咖a i r 姐dw a t e f 锄ei i i t on e wa d d ，柚dt l l en e wa c j da l a c c e l e r a t et 量l ec 0 栅p t i 加o f t h ep a r t s s ot h et c m p e m t i l 豫o f o l i l l gw a t e r 缸f b c bt h ep e r f b n n a c co fd i e s d c n 舀n c a tp r c s 锄t ，m o s to fm 痂ed j e lc o o l i n gs y s t e m sa 陀c c n t 陀c o o l i n gs y s t e m ，b u t t h e 删j t i 咖i a lc o o l i n gw a t c rs y s t 锄n ta d j l l s tt h et e m p e r a t u 他f a s t 柚d 扯c l l m t e l y 卸dm er c s p o n s p c c di sv c r ys l a w 1 r h ea g c 柚dp c r f o 咖柚c co fd i e 辩l 锄g i n ea 他 b a d l ye f f c 斌e d t h c a i m0 f t h i s p 印c r i s t o 麟毗ha n e w 咖t r o l m e t h o d i nt h i sp a p e 弓t h et h r yo fm a r i n ec c n t 盯c o o l i n gw a t e rs y s t 伽i si n 仃1 ) d u c e d a o c o r d i n gt ot h cd i s a d v 加t a g co fc c n t e r o l i n gw a t 盯s y s t e m ，i ti n 仃o d u c c s t h e g e n e 唧c o n h o im e t h o d o nt h eb 笛eo f 柚a l y z i n gt h ca d v 卸t a g c 如dd i s a d v 柚t a g co f s m i mc o n t r o l ，p d n 仃0 l 卸df i l 2 习c o n 们lm c t h o d i td c s i 印st l l ei n t c l l i g c n tc o n 咖i m e t h o d 】l r i t l lp 0 啊盯f i l z z yc o n t r o ls i g n a i t h e s u l to fm a t l a bs i n i u l i i l l 【s h o 、憾t h a tt h e i n t c u i g c n tc o m im e t h l o dr 髂p c 咀s 嚣f a 瓯h 笛ah i g h c r n t r o lp r e d s i a n di sb e n 盯 t h a nt h et r a d i t i 仰a lc o n t m lm e t h o d k e yw o r d s ：血ee n g i 眦；t 锄p e m t u no fc e n t e rc 酬i gw a t e rs y s 蛔i ； t h ep o w e r 岫c 蚰t m is i 俨a l ；m a 如bs i m u i i n j ；i n 纠肺g e 毗c o n t r m 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， 撰写成博士硕士学位论文“丛照柴澶担硷垫丞量廑智能揎剑丕缠硒塞皇遮盐”。 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介入或集体 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。 做储签锄螂砷年朋膨日 l 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“大连海事大学研究生学位论文提交、 版权使用管理办法”，同意大连海事大学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。 保密口，在年解密后适用本授权书。 本学位论文属于：保密口 不保密呵( 请在以上方框内打。”) 论文作者 ，产名：删d 锑 船舶柴油机冷却水温度智能控制系统研究与设计 1 1 引言 第1 章绪论 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。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，精确地温度控制会有效 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都有重要的意义1 2 】。 目前，船舶柴油机冷却系统以中央冷却水系统为主1 3 1 。由于冷却水流经一定长 度的管路，需要一定的时问，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特性和非线性特性。传统船舶柴油机冷却水温度控制 系统的p i d 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 节船舶柴油机冷缸套却水的温度，且极易使冷却水的温度超调，严重影响了船舶 柴油机的性能和寿命。因此，研究新型冷却水温度控制系统对于船舶的节能、提 高柴油机的性能和寿命及船舶的可靠性都具有重要的意义。 1 2 关于船舶柴油机冷却水温度控制系统研究的综述 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b2 0 0 2 年，文献 4 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度时效果不太理想；2 0 0 3 年，文献 5 6 提出了“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“惯性较大，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p i d 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m a t l a b 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；2 0 0 4 年文献 7 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 第1 章绪论 p i d 控制引入到缸套冷却水出处温度控制系统中，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p i d 自适应控制比传统的p i d 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。文献 8 针对船舶柴油机冷却水系统的时 滞特性提出了“s m i t h 预估器与p i d ”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。 1 3 本课题研究的重点内容及意义 本课题以现代船舶普遍应用中央冷却水系统为模型，重点研究冷却水温度 控制系统的节能设计、智能控制方法及抗干扰设计。 1 3 1 系统节能设计 系统的节能设计是任何设计都必须考虑的因素，船舶柴油机冷却水温度控制 系统节能设计，对于降低运输成本有重要的意义。本课题将研究设计新的节能方 法，即根据船舶航行的海域海水温度以及柴油机工况的不同，自动调节海水冷却 回路海水泵运行的数量，从而达到变流量冷却，节约能源的目的。 1 3 2 智能控制方法 船舶柴油机冷却水的温度是一复杂的、有时滞特性、非线性的控制对象，从 实际的测量来看，柴油机冷却水温度经常超调。因此，需研究更精确v 响应更快 速的控制方法。本课题重点研究智能控制方法，即将功率模糊控制信号引入冷却 水温度控制系统，复合模糊控制与具有s m i t h 预估器的p i d 控制。力图精确、快 速调节冷却水的温度 1 3 3 抗干扰设计 根据干扰的来源分内部干扰和外部干扰。本课题将合理分布控制电路板的电 容、电感的元件，合理设计电路板结构，降低内部干扰；同时本课题将采取措施 降低控制信号在传输过程中受到的外部干扰，从而提高控制系统的可靠性。 船舶柴油机冷却水温度智能控制系统研究与设计 1 3 4 研究的意义 柴油机冷却水温度控制系统是船舶柴油机自动控制系统的重要组成部分，也 是轮机自动化的重要部分。研究船舶柴油机冷却水温度控制系统，顺应数字化时 代控制系统发展的潮流，对于节约能源、降低运输成本、提高船舶安全性和可靠 性以及促进轮机综合状态监控和故障诊断系统的发展具有重要的意义。 第2 章控制系统总体方案设计 2 1 引言 第2 章控制系统总体方案设计 现代船舶柴油机大多采用中央冷却水系统，本课题也以中央冷却水系统为模 型，重点进行节能设计、智能控制器的软件与数字化控制硬件设计及系统的抗干 扰设计，因此必须熟悉现代船舶柴油机的中央冷却水系统。 2 2 船舶柴油机中央冷却水系统简介 上世纪后期，新造现代化船舶采用了新型柴油机冷却系统，即中央冷却水系 统1 9 l 。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冷却部分 构成，其简化图如图2 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。高温淡水回路的主要作用是冷却柴油机的缸 图2 1 中央冷却水系统简化图 f i g 2 1c c n l c rc n gw a i e rs y s t c m 船舶柴油机冷却水温度智能控制系统研究与设计 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。 低温冷却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，以实时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。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。 2 3 系统总体控制方案设计 2 3 1 系统的控制要求 船舶柴油机冷却水系统具有非线性、 统要实现的控制要求如下： ( 1 ) 精确采集系统中的温度信号、 功率信号，以提高系统的控制精度。 时滞特性，根据实际情况，我们拟定系 压力信号、膨胀水箱液位信号和柴油机 ( 2 ) 采用智能控制算法，控制冷却水温度，以提高系统的响应速度、降低 冷却水系统的温度超调量。 ( 3 ) 实现机舱监控室与智能控制器之间的通讯，便于监控室实时了解智能 控制器的测控情况。 ( 4 ) 根据控制器的控制输出信号，控制器的执行部件能精确调节三通阀门 的开度。 ( 5 ) 控制器能适应机舱的恶劣环境，具有一定的抗干扰能力。 2 3 2 系统控制方案设计 系统由上位机和下位测控平台构成，两者之问用r s 一2 3 2 进行串行通信。其结 构框图如图2 2 所示。 第2 章控制系统总体方案设计 l 笙差蓑亨 a键盘显示 电路 n 刮报警电路 l 温度测量 今 八 接 一三通阀 加 a t 8 9 s 5 l 口 1 1 控制 l 功率测量眵 转 叫 电 换 路 一 海水泵一 l 液位测量p 电 叫控制 路 卜 看门狗 l 压力测量p ， 电路 图2 2 冷却水温度智能控制系统结构简图 f i g2 2s t r i l c t i 】r ed i a g 伯mo f c 0 0 l i n gw a t e ri n t e l l i g 明tc o n 由r o i 2 3 2 1 上位机系统 在w i n d 凹s 环境下可以开发上位机，主要包括界面与下位机的通讯等部分。 本系统的上位机应用程序编程采用面向对象的v b 语言。 2 3 2 2 下位测控平台 下位测控平台是系统的核心，我们将测控平台分成三部分：信号采集部分、 微处理器和控制信号输出部分。 ( 1 ) 信号采集部分如图2 2 所示，在温度测量电路中，本系统采用热电阻p t l 0 0 作为测温传感器，热电阻采用三线制接法接入测量电桥；采用电桥法测量功率信 号，如果船上有功率信号，也可以直接采用；并选择浮子式液位传感器测量膨胀 水箱液位信号。使得系统能够监测水温、压力及膨胀水箱的水位。 采集的模拟信号通过精确a d 转换器a d c 0 8 0 9 转换成数字信号，并传送到微 处理器中，以提高采集信号的精确度。 ( 2 ) 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 a t m e l 公司生产的8 位处理器a t 8 9 s 5 l ，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 船舶柴油机冷却水温度智能控制系统研究与设计 ( 3 ) 本系统采用i n t e l 公司的键盘显示专用处理芯片8 2 7 9 来完成数据的显 示及输入，以减小主处理器的运算量。显示器为4 位l e d 显示器，显示水温范围 为吐1 2 0 o ；采用三相步进电动机精确地控制三通阀门的开度，另外，用x 2 5 0 4 5 构成看门狗电路，使系统在程序跑飞后能够及时复位。 当水温或其他检测对象的实际值超过设定值的上、下限时，为了使操作人员 及时了解情况，设计声光报警电路。 ( 4 ) 系统根据船舶航行海域的水温及柴油机功率情况，自动或手动选择海水 泵运行的台数，通过优化海水回路进入中央冷却器的流量，控制调节低温淡水回 路的水温，以达到节能的目的。虽然初期成本较高些，但从节能的长远利益来看， 此节能设计很有意义。 2 4 本章小结 本章系统地介绍了现代船舶柴油机中央冷却水系统的各组成部分及其工作原 理，并根据实际情况给出船舶中央冷却水系统的要实现的控制要求，最后，论述 了系统的总体设计方案。 第3 章控制系统硬件电路设计 3 1 引言 第3 章控制系统硬件电路设计 船舶柴油机冷却水温度智能控制系统的主要功能是调节冷却水的温度。水温 度的测量与控制在工业中是一常见的课题。随着科技的发展，先进的热电阻传感 器、热敏电阻传感器以及数字温度传感器应运而生，并广泛地应用于控制工程领 域。本章将按照控制系统的输入部分、控制器部分、输出部分，依次介绍各部分 的设计。 3 2 温度测量电路 3 2 1 温度传感器的选择 船舶上测量较低温度的场合通常采用热电阻式温度传感器【埘。热电阻传感器 是利用导体的电阻随温度的变化的特性，对温度和与温度有关的参数进行监测的 装置。其优剧1 1 1 1 1 2 】是： ( 1 ) 测量精度高，因为一些材料如p t ( 铂) 等的电阻温度特性稳定，复现性好； ( 2 ) 有较大的温度测量范围，尤其是在低温测量方面； ( 3 ) 易于使用在自动测量和远距离测量中。 本课题采用热电阻p t l o o 作为测量水温的传感器。由于其具有以下特点： ( 1 ) 有高且稳定的温度系数和大的电阻率，提高了灵敏度和保证测量精度； ( 2 ) 有良好的输出特性，即电阻随温度的变化接近于线性关系； ( 3 ) 在使用范围内，其化学、物理性能保持稳定； ( 4 ) 有良好的工艺性，便于生产，价格便宜。 在o 8 5 0 范围内，p t l 0 0 电阻值随温度变化之问的关烈1 3 】可近似用下式表 示： r t = r o ( 1 + a t + b t 2 )( 3 1 ) 式中r 0 、r t 分别为0 和t 时的电阻值，对于工业中常用的电阻， a = 3 9 0 8 0 2x1 0 。，b = 一5 8 0 2xl o 。 船舶柴油机冷却水温度智能控制系统研究与设计 3 2 2 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f r r l o o 与电桥共同构成测量电路其结构如图3 1 所示。图中热 电阻r t 的三根导线粗细相同，长度相同，阻值都是r ，即r a - r b = r c = 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，导线对热电阻测温毫无影响。 图3 1 温度测量电路 晦3 1a 砌d 诅粤锄0 f t c 甲r c 嘁娜e 电桥测得的电压偏差 i l ；墨堡u 一旦u( 3 2 ) m + 月z 3 甩+ r 4 测温电路选择0 p 2 7 作为放大器。o p 2 7 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，本课题选用的放大器适宜的工作温度范围为一2 5 胡5 ，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，可得运算放大器的增益爿篙。另外， 可通过调节桥臂上的电位器r t 3 使电桥平衡。 对于本课题，设要求测量的温度范围为0 一1 5 0 ，由( 3 1 ) 式得r t = 1 5 7 3 2 q 。当电桥平衡时，由( 3 2 ) 式得，u = 2 7 9 3 7 m v 。因此，当要求放大电路输出 o 一5 v 电压时，其放大倍数为a = 1 7 8 9 7 4 。 3 3 功率信号、液位信号及压力信号的测量 第3 章控制系统硬件电路设计 叫鬯器i 自 u 船舶柴油机冷却水温度智能控制系统研究与设计 处理。本课题采用广泛应用的a d 转换芯片一a d c 0 8 0 9 完成模数转换任务。 3 4 1a d c 0 8 0 9 简介 a d 转换电路a d c 电路有两大类：直接转换型( 通过基准电压与采样一保持电路 的输出信号进行比较，直接转换为数字量) 、问接转换型( 将采样一保持电路输出 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洲”】。本系统主要用于控制，对 测量精度要求不太高，所以使用a d c 0 8 0 9 转换器。 a d c 0 8 0 9 是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1 0 0 s i 坷，转换精度为o 4 。 a t 8 9 s 5 1乒 c l k i m b c m p n om v c c 叩7 d 7 g n d n m 球斧 然，一 p 2 7 0 e e 0 c v _ 丹3 f i g 3 _ 3c 砬u i td i a g 硼o f a dc o n v e n 盯 3 4 2a d 转换接口电路 从图3 3 中可以看到，a d c 0 8 0 9 的启动信号s t a r t 由片选线p 2 7 与写信号w r 的“或非”产生，这要求一条向a d c 0 8 0 9 的写指令来启动转换。模拟通道的地址a 、 b 、c 由7 4 l s 3 7 3 的高三位来提供。a l e 与s t a r t 相连，即按打入的通道地址启动 转换。输出允许信号e 0 由读信号r d 与片选线p 2 7 “或非”产生，即一条a d c 0 8 0 9 的读操作使数据输出。 3 5a t 8 9 s 5 1 简介 第3 章控制系统硬件电路设计 a t 8 9 s 5 1 是a t 8 9 c 5 1 的替代产品，它是a t m e l 公司推出的又一款在线可编程( i s pi n s y s t e mp r o g r 锄e d ) 单片机，通过相应的i s p 软件，用户可以对单片机程序存储 器f 1 a s h 中的代码进行方便的修改。 t 8 9 s 5 1 与a t 8 9 c 5 1 的引脚完全兼容，其技术 参数【1 7 】如下： ( 1 ) 4 i ( b 的系统可编程f 1 a s h 程序存储器，3 级安全保护，1 2 8 b 的内部数据 存储器； ( 2 ) 4 o 5 5 v 的工作电压； ( 3 ) 最高工作频率3 3 删z ； ( 4 ) 3 2 个可编程i o 口； ( 5 ) 2 个1 6 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。 本课题中a t 8 9 s 5 l 是控制电路的核心，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， 输出越限报警及阀门开度调节信号；另外，结合键盘显示专用芯片8 2 7 9 ，实现信 息的输入与显示功能。 3 6 键盘与显示电路 3 6 18 2 7 9 简介 i n t e l 8 2 7 9 是一种通用的可编程的键盘显示器接口器件1 1 8 1 叭，可对6 4 个开 关矩阵组成的键盘进行自动扫描，接收键盘上的输入信息存入内部的f i f 0 缓冲器， 并在有键入时向c p u 请求中断。8 2 7 9 还可与传感器阵列接口8 2 7 9 内部有一个 1 6 8 的显示缓冲器，能对8 位或1 6 位l e d 自动扫描，使显示缓冲器的内容在l e d 上显示出来。 3 6 2 键盘显示接口电路 本课题选用8 2 7 9 为键盘显示的接口电路，目的在于简化系统的软件设计， 提高c p u 的工作效率。接口电路如图3 4 所示，8 2 7 9 外接2 4 键盘和4 位l 印 船舶柴油机冷却水温度智能控制系统研究与设计 f i g 3 4c i r c 血d i a g r 锄o f k e y b o a r d 柚dd i s p i a y 显示器，显示百位、十位、个位即小数点后一位。由3 8 译码器对s l o s l 2 译 出键扫描线，另外通过位驱动器7 4 l s 0 7 接显示器，采用编码扫描方式，即键盘上 的闭合键的识别由专用的硬件电路实现。同时，接口电路采用动态扫描的显示方 式。所谓动态扫描就是指采用分时的方法，轮流控制各个显示器位选信号，使各 个显示器轮流点亮。动态显示方式需要的硬件较少，需要软件来维持，显示程序 停止，显示的内容立即消失。 3 7 串行通信电路 3 7 1 串行通信标准总线 在进行通信串口设计时，主要考虑的问题是接口方法、传输介质及电平转换 等。串行接口的设计主要是确定一种串行标准总线，其次是选择控制及电平转换 芯片。选择串行标准总线和接口芯片的原则有以下几点l 驯： ( 1 ) 可靠性 可靠性是串行通信中最基本的、最重要的指标。串行通信最基本的要求是传 输的数据和指令不允许有误。因此，在通信的各个环节中都必须保证可靠的传输， 其中包括满足各种使用环境要求的接口标准的选择，因为不同的接口总线必须在 特定条件下才能可靠地工作。 第3 章控制系统硬件电路设计 ( 2 ) 通信速度及通信距离 通信速度及通信距离与标准总线的电气特性有关。不同的标准接口总线，其 电气特性不同。所谓电气特性实际上就是在满足可靠传输的前提下，实现最高通 信速度和最远的传输距离所需要的电流和电压。通常这两个指标具有相关性，适 当地降低通信速度，可以提高传输距离。 ( 3 ) 通道的抗干扰能力 一般情况下，如果不超过实用范围，标准接口都具有一定的抗干扰能力，以 保证信息传输的可靠性。但在一些工业控制系统中，由于周围的环境十分恶劣， 因此在选择接口和标准时，需要充分考虑通道的抗干扰能力，以及抗干扰措施的 设计。 3 7 2 串行通信接口电路 本课题在进行控制系统串口通信设计时，充分考了虑船舶的特殊环境：首先， 现代船舶的吨位，体积非常大，应重点考虑下位测控平台与上位机( 机舱集控室) 之间的通信距离；其次，船舶机舱内的电动机、发电机、继电器及大功率半导体 开关器件等电磁设备，造成了严重的电磁干扰。所以应重点考虑通信设备的抗干 扰性能。 根据上述选择串行标准总线和接口芯片的原则，并考虑船舶机舱的特殊性， 本课题选用了r s 一2 3 2 总线标准。单片机串行输入输出都是t t l 电平，它的“1 ” 表示2 4 撕v 电压，“o ”表示o 4 加v 电压，而r s 一2 3 2 一c 使用负逻辑，即逻辑“1 ” 表示一5 1 5 v ，逻辑“0 ”表示+ 5 v 一1 5 v 。单片机与p c 机之间电平不同，因此要想 实现二者之间的通信，则必须外接电路进行电平转换1 2 1 1 。 船舶柴油机冷却水温度智能控制系统研究与设计 = 图3 5 串行通信接口电路 f i g 3 5c i r c u i td i a g r 锄o fs e r i a li n t e r f a c e 系统采用m a x i m 公司的m a x 2 3 2 芯片来完成电平之间的转换，硬件连接如图3 5 所示。m a x 2 3 2 芯片内部有一个电源电压转换器，利用电充电泵原理，可以把输入 的+ 5 v 电压变换为r s 一2 3 2 输出电平所需的一1 0 v + l o v 电压1 2 2 1 ，因此采用m a x 2 3 2 实现通信只需单一5 v 电压即可1 2 3 1 。由于p c 机的串行口多采用简化的9 针插座， 因此本系统也采用了9 针插座。 3 8 看门狗电路 当系统受到干扰时，程序可能会弹飞到一个l 临时构成的死循环中，即使冗余 指令和软件陷阱也无能为力，为此，本课题采用美国x i c o r 公司生产的 e e p r o m x 2 5 0 4 5 ，设计看门狗电路，使系统在出现程序弹飞情况后能够及时恢复正 常。 x 2 5 0 4 5 集多种功能于一体，它把微处理器外围器件最基本的三种功能：看门 狗定时器、复位控制和e e p r 伽集成在一个8 引脚封装的c m o s 器件内，将电源监 控和看门狗功能与高速、三线、非易失性存储器组合在一起，从而很大程度上降 低了系统成本对电路板空间的要求。另外，看门狗定时器对微处理器提供了独立 的保护系统，一旦出现故障，在己设定的超时之后，r e s e t 做出响应，其性能价格 比较高i 川。其与单片机的接口电路如图3 6 所示，该电路能够实现上电复位、手 动复位及在程序跑飞时使系统及时复位。 第3 章控制系统硬件电路设计 图3 6 看门狗电路 f i g 3 6c i r c u i td i a g r 硼o f t c h d o g 3 9 三通阀门控制电路设计 3 9 1 步进电动机的特点 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， 本课题选择三相步进电动机控制三通阀门的开度。 步进电动机是工业过程控制及仪表中的主要元件之一。特别是在数字控制系 统中，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【2 5 l 是： ( 1 ) 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”间使步进电 动机起动和停止。一般步进电动机的步进速率为2 0 l 0 0 0 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，而且仍然不会失掉一步。 ( 2 ) 控制精度高 在没有齿轮滑动的情况下，步值( 即每步所转动的角度) 可由每步9 0 。低到 每步只有0 3 6 。，而且它们都能精确地返回到原来的位置上。 3 9 2 步进电动机控制电路 调节三通阀门开度的步进电动机控制电路如图3 7 所示，a t 8 9 s 5 l 的p 1 3 、 船舶柴油机冷却水温度智能控制系统研究与设计 图3 7 步进电动机控制电路 龟3 7 蚴d i a 舯m o f s l c p c c 岫d p 1 4 、p 1 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p 1 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。 本课题选用的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。如表3 1 所示。 表3 1 三相单三拍 t a b 3 1t h r e ep h a s ea n ds i g n a lt h r e es t e p 3 1 0 报警电路 第3 章控制系统硬件电路设计 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3 8 所示，由单片机、反向器、发光二极管及蜂呜器组成，当单片机的p 2 5 管角的电 平发生变化时，无极性电容放电，三极管导通，l e d 发光，同时蜂鸣器鸣响，外接 的继电器动作，接通机舱2 4 v 报警器。 一 3细_ 、l n w 。厂1 石 s h k r 、： ：玛& 骚1 入丁 一 l ，弋 7 u j 。 p 一纠 弋 l 一【 l = 图鸲报警电路 眄弘d i a 毋口d w n 吨 3 ”海水泵控制电路初步设计 设计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，n 0 1 及n 0 2 海水泵为单速，n 0 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闭。交流量冷却可以达到节能的目的。海 水泵台数控制电路如图3 9 所示，按键s 6 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p 2 2 、p 2 3 、p 2 4 管角输出信号经光电隔离后，接入海水泵控制箱。 船舶柴油机冷却水温度智能控制系统研究与设计 图3 9 海水泵台数控制电路 晦3 9q 嘀血8 9 r a mo f 跏l 盯p 岫甲西珊i o l 三个管角的电平变化形成4 种组合，控制n o 1 、n o 2 、n o 3 三台海水泵。控制信 号与海水泵运行台数对应表，如表3 2 所示。s 1 、s 2 、s 3 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。 表3 2 海水泵控制表 t a b 3 2c o n t r o lo fs e 硼a t e rp u 叩 p 2 2 、p 2 3 、p 2 4海水泵运 管角电平行状态 o o o 无海水泵运行 0 0 l n 0 1 运行 o l l n 0 1 + n o 2 运行 1 1 1 n 0 1 + n o 2 + n o 3 运行 第3 章控制系统硬件电路设计 3 1 2 系统硬件抗干扰设计 系统要求单片机正常、良好地工作，因此，必须对单片机系统进行抗干扰设 计。要解决单片机抗干扰措施，必须先找出干扰源，然后采用单片机软、硬件技 术来解决l 卅【篮冽。 干扰源主要有自外部电源干扰、内部电源干扰、印制电路板上电子器件间干 扰、周围电磁场干扰以及通过i o 口输入的外部干扰等。 3 1 2 1 电路设计抗干扰【刈 ( 1 ) 选择质地优良，性能良好，经过严格测试和老化处理的元器件。逻辑器 件的空闲输入端不能悬空，要接地。 ( 2 ) 在进行p c b 设计时，模拟电路和数字电路要分开，电源线和地线尽量加 粗，采用网状地线或环绕地线，使电源线、地线的走向和数据传递的方向一致。 ( 3 ) 采用r c 电路来吸收印制板中继电器、按钮等元件的放电电流。 ( 4 ) 布线时用圆角代替9 0 。折线，以减少高频噪音，并在电路板上i c 元件 旁接入旁路电容，同时使用较短的旁通电容引线，且仅需要旁通芯片的k 和g n d 端，以消除高频干扰。 3 1 2 2 屏蔽与隔离技术 ( 1 ) 把控制电路置于金属壳中，并将金属壳接地，防止空间的辐射干扰，有 效地削弱外来电磁场的影响。 ( 2 ) 把信号电缆和各种电源线分别串入钢管中，可以有效地防止电磁干扰。 使用双绞线降低测控系统中的共模干扰，并将信号线与回路线互绞，利用其问电 流流向相反，线间相互垂直，用最小耦合原理将噪声干扰减小至最小。 ( 3 ) 使用光电隔离技术使测控电路与电动机驱动电路彼此独立，防止大电流 感性负载工作的驱动电路产生的干扰信号及电网负载突变产生的干扰信号通过线 路直接影响测控电路的正常工作 船舶柴油机冷却水温度智能控制系统研究与设计 3 1 3 本章小结 本章详细地介绍了以a t 8 9 s 5 1 为控制核心的船舶柴油机冷却水温度智能控制 器的温度等信号采集电路、串行通信电路、键盘与显示电路、步进电动机控制电 路、看门狗电路以及海水泵控制电路的设计过程，并介绍了各电路相关芯片的特 点、具体参数、接口电路注意事项等，同时详细论述了系统的硬件抗干扰措施。 第4 章控制系统原理研究 4 1 引言 第4 章控制系统原理研究 在现实世界中，很多系统，如本课题的冷却水温度控制系统，具有高度非线 性、时变、干扰、强藕合、时滞等特征。p i d 控制是迄今为止应用最广泛的一种控 制算法，在工业过程控制中占9 0 以上，因为这种控制方法原理简单、通用性强、 控制效果也很理想，但是在时滞系统中的控制效果不理想；1 9 5 7 年，o j s m i t h 提出了一种预估补偿控制一s m i t h 预估控制，其可以预测未来的系统偏差，对系统 的输出进行提前校正。这种超前校正作用，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，所以其应用也受到了限制；而模糊控制方法 不需要精确的数学模型，并己成功地应用于具有非线性、时滞特性的系统中。 4 2p i d 控制原理 p i d 控制器是一种比例、积分、微分并联控制器，是一种基于过去、现在、将 来信息估计的简单控制算法。一般模拟p i d 仪表是有源校正装置，采用连续p i d 控制方式；而数字p i d 控制器是用计算机实现的，采用数字p i d 控制方式【3 1 1 。p i d 控制是迄今为止应用最广泛的一种控制算法，各种温度控制器中的绝大部分所使 用的控制规律都未能离开p i d ，这充分说明p i d 控制仍具有很强的生命力【埘。 4 2 1 模拟p i d 调节器 模拟p i d 调节器是一种线性调节器，是通过硬件来实现p i d 调节规律。这种 调节器是将设定值r 与实际输出值y 进行比较，构成控制偏差e ( t ) ，并将其比例、 积分、微分通过线性组合构成控制量u ，如图4 1 所示。其传递函数为 d o ) - 印( 1 + 圭+ ) ( 4 1 ) 啪l 蜘h 扣m + n 掣卜 z ， 岛一比例系数 船舶柴油机冷却水温度智能控制系统研究与设计 乃一积分时间 乃一微分时间 图4 1 模拟p f d 控制系统 f i g 4 ，1d i a g 旧mo fa n a i o gp i dc o n t r o is y s 塘m 在实际的应用中可以根据对象的特性和控制要求，改变控制器的结构，取其 中的一部分环节构成控制规律。p i d 控制器个各环节的控制作用如下： ( 1 ) 比例环节 比例调节能加速系统的响应速度。比例调节器对于偏差e 是即时反应的。偏 差一旦出现，调节器立即产生控制作用，使被控制量朝着减小偏差的方向变化， 控制作用的强弱取决于比例系数岛。比例系数局越大，则过渡过程越短，控制结 果的静态偏差也越小；但如果局过大，容易产生振荡。另外，对于具有自平衡性 的控制对象存在静差，因此比例系数局的选择必须适当。 ( 2 ) 积分环节 积分调节能够消除系统的静差。只要存在偏差，则它将通过累计作用影响控 制量输出，并且通过系统的负反馈作用减小偏差，直至偏差为零 积分时间乃对积分部分的作用影响极大。在比例系数不变的情况下，当乃较 小时，将使系统的稳定性降低，震荡加剧，调节过程加快，震荡频率升高。 ( 3 ) 微分环节 积分调节可以消除系统静差，但代价是降低了响应速度。为了加快调节的速 度，有必要在偏差出现或变化的瞬间，不但对偏差量做出及时反映( 比例调节的 作用) ，而且对偏差量变化作出反应，或者说按偏差变化的趋势进行控制，这就是 微分调节的作用。 微分调节增加了系统的阻尼，有助于降低超调量，克服震荡。微分作用的强 第4 章控制系统原理研究 弱由微分时间而决定。乃越大，则它抑制偏差e ( t ) 变化的作用越强；如越小， 它抑制偏差e ( t ) 变化的作用越弱。 4 2 2 数字p l d 调节器 自从计算机进入控制领域以来，用计算机实现的p i d 调节算法，极大地促进 了工业控制技术的发展，为工业控制提供了极大的便利。 4 2 2 1 位置式数字p i d 算法 由于计算机控制是采样控制，它只能根据采样时刻的偏差计算控制量，因此 用计算机程序实现p i d 控制算法，必须将p i d 调节器离散化，用其差分方程代替 微分方程。 若选采样时间周期为t ，初始时刻为零，式( 4 2 ) 中各项用其采样值近似表 示为 f 五，f 一1 ，2 ，3 ， 积分用累加和近似 严灿荟耵玎荟。 微分方程用一阶后向差分近似 击矗一日一l 击 r 可得式( 4 2 ) 的离散化表达式 球a ，i 印( e o ，+ 昙蹇。+ 等c 凸一日一o ) c a s ， 式( 4 3 ) 即为计算机上实现p i d 算法的算式。 数字p i d 控制算法通常分为位置式p i d 控制算法和增量式p i d 控制算法【3 3 l 。 式( 4 3 ) 的输出量是控制全量，即控制量输出对应于执行机构应到达的位置( 如 阀门的开度) ，称为位置式p i d 算法。 4 2 2 2 增量式数字p i d 算法 船舶柴油机冷却水温度智能控制系统研究与设计 当执行机构需要的是控制量的增量( 如驱动步进电动机) 时，应