硕士论文-船舶柴油机冷却水温度智能控制系统研究与设计.doc

大连海事大学硕士学位论文船舶柴油机冷却水温度智能控制系统研究与设计姓名：李海峰申请学位级别：硕士专业：轮机工程导教师：赵殿礼20071101The Study and Design of Cooling Water Intelligent Control of Marine Diesel EngineThe temperature of cooling water of marine diesel engine is an important reference. It is very significant to control the temperature of cooling water accurately. For improving the power performance of diesel engine, decreasing the exhausting and saving fiiel. If the temperature of cooling water is very high the high temperature will speedup the ageing speed of lubricate oil and accelerate the wear and tear of parts; if the temperature is very low (below 30。C)，the acid radical in combustion air and water come into new acid , and the new acid also accelerate the corruption of the parts. So the temperature of cooling water affects the performance of diesel engine.At present , most of marine diesel cooling systems are centre cooling system，but the traditional cooling water system can not adjust the temperature fast and accurately and the response speed is very slow. The age and performance of diesel engine are badly effected. The aim of this paper is to research a new control method.In this paper，the theory of marine center cooling water system is introduced. According to the disadvantage of center cooling water system, it introduces the generrf control method. On the base of analyzing the advantage and disadvantage of Smith control, PID control and fuzzy control method, it designs the intelligent control method with power fuzzy control signal, the result of Matlab Simulink shows that the intelligent control method responses fast, has a higher control precision and is better than the traditional control method.Key Words： Marine Engine； Temperature of Center Cooling Water System; The Power Fuzzy Control Signal; Matlab Simulink; Intelligent Control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“船舶柴油机冷却水温度智能控制系统研究与设计”。 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。论文作者签名JU年月/日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,在年解密后适用本授权书。本学位论文属于：保密口不保密(请在以上方框内打“V” )论文作者签名导师签名第1章绪论1.1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。船舶柴油机冷 却水系统对柴油机缸套的合理冷却，将减轻紅套的磨损，精确地温度控制会有效 地控制柴油机SE套的低温腐烛、高温腐烛并减小热应力1|。保持柴油机冷却水温度 在最佳的温度范围内，对于提髙柴油机的动力性、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12丨。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 节船舶柴油机冷紅套却水的温度，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关干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JV 2002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；2003年，文献5 6提出了“主 机紅套冷却水出口温度控制方法”及“基于功率的紅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，紅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”作为反映紅套冷却水热负荷扰动信号的前馈控制，以减小紅 套冷却水出口温度的动态偏差，并利用Matab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控制系统总体方案设计PID控制引入到赶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。文献8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。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 回路海水菜运行的数量，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、-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Smith预估器的PID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。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 引言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。柴油机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虹套流出，经髙 温淡水冷却器、三通阅门、髙温淡水泵后流入柴油机紅套。在柴油机虹套冷却水 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，实时监测紅套冷 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紅I0商温淡水冷illlg 滑油冷却器低温淡水栗 Q中央冷却#空气冷却器 瓶外海水 H2.1中央冷却水系统简化图 .2.1 Center Cooling Water System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栗流出后经中央冷却器、三通阔、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系从弦外引 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、时滞特性，根据实际情况，我们拟定系 统要实现的控制要求如下：(1) 精确采集系统中的温度信号、压力信号、膨胀水箱液位信号和柴油机 功率信号，以提高系统的控制精度。(2) 釆用智能控制算法，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谓量。(3) 实现机船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阔门 的开度。(5) 控制器能适应机轮的恶劣环境，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，两者之间用i?S-232进行串行通信。其结 构框图如图2.2所示。第3章控制系统硬件电路设计机枪监控室 (上位机）接 PAT89S51功率测j4看门狗V液位测j压力测j 图2.2冷却水温度智能控制系统结构简图 Fig 2.2 Structure Diagram of Cooling Water Intelligent Control2. 3. 2.1上位机系统在Windows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VB语言。信号釆集部分、2. 3. 2. 2下位測控平台下位测控平台是系统的核心，我们将测控平台分成二 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PTIOO 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。使得系统能够监測水温、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ADC0809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 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、 淡水栗的控制等。(3) 本系统采用Intel公司的键盘显示专用处理芯片8279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LED显示器，显示水温范围 为0-120.(rC;采用三相步进电动机精确地控制三通阔门的开度，另外，用X25045 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 栗运行的台数，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。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温度測量电路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11。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測的 装置。其优点是：(1) 测量精度高，因为一些材料如PT(柏）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PT100作为测量水温的传感器。由于其具有以下特点-(1) 有商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085(rC范围内，PT100电阻值随温度变化之间的关系II3】可近似用下式表示：Rt=RO (1+At+Bt)(3.1)式中RO、Rt分别为OC和tie时的电阻值，对于工业中常用的电阻， A=3.90802 X lOVC, B=-5. 802 x ICTXT。-U-U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FTIOO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Rt的三根导线粗细相同，长度相同，阻值都是r，即Ra=Rb二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，导线对热电阻测温毫无影响。.1温度测量电路 Fig, 3.1 Circuit Diagram of Tenpereture Measure电桥测得的电ffi偏差RT3(3.2)RI+RT3测温电路选择OP27作为放大器。OP27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-25*C85 1C,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R4 另外,-VR4将电桥等效成差分放大电路，可得运算放大器的增益 可通过调节桥臂上的电位器RT3使电桥平衡。对于本课题，设要求测量的温度范围为0-150C， 0。当电桥平衡时，由（3.2)式得，Au=27.937inV。 05V电压时，其放大倍数为A=178.974.3. 3功率信号、液位信号及压力信号的测量(3.1)式得 Rt=157.32 当要求放大电路输出3. 3.1功率信号的測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|iI。测得的功率信号直接或经过放大处理送至A/D转换器。3.3. 2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。本课题选用浮子式液位传感器。其结构如图 3. 2所示，它由浮筒、弹簧和差动变压器组成。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电压信号。液位信号的放大电路与测温电路相同，这里不再赞述。0差动变压器图3.2浮子式液位传感器 Fig. 3.2 Bobbor hydraulic position sensor3.3.3压力信号的測量本课题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温度传感器，这里不再赞述其结构。3.4 A/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。本课题采用广泛应用的A/D转换芯片-ADC0809完成模数转换任务。3.4.1 ADC0809 简介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151。本系统主要用于控制，对 测量精度要求不太高，所以使用ADC0809转换器。ADC0809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100卢SlI，转换精度为0. 4C。Fig. 3.3 Circuit Diagram of A/D Converter3.4.2 A/D转换接口电路从图3.3中可以看到，ADC0809的启动信号START由片选线P2. 7与写信号/WR 的“或非产生，这要求一条向ADC0809的写指令来启动转换。模拟通道的地址A、 B、C由74LS373的高三位来提供。ALE与START相连，即按打入的通道地址启动 转换。输出允许信号E0由读信号/RD与片选线P2. 7 “或非”产生，即一条ADC0809 的读操作使数据输出。AT89S51 简介AT89S51是AT89C51的替代产品，它是ATMEL公司推出的又一款在线可编程(ISP In System Programmed)单片机，通过相应的ISP软件，用户可以对单片机程序存储 器Hash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fiq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) 4.05.5V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。本课题中AT89S51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，同时处理釆集的信号，实现智能控制算法， 输出越限报警及阔门开度调节信号；另外，结合键盘显示专用芯片8279，实现信 息的输入与显示功能3. 6键盘与显示电路 3.6.1 8279 简介Intel8279是一种通用的可编程的键盘/显示器接口器件li8Hi9l，可对64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FIFO缓冲器， 并在有键入时向CPU请求中断。8279还可与传感器阵列接口，8279内部有一个 16X8的显示缓冲器，能对8位或16位LED自动扫描，使显示缓冲器的内容在LED 上显示出来。3. 6. 2键盘/显示接口电路本课题选用8279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CPU的工作效率，接口电路如图3.4所示，8279外接2X4键盘和4位LED74LS3737V 138SL2 74LS07II nmIXIn键盘与显示接口电路Fig. 3.4 Circuit Diagram of Keyboard and Display显示器，显示百位、十位、个位即小数点后一位。由38译码器对SLO- 出键扫描线，另外通过位驱动器74LS07接显示器，采用编码扫描方式， 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 (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。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（机躲集控室 之间的通信距离；其次，船舶机船内的电动机、发电机、继电器及大功率半导体 开关器件等电磁设备，造成了严重的电磁千扰。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，并考虑船舶机船的特殊性， 本课题选用了 RS-232总线标准。单片机串行输入输出都是TTL电平，它的“1” 表示2.4-5V电压，“0”表示0.4-0V电压，而RS-232-C使用负逻辑，即逻辑“1” 表示-515V,逻辑“0”表示+5VW+15V。单片机与PC机之间电平不同， 实现二者之间的通信，则必须外接电路进行电平转换-14-第3章控制系统硬件电路设计U14a+ a-C5br-ifeC2+a-.MAX2J2TUN TIOUTR20Ur Fig, 3, 5 Circuit系统釆用MAXIM公司的MAX232芯片来完成电平之间的转换，硬件连接如图3. 5 所示。MAX232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+5V电压变换为RS-232输出电平所需的-10V+丨0V电压丨罚，因此釆用MAX232 实现通信只需单一 5V电压即可10。由于PC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临时构成的死循环中，即使冗余 指令和软件陷讲也无能为力，为此，本课题采用美国Xicor公司生产的 EEPR0M-X25045,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。InterfaceX25045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EEPROM集成在一个8引脚封装的QdOS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，在已设定的超时之后，RESET做出响应，其性能价格 比较高124】。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，图3Fig. 3.6 Circuit9三通阀门控制电路设计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，長三相步进电动机控制三通陶门的开度。 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2001000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 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。3.9.2步进电动机控制电路调节三通阔门开度的步进电动机控制电路如图3. 7所示，AT89S51的PL 3、控制系统硬件电路设计。梦SmUMNUNI JlZ： Jw图3.7步进电动机控制电路 T 17 OFCid Diagrain of Step MoCor CentralPI. 4、PI. 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.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： ABCA。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。正转04H表3.1三相单三拍 Tab. 3.1 Three Phase and Signal Three Step控制模型通电相 二进制 十六进制0000 0001B 01H0000 0010B0000 0100B报警电路由控制板报警电路和机船报警电路两部分组成。报警电路如图 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. 平发生变化时，无极性电容放电，三极管导通，LED发光，同时蜂鸣器鸣响， 的继电器动作，接通机船24V报警器。3.11海水栗控制电路初步设计设计海水栗控制电路的目的是“实现冷却海水流量控制（通过控制主海水果 的工作台数及运转速度）”。海水菜共有三台,NO. 1及NO. 2海水栗为单速，NO. 3 海水菜为双速。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 水栗台数控制电路如图3.9所示，按键S6是海水菜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。-14-船舶柴油机冷却水温度智能控制系统研究ij设计vcch ili rLSMNa*74LSWN水果手动制4N2S水荣手动控制开关J本:yiKwxH 本:aij图3.9海水菜台数控制电路 13.9 Qroit Diaam of &aate Punp CbntiotJ三个管角的电平变化形成4种组合，控制NO. 1、NO. 2、NO. 3三台海水泵控制信 号与海水栗运行台数对应表，如表3. 2所示。S1、S2, S3为海水栗手动控制键， 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。P2.2、P2.3、K：.4 海水菜运管角电平行状态000 无海水录运行001 NO. 1 运行011N0._.2运行111NO. 1 +N0.2+N0. 3 运行Tab.表3.2海水亲控制表 .2 Control of Seawater Pump控制系统硬件电路设计3.12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，然后釆用单片机软、硬件技 术来解决in气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。3.12.1电路设计抗干扰IM】(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PCB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RC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90折线，以减少高频噪音，并在电路板上IC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和GND 端，以消除高频干扰。3.12. 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，防止空间的辖射干扰，有 效地削弱外来电磁场的影响，(2) 把信号电级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，利用其间电 流流向相反，线间相互垂直，用最小锅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。-14-船舶柴油机冷却水温度智能控制系统研究与设计本章详细地介绍了以AT89S51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栗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。PID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90%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；1957年，O.J.Smith 提出了一种预估补偿控制一Smith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，并已成功地应用于具有非线性、时滞特性的系统中。4.2 PID控制原理PID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PID仪表是有源校正装置，采用连续PID 控制方式；而数字PID控制器是用计算机实现的，采用数字PID控制方式P11。PID 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PID，这充分说明PID控制仍具有很强的生命力4. 2.1模拟PID调节器模拟PID调节器是一种线性调节器，是通过硬件来实现PID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(4.2)D(s)Kp(li- + Tas)(4.1)e(t) + feit)d,uiOKp/S比例系数77积分时间 7b微分时间1fiJjS+图4.1模拟PID控制系统 Fig. 4.1 Diagram of Analog PID Control System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。PID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逨度。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A。比例系数*越大，则过渡过程越短，控制结 果的静态偏差也越小；但如果Ap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7对积分部分的作用影响极大。在比例系数不变的情况下，当TV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。-25-控制系统原理研究微分调节增加了系统的阻尼，有助于降低超调量，克服震荡。微分作用的强弱由微分时间7b决定。Ti越大，则它抑制偏差e(t)变化的作用越强；7b越小， 它抑制偏差e(t)变化的作用越弱。4.2.2数字PID调节器自从计算机进入控制领域以来，用计算机实现的PID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PID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PID控制算法，必须将PID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积分用累加和近ti微分方程用一阶后向差分近似d.- Kp可得式（4.2)的离散化表达式(4.3)式（4.3)即为计算机上实现PID算法的算式数字PID控制箅法通常分为位置式PID控制算法和增量式PID控制算法t331。 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 阔门的开度)，称为位置式PID算法4.2.2. 2增量式数字PID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，应采用增量式 PID算法。增量式PID算法，在有控制脉冲动作，无脉冲时停止在当前位置，只需 知道下一时刻相对于上一时刻的增加量即可。由式（4.3)可得控制器输出的相邻 两次采样时刻所计算的位置值之差，即-33- KpJ- v以 /Ui-Kp e; + (ei T iA TD.、 整理可得 TD, (ft - 2ei i) + Kiei + KD(ei-2ei-Au； = Kp、ei -式（4.4)中Kp比例系数Ki积分系数，K.-KP-TiKp微分系数，因此，増量式PID算式只需保持三个时刻的偏差值即可， 4. 2. 2. 3增量式PID与位置式PID算法的比较在实际应用中，要根据执行机构的特点、被控制对象的特性选择PID算法。 例如，如果执行机构（如电液伺服部件）不带积分部件，应来用位置式；如执行 机构带有积分部件，如步进电动机或用步进电动机驱动闽门等，应采用增量式算 法PH1。增量式算法与位置式算法的比较如下：(1) 增量式算法输出的确定仅与最近几次偏差采样值有关，计算误差对控制 量的计算较小。而位置式算法当前的控制量与过去的状态有关，要计算过去偏差 的累计值，易产生较大的累计误差。&Ui = Kp(4.4)(2) 增量式算法输出的是控制量的增量，例如在阔门的控制中，阀门的下一时刻相对于上一时刻的开度变化量。(3)采用增量式算法，手动到自动的切换冲击量小，便于实现无扰动切换。4.3 Smith预估补偿算法大多数工业对象具有较大的纯滞后特性，例如本课题的船舶柴油机中央冷却 水系统，冷却后的冷却水要流经长度为L的路程才能回到热源进行再次冷却，这 就造成水温的变化要滞后一段时间t, t丄，V为冷却水的流速。控制对象的纯滞V后特性会使控制作用滞后，导致被控制对象超调和震荡.4,3.1 Smith补偿原理当对象的纯滞后时间t与对象的特性时间常数之比大于等于0.5时，系统为大 时滞系统，采用常规PID控制方法控制效果很差。Smith补偿原理是在原调节器上并接一补偿环节Gi(s)，yo9Ci(s)-(7(5X1称为预估器系统的结构如图4.2所示。PID1U Ke-调节器1l + La被控对象 Go(s)1 + T补偿环节 帥）广义对象图4.2 Smith预估器原理 Fig. 4.2 Schematic of Smith Predictor补偿环节与被控制对象共同构成广义对象，其传递函数 (4.6)G(s),l+TpsGp(s)井接了 Smith预估器的PID控制器在调解时，没有滞后特性带来的影响，控 制效果也很理想。控制对象传递函数605)-_*6-(?,(5)6- 上述系统在未并 接Smith预估器之前，其闭环传递函数为D(_(4.7)l + D(s)G“s)e-为PID调节器传递函数，并接Smith预估器后，系统的闭环传递函数为(4.8)l+D(s)Gp 上式表明，对象纯滞后部分在闭环回路之外。纯滞后补偿相当于将控制过 程在时间坐标上推移了一个时间t,因此在设计调节器时不考虑纯滞后部分的4. 4模糊控制4.4.1模糊控制的发展1965年，美国加利福尼亚大学著名教授L A. Zadeh在其发表的著名论文Fuzzy Set中，首次提出用“隶属函数”的概念来描述事物模糊性的模糊性理论集合理 论，奠定了模糊数学的基础。1974年，英国伦敦大学教授E.H.Mamdani首先把模 糊集合理论成功的应用在锅炉和蒸汽机的控制中在自动控制领域中首幵模糊 控制在实际工程上应用之先河。在之后的30多年中，许多学者对模糊控制方法及 理论进行了大量的研究，出现了自组织1、自学习型P、神经网络自学型11、参 数自整定模糊控制器【吣】以及具有较小反馈增益的分散模糊控制器模糊数学的 应用得到了长足的犮展，在英国、丹麦、荷兰、R本等国，人们先后对不同的复 杂控制对象进行了不同程度的模糊控制，均取得了较好的效果11。4.4.2模糊控制原理模糊控制是以模糊集合论、模糊语言变量及模糊逻辑推理为基础的计算机智 能控制