船舶柴油机汽缸冷却器水温度自动控制系统的研究与实现.doc

　摘　要: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,在该系统引入史密斯补偿的数字 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,实现了对象的控制关键词:DSP　柴油机　冷却水系统　温度控制　史密斯预估器 　PID 控制　滞后特性 文章来自：吴云凯Abstract:In order to mi plementautomatic controlofmarine engine compartmen,t an automatic coolingwatercontrolsystemwithDSP as the con-trolkernel for jacketofmarine dieselengine hasbeen designed, and other correspondinghardware is selected in accordancewith the requirementsof the system. The temperature of the coolingwater for jacket is an mi portant thermal parameter formonitoring normal operation of the engine,while it features tmi e-lag characteristic. Having been introduced digitalPID controlwith Smith compensation, the big overshoot and oscillationcaused by tmi e-lag because of the slow change of temperature are elmi inated; thus on-line control of the object can be mi plemented.Keywords:DSP　Diesel engine　Coolingwater system　Temperature control　Smith predictor　PID control　Tmi e-lag characteristic 0　引言目前,船舶主柴油机大都采用中央冷却水系统[1],汽缸套和汽缸盖几乎都是采用淡水冷却。

把冷却水温度控制在给定值或给定值附近,这对柴油机安全性、可靠性和经济运转都是十分重要的[2-3]冷却水温度控制的方法是通过一个三通调节阀将从主机流出的冷却水分为2路:① 通过冷却器,经海水冷却使其温度降低; ②不经冷却器,直接与经过冷却器冷却后的淡水混合,然后进入柴油机对其进行冷却改变三通阀开度即改变了两路水流量的对比,从而可调节冷却水的温度[4]由于水温是一个缓变的物理量, 所以系统具有滞后特性这种纯滞后特性常常容易引起系统大超调量和振荡,严重影响系统的控制性能和稳定性实际使用中要求这种系统没有超调量或很少超调量,仅用传统的 PID 算法,效果欠佳本研究以船舶柴油机冷却系统为研究对象,以 DSP 作为控制核心,采用史密斯预估算法对具有纯滞后特性的对象进行控制,能获得比 PID 算法更好的效果1　史密斯预估控制技术1. 1　控制原理史密斯预估算法常用于对大时间延迟系统进行补偿由于该算法中需有一个时间延迟元件,且模拟装置难以实现史密斯预估,这使该算法的应用受到限制带史密斯预估器的控制系统可以方便地实现纯滞后补偿[5],其控制示意图如图1所示图1中:D (s) 为控制器 ,一般采用 PID 控制;Gp(s)e-τs 为被控对象的传递函数;Gp(s)为没有纯滞后特性;e-τs 为纯滞后环节;τ 为纯滞后时间。

设计史密斯预估器为 Gp(s)(1-e-τs)经补偿后的系统闭环传递函数为:Φ(s)=D(s)Gp(s)1+D(s)Gp(s)e-τs(1)式(1) 表明, e-τs 在经补偿后的闭环控制回路之外由拉普拉斯变换的位移定理可知 ,e-τs仅将控制过程推迟了时间 τ,控制系统的过渡过程及其他性能指标 ,与对象特性为 Gp(s)时的情况完全相同,消除了纯滞后特性对控制系统的影响1. 2　史密斯预估器的实现　　在一般的模拟控制电路中,控制器的控制规律是由模拟硬件电路实现的,要改变控制规律就要改变硬件电路而在 DSP 控制系统中,控制规律是用软件实现的计算机执行预定的控制程序,就能实现对被控参数的控制因此,要改变控制规律,只要改变控制程序即可,这就使冷却水温度控制系统的设计更加方便论文下载由图1的控制系统可知,纯滞后补偿的数字控制器由数字 PID 控制器和史密斯预估器构成计算机纯滞后补偿控制系统如图2所示在实际应用中,温度控制系统具有相似的数学模型[3],Gp(s)为一阶惯性环节,具有纯滞后特性的被控对象传递函数为:Gc(s)=Kfe-τs/(1+Tfs) (2)式中:Kf 为被控对象的放大系数 ;Tf 为缸套冷却器时间常数;τ 为冷却器纯滞后时间。

若采样周期为 T,并设 τ=NT,预估器的传递函数为 Gp(s)(1-e-τs),则预估器的输出 yτ(k)为:yτ(k)=αyτ(k-1)+β[u(k-1)-u(k-N-1)](3)式中:α=e-T/Tf;β=Kf[1-e-T/Tf]由上述分析可知,必须先计算传递函数 Gp(s)的输出 m(k)后,才能计算预估器的输出:yτ(k)=m(k)-m(k-N)(4)根据前面介绍的设计过程,可得史密斯补偿的数字 PID 控制器输出为:U(k)=u(k-1)+Hp[eτ(k)-eτ(k-1)]+Kieτ(k)+Kd[eτ(k)-2eτ(k-1)+eτ(k-2)]eτ(k)=e(k)-yτ(k)=r(k)-y(k)-yτ(k)yτ(k)=m(k)-m(k-N)(5)式中:Kp 为 PID 控制的比例系数;Ki=KpT/Ti 为积分系数;Kd=KpTd/T 为微分系数式(5)是计算机软件2. 1　检测与转换元件检测元件为系统的控制精度提供基本的保障,在控制系统中具有十分重要的作用在选用检测元件时,通常须考虑两个主要因素:①检测元件的测量范围,在这个系统中,缸套冷却水温度的工作范围为0~100℃,采用铜丝或铂丝的热电阻可以满足要求;② 检测元件的精度指标,如误差、线性度、重复性等,其中以误差参数量最为重要。

在这个系统中,为减小测量误差,在实际测量电路中往往把“两线制”接法转换为“ 三线制”。