CN102999064B - 自适应船用补水热阱温度控制系统及其实现方法 - Google Patents

Abstract

一种自适应船用补水热阱温度控制系统，涉及船用热阱温度控制领域，包括温度调节阀、操作显示单元、水位传感器、温度传感器，所述温度调节阀、操作显示单元、水位传感器共同连接一个控制单元，操作显示单元还分别与温度调节阀和温度传感器相连；操作显示单元远程操控温度调节阀手动或自动操作，操作显示单元将温度传感器采集的数据发送至控制单元；控制单元接收水位传感器采集的信号以及温度调节阀的阀位反馈信号，并将计算得出的控制信号发送至温度调节阀。本发明包括多种控制模式，具有对温度传感器、水位传感器、调节阀执行器等故障的自动识别功能，针对不同控制模式具有温度控制策略自动适应能力；提高补水热阱温度控制系统的稳定性。

Description

自适应船用补水热阱温度控制系统及其实现方法

技术领域

本发明涉及船用热阱温度控制领域，具体来讲是一种自适应船用补水热阱温度控制系统及其实现方法。

背景技术

船用补水热阱的作用是将冷凝器多余的凝水储存起来，当船用锅炉给水需求量较大时，将补水热阱中的凝水输送到冷凝器中，满足凝给水系统的需求。补水热阱内凝水温度直接影响冷凝器的凝水过冷度控制，将补水热阱的温度控制在设定范围内，则有助于冷凝器的凝水过冷度控制。

为了满足船用补水热阱温度控制要求，主要控制方法是通过在补水热阱中引入乏汽，加热补水热阱凝水温度，从而将补水热阱温度控制在规定范围内。由于船用补水热阱的容积较大，使得补水热阱温度控制系统成为了一个大惯性纯滞后系统，目前针对这种大惯性纯滞后系统的控制方案主要有两种：一是采用大林控制算法，二是采用史密斯控制算法。虽然这两种控制方法对于纯滞后系统有较好的控制效果，但是却要求知晓被控对象的精确数学模型。

通常船用补水热阱采用折中的方法，即，确定一个被控对象模型，在该模型基础上设计纯滞后控制器。缺点是由于船用补水热阱水位随着船舶航行工况的变化而变化，补水热阱温度控制对象模型是经常变化的，因此控制效果不是很理想。此外，船用补水热阱控制系统也缺乏对于传感器、调节阀故障情况下的自适应能力，在出现故障情况下，只能对控制系统解除自动，排除故障后才能继续运行，降低了补水热阱控制系统的工作效率，也影响到冷凝器过程控制系统的控制效果。

发明内容

针对现有技术中存在的缺陷，本发明的目的在于提供一种自适应船用补水热阱温度控制系统及其实现方法，具有补水热阱温度纯滞后系统的控制功能，包括多种控制模式；具有对温度传感器、水位传感器、调节阀执行器等故障的自动识别功能，针对不同控制模式具有补水热阱温度控制策略自动适应能力；提高了补水热阱温度控制系统的稳定性，也有利于冷凝器过程控制系统控制效果。

为达到以上目的，本发明设计一种自适应船用补水热阱温度控制系统，包括温度调节阀、操作显示单元、水位传感器、温度传感器，所述温度调节阀、操作显示单元、水位传感器共同连接一个控制单元，操作显示单元还分别与温度调节阀和温度传感器相连；操作显示单元远程操控温度调节阀手动或自动操作，操作显示单元将温度传感器采集的数据发送至控制单元；控制单元接收水位传感器采集的信号以及温度调节阀的阀位反馈信号，并将计算得出的控制信号发送至温度调节阀。

在上述技术方案的基础上，所述控制单元包括采集单元、控制显示单元、分析单元、模式选择单元、数据计算单元和输出单元，温度调节阀、操作显示单元和水位传感器均与采集单元连接，采集单元分别接收来自操作显示单元、温度调节阀和水位传感器传来的信号，控制显示单元连接采集单元，并显示采集单元接收的信号，分析单元接收采集单元传出的信号并分析，将分析结果发送至模式选择单元，模式选择单元选择合适的控制模式并发送至数据计算单元，数据计算单元根据所选控制模式计算控制量，并将其转换为电信号输出至输出单元，输出单元与温度调节阀相连，并驱动温度调节阀。

在上述技术方案的基础上，所述操作显示单元包括操作单元和温度显示单元，温度显示单元与所述温度传感器相连，并显示温度参数；操作单元分别连接所述控制单元的采集单元以及温度调节阀，并将温度调节阀的手动或自动操作信号以及温度传感器采集的数据发送至采集单元。

在上述技术方案的基础上，所述温度调节阀包括遥控单元、驱动单元和阀位反馈单元，遥控单元连接操作显示单元中的操作单元，接收操作单元发来的远程手动或自动操作信号；阀位反馈单元连接控制单元的采集单元，发送阀位反馈信号至采集单元；驱动单元连接控制单元的输出单元，接收输出单元发出的控制驱动信号。

在上述技术方案的基础上，所述船用补水热阱温度控制系统中的信号，除所述手动或自动操作信号采用触点方式外，其余均采用标准4mA-20mA电流信号。

本发明还设计一种自适应船用补水热阱温度控制系统的实现方法，包括如下步骤：S1.整个系统上电并初始化，设置各种变量和接口，控制单元对其接收到的各种信号进行采集，并将所述信号显示出来；S2.控制单元判断当前温度调节阀的调节方式是否为自动，若否，进入S3；若是，进入S4；S3.操作显示单元对温度调节阀进行远程手动操作，进入S2；S4.控制单元依次判断温度传感器和水位传感器是否发生故障，且当前一个判断没有故障时，才进入下一个判断；若温度传感器发生故障，进入S5；若水位传感器发生故障，进入S6；若温度传感器、水位传感器都没有发生故障，进入S7；S5.控制单元采用温度控制输出锁定控制模式，将发生故障前的正常控制输出值作为控制律，并维持不变，并将得到的数据转换为控制信号，同时产生报警信号，进入S9；S6.控制单元采用定被控对象温度控制模式，在1/2满水位条件下，采用温度调节阀阀位反馈通道到热阱温度通道的传递函数，计算出纯滞后控制系统的控制律，并将得到的数据转换为控制信号，同时产生报警信号，进入S8；S7.控制单元采用变被控对象温度控制模式，根据采集到的水位信号实时推算出当前温度调节阀阀位反馈通道到热阱温度通道的传递函数，通过该传递函数计算出纯滞后控制系统的控制律，进入S8；S8.控制单元判断温度调节阀是否发生故障，若是，进入S5；若否，对阀位控制开度进行计算，并将得到的数据转换为控制信号，进入S9；S9.控制单元将所述控制信号发送至温度控制阀，进入S2。

在上述技术方案的基础上，所述控制单元包括分析单元，用以判断温度传感器是否发生故障、水位传感器是否发生故障、温度调节阀是否发生故障。

在上述技术方案的基础上，所述控制单元包括模式选择单元，其内部包含数据库，所述温度控制输出锁定控制模式、定被控对象温度控制模式、变被控对象温度控制模式均预先设置并存储于该数据库中。

在上述技术方案的基础上，所述控制单元包括数据计算单元和输出单元，纯滞后热阱温度控制系统的控制律、阀位控制开度均由数据计算单元计算并转换为电信号后，由输出单元发送至温度调节阀。

在上述技术方案的基础上，所述温度调节阀包括遥控单元、阀位反馈单元和驱动单元，遥控单元接收操作显示单元的信号，控制单元发送的信号由驱动单元接收，阀位反馈单元将反馈信号发送至控制单元。

本发明的有益效果在于：

1.能够对温度传感器故障进行自动适应，当温度传感器故障时，对控制输出进行锁定，保证了补水热阱控制系统的正常运行。

2.能够对水位传感器故障进行自动适应。当水位传感器故障时，能够切换控制模式为定被控对象温度控制模式，将变工况条件下补水热阱控制系统的扰动降低到最小。

3.该船用补水热阱控制系统正常运行时，能够根据水位自动计算出被控对象的传递函数数学模型，并根据此模型实时计算出相应的温度滞后系统控制律，使得在大范围变工况条件下，船用补水热阱控制系统仍然具有很强的自适应能力。

4.能够对温度调节阀故障进行自动适应，当调节阀发生故障后，控制系统能够立即锁定控制输出，保证补水热阱控制系统的安全。

附图说明

图1为本发明实施例自适应船用补水热阱温度控制系统的结构信号流向图；

图2为图1中自适应船用补水热阱温度控制系统的详细信号流向图；

图3为本发明自适应船用补水热阱温度控制系统的实现方法流程图。

附图标记：

温度调节阀1，遥控单元11，驱动单元12，阀位反馈单元13；

操作显示单元2，操作单元21，温度显示单元22；

控制单元3，采集单元31，控制显示单元32，分析单元33，模式选择单元34，数据计算单元35，输出单元36；

水位传感器4；

温度传感器5。

具体实施方式

以下结合附图及实施例对本发明作进一步详细说明。

如图1所示，本发明自适应船用补水热阱温度控制系统包括温度调节阀1、操作显示单元2、控制单元3、水位传感器4和温度传感器5；温度调节阀1、操作显示单元2、水位传感器4共同连接控制单元3，操作显示单元2还分别与温度调节阀1和温度传感器4相连。操作显示单元2远程操控温度调节阀1手动或自动操作，操作显示单元2还将温度传感器5采集的数据发送至控制单元3；控制单元3接收水位传感器4采集的信号以及温度调节阀1的阀位反馈信号，并将计算得出的控制信号发送至温度调节阀1。

如图1和图2所示，所述控制单元3包括采集单元31、控制显示单元32，分析单元33，模式选择单元34，数据计算单元35，输出单元36；温度调节阀1、操作显示单元2和水位传感器4均与采集单元31连接，采集单元31分别接收来自操作显示单元2、温度调节阀1和水位传感器4传来的信号；控制显示单元32连接采集单元31，并显示采集单元31接收的信号；分析单元33接收采集单元31传出的信号并分析，将分析结果发送至模式选择单元34；模式选择单元34选择合适的控制模式并发送至数据计算单元35，数据计算单元35根据所选控制模式计算控制量，并将其转换为电信号输出至输出单元36，输出单元36与温度调节阀1相连，并驱动温度调节阀1。

所述操作显示单元2包括操作单元21和温度显示单元22，温度调节阀1包括遥控单元11、驱动单元12和阀位反馈单元13。温度显示单元22与所述温度传感器5相连，并显示温度参数；操作单元21分别连接控制单元3的采集单元31以及温度调节阀1的遥控单元11，遥控单元11接收操作单元21发来的远程手动或自动操作信号，同时，操作单元21将手动或自动操作信号以及温度传感器5采集的数据发送至采集单元31。阀位反馈单元13连接控制单元3的采集单元31，发送阀位反馈信号至采集单元31；驱动单元12连接控制单元3的输出单元36，接收输出单元36发出的控制驱动信号，完成温度调节阀1的控制驱动。

上述自适应船用补水热阱温度控制系统中的信号，除手动或自动操作信号采用触点方式外，其余均采用标准4mA-20mA电流信号。

如图1至图3所示，本发明的自适应船用补水热阱温度控制系统的实现方法，包括如下步骤：

S1.整个系统上电并初始化，设置各种变量和接口，控制单元3对其接收到的各种信号进行采集，并将所述信号显示出来。本实施例中，初始化包括控制单元3的参数初始化、温度调节阀1的供电初始化、水位传感器4的供电初始化和温度传感器5的供电初始化。控制单元3中的采集单元31进行信号采集，分别采集阀位反馈单元13传来的阀位反馈信号、操作单元21传来的操作信号、温度显示单元22传来的温度信号、以及水位传感器4传来的水位信号。控制单元3通过其控制显示单元32将上述各种信号显示出来。

S2.控制单元3的采集单元31判断当前温度调节阀1的调节方式是否为自动，若否，进入S3；若是，进入S4。

S3.操作显示单元2通过操作单元21对温度调节阀1进行远程手动操作，进入S2。

S4.控制单元3通过分析单元33判断故障，依次判断温度传感器5和水位传感器4是否发生故障，且当前一个判断没有故障时，才进入下一个判断；若温度传感器5发生故障，进入S5；若水位传感器4发生故障，进入S6；若温度传感器5、水位传感器4都没有发生故障，进入S7。

S5.控制单元3通过其内部的模式选择单元34采用温度控制输出锁定控制模式，将发生故障前的正常控制输出值作为控制律，并维持不变，并将得到的数据转换为控制信号，同时产生报警信号，进入S9。

S6.控制单元3通过其内部的模式选择单元34，采用定被控对象温度控制模式，在1/2满水位条件下，数据计算单元35推算出温度调节阀1阀位反馈通道到热阱温度通道的传递函数，通过该传递函数计算纯滞后控制系统的控制律，并将得到的数据转换为控制信号，同时产生报警信号，进入S8。

S7.控制单元3通过其内部的模式选择单元34，采用变被控对象温度控制模式，数据计算单元35根据采集单元31采集到的水位信号，实时推算出当前温度调节阀1阀位反馈通道到热阱温度通道的传递函数，通过该传递函数计算纯滞后控制系统的控制律，进入S8。

S8.控制单元3的分析单元33，通过采集单元31中的阀位反馈信号，判断温度调节阀1是否发生故障，若是，进入S5；若否，对阀位控制开度进行计算，并将得到的数据转换为控制信号，进入S9。

 S9.输出单元36将接收到的所述控制信号发送至温度控制阀1的驱动单元12，转入S2。

另外，上述模式选择单元34，其内部包含数据库，所述温度控制输出锁定控制模式、定被控对象温度控制模式、变被控对象温度控制模式均预先设置并存储于该数据库中。上述步骤由自适应船用补水热阱温度控制系统上电开始启动，并循环，直至自适应船用补水热阱温度控制系统断电关闭。

下面通过一个具体实施例对本发明做进一步的说明。

如图1至图3所示，本发明自适应船用补水热阱温度控制系统运行时，首先进行参数初始化操作，采集单元船用给水系统运行，进行参数初始化后，采集单元31采集到了热阱水位信号、热阱温度信号、温度调节阀1反馈信号以及手动自动操作信号，并确定此时补水热阱温度控制系统没有任何故障。补水热阱温度控制系统选择补水热阱温度做为被控量，采用变被控对象温度控制模式，通过补水热阱水位计算出被控对象的传递函数，并计算出纯滞后系统的控制律，此时补水热阱温度控制系统工作正常，控制系统参数稳定。

此时若发现温度调节阀1没有投自动，则对该阀采用遥控操作方式进行手动操作控制。当控制单元3中的分析单元33检测到温度传感器5故障后，模式选择单元34将根据此故障，选择温度控制输出锁定控制模式，以适应该故障。当控制单元3中的分析单元33检测到水位传感器4故障后，模式选择单元34将根据此故障，选择定被控对象温度控制模式，以适应该故障，通过将默认水位设定为1/2满水位，使得在该故障条件下，补水热阱温度控制系统仍然能够继续工作。当控制单元3中的分析单元33检测到温度调节阀1故障后，模式选择单元34将根据此故障，选择温度控制输出锁定控制模式，以适应该故障。

综上所述，本发明自适应船用补水热阱温度控制系统及其实现方法，对补水热阱温度、水位传感器故障以及温度调节阀故障均有比较好的自适应能力，能够最大限度保持船用补水热阱温度控制系统的正常工作。本发明不局限于上述实施方式，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本发明的保护范围之内。本说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。

Claims (10)

1.一种自适应船用补水热阱温度控制系统，包括温度调节阀、操作显示单元、水位传感器、温度传感器，其特征在于：所述温度调节阀、操作显示单元、水位传感器共同连接一个控制单元，操作显示单元还分别与温度调节阀和温度传感器相连；操作显示单元远程操控温度调节阀手动或自动操作，操作显示单元将温度传感器采集的数据发送至控制单元；控制单元接收水位传感器采集的信号以及温度调节阀的阀位反馈信号，并将计算得出的控制信号发送至温度调节阀。

2.如权利要求1所述的自适应船用补水热阱温度控制系统，其特征在于：所述控制单元包括采集单元、控制显示单元、分析单元、模式选择单元、数据计算单元和输出单元，温度调节阀、操作显示单元和水位传感器均与采集单元连接，采集单元分别接收来自操作显示单元、温度调节阀和水位传感器传来的信号，控制显示单元连接采集单元，并显示采集单元接收的信号，分析单元接收采集单元传出的信号并分析，将分析结果发送至模式选择单元，模式选择单元选择合适的控制模式并发送至数据计算单元，数据计算单元根据所选控制模式计算控制量，并将其转换为电信号输出至输出单元，输出单元与温度调节阀相连，并驱动温度调节阀。

3.如权利要求2所述的自适应船用补水热阱温度控制系统，其特征在于：所述操作显示单元包括操作单元和温度显示单元，温度显示单元与所述温度传感器相连，并显示温度参数；操作单元分别连接所述控制单元的采集单元以及温度调节阀，并将温度调节阀的手动或自动操作信号以及温度传感器采集的数据发送至采集单元。

4.如权利要求3所述的自适应船用补水热阱温度控制系统，其特征在于：所述温度调节阀包括遥控单元、驱动单元和阀位反馈单元，遥控单元连接操作显示单元中的操作单元，接收操作单元发来的远程手动或自动操作信号；阀位反馈单元连接控制单元的采集单元，发送阀位反馈信号至采集单元；驱动单元连接控制单元的输出单元，接收输出单元发出的控制驱动信号。

5.如权利要求1至4中任一所述的自适应船用补水热阱温度控制系统，其特征在于：所述船用补水热阱温度控制系统中的信号，除所述手动或自动操作信号采用触点方式外，其余均采用标准4mA-20mA电流信号。

6.一种基于权利要求1中自适应船用补水热阱温度控制系统的实现方法，其特征在于，包括如下步骤：

S1.整个系统上电并初始化，设置各种变量和接口，控制单元对其接收到的各种信号进行采集，并将所述信号显示出来；

S2.控制单元判断当前温度调节阀的调节方式是否为自动，若否，进入S3；若是，进入S4；

S3.操作显示单元对温度调节阀进行远程手动操作，进入S2；

S4.控制单元依次判断温度传感器和水位传感器是否发生故障，且当前一个判断没有故障时，才进入下一个判断；若温度传感器发生故障，进入S5；若水位传感器发生故障，进入S6；若温度传感器、水位传感器都没有发生故障，进入S7；

S5.控制单元采用温度控制输出锁定控制模式，将发生故障前的正常控制输出值作为控制律，并维持不变，并将得到的数据转换为控制信号，同时产生报警信号，进入S9；

S6.控制单元采用定被控对象温度控制模式，在1/2满水位条件下，采用温度调节阀阀位反馈通道到热阱温度通道的传递函数，计算出纯滞后控制系统的控制律，并将得到的数据转换为控制信号，同时产生报警信号，进入S8；

S7.控制单元采用变被控对象温度控制模式，根据采集到的水位信号实时推算出当前温度调节阀阀位反馈通道到热阱温度通道的传递函数，通过该传递函数计算出纯滞后控制系统的控制律，进入S8；

S8.控制单元判断温度调节阀是否发生故障，若是，进入S5；若否，对阀位控制开度进行计算，并将得到的数据转换为控制信号，进入S9；

S9.控制单元将所述控制信号发送至温度控制阀，进入S2。

7.如权利要求6所述的自适应船用补水热阱温度控制系统的实现方法，其特征在于：所述控制单元包括分析单元，用以判断温度传感器是否发生故障、水位传感器是否发生故障、温度调节阀是否发生故障。

8.如权利要求6所述的自适应船用补水热阱温度控制系统的实现方法，其特征在于：所述控制单元包括模式选择单元，其内部包含数据库，所述温度控制输出锁定控制模式、定被控对象温度控制模式、变被控对象温度控制模式均预先设置并存储于该数据库中。

9.如权利要求6所述的自适应船用补水热阱温度控制系统的实现方法，其特征在于：所述控制单元包括数据计算单元和输出单元，纯滞后热阱温度控制系统的控制律、阀位控制开度均由数据计算单元计算并转换为电信号后，由输出单元发送至温度调节阀。

10.如权利要求6至9中任一所述的自适应船用补水热阱温度控制系统的实现方法，其特征在于：所述温度调节阀包括遥控单元、阀位反馈单元和驱动单元，遥控单元接收操作显示单元的信号，控制单元发送的信号由驱动单元接收，阀位反馈单元将反馈信号发送至控制单元。