CN110469412A - 基于滑模变结构控制的船用柴油机粘温控制系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于滑模变结构控制的船用柴油机粘温控制系统，包括能预加热的轻油柜、能预加热的重油柜、混油柜、滤器、油泵、加热器、粘温控制单元、主机、进油三通调节阀和回油三通调节阀，粘温控制单元包括粘度变送器、温度传感器和控制器，控制器根据粘度变送器上传的粘度信息和温度传感器上传的温度信息调节进油三通调节阀、回油三通调节阀和加热器从而精确控制进入主机的燃油的粘度和温度、保证燃油的雾化和燃烧效果，控制器根据燃油粘温控制系统数学模型对燃油的粘度和温度进行控制，燃油粘温控制系统数学模型是基于滑模变结构控制方法建立的非线性数学模型。可以对粘度和温度进行同时精确控制，保证了燃油的喷射稳定性。

Description

基于滑模变结构控制的船用柴油机粘温控制系统
技术领域
本发明属于船用柴油机领域，具体涉及一种基于滑模变结构控制的船用柴油机粘温控制系统。
背景技术
出于经济性和适用性的考虑，在相当长的一段时间内仍将使用重油作为船舶动力装置的主要燃料，虽然重油的分类非常复杂，但是不管什么类型的重油，常温下粘度很高，难以在船舶燃油供油管路中方便地输送，直接喷入气缸会导致喷油器喷嘴堵塞与结碳，燃烧不充分冒黑烟等不良后果，所以需要将重油加热达到一定的温度，从而达到适合雾化和燃烧的粘度。
目前，粘温控制系统对温度与粘度的控制都是分离的，无法同时实现对重油温度和粘度的定值控制，尤其是大惯性系统温度控制滞后效应明显、控制结果大起大落，因此无法保证燃油的喷射稳定性。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于滑模变结构控制的船用柴油机粘温控制系统，可以对粘度和温度进行同时精确控制，保证了燃油的喷射稳定性。
本发明所采用的技术方案是：
一种基于滑模变结构控制的船用柴油机粘温控制系统，包括能预加热的轻油柜、能预加热的重油柜、混油柜、滤器、油泵、加热器、粘温控制单元、主机、进油三通调节阀和回油三通调节阀，粘温控制单元包括粘度变送器、温度传感器和控制器，混油柜出口端通过管道依次与滤器、油泵、加热器、粘度变送器和温度传感器、主机连接，主机通过循环管连接至混油柜进口端，轻油柜和重油柜分别通过各自带有进油阀的进油管与进油三通调节阀的两端口连接，进油三通调节阀剩下的端口接入循环管，轻油柜和重油柜分别通过各自带有回油阀的回油管与回油三通调节阀的两端口连接，回油三通调节阀剩下的端口接入循环管，控制器根据粘度变送器上传的粘度信息和温度传感器上传的温度信息调节进油三通调节阀、回油三通调节阀和加热器从而精确控制进入主机的燃油的粘度和温度、保证燃油的雾化和燃烧效果，控制器根据燃油粘温控制系统数学模型对燃油的粘度和温度进行控制，燃油粘温控制系统数学模型是基于滑模变结构控制方法建立的非线性数学模型，包含温度状态变量的状态方程和粘度输出变量的输出方程。
进一步地，还包括冲洗油柜，冲洗油柜通过带有进油阀的进油管接入循环管，循环管上冲洗油柜的接入点下游设有冲洗阀。
进一步地，滤器为燃油精细过滤器。
进一步地，油泵与溢流阀组合使用。
燃油粘温控制系统数学模型的建立过程是：
S1、选择控制目标；
主机从起动到正常运行的控制顺序依次为轻柴油的温度程序控制、轻柴油到重油切换的中间温度定值控制、重油的温度程序控制和主机正常运行状态下重油的温度定值或者粘度定值控制，选择主机正常运行状态下重油的温度定值或者粘度定值控制作为控制目标，根据不同型号重油实验测定的粘度-温度关系特性曲线可知，重油粘度与温度存在线性数学关系，因此控制策略为，控制重油的温度在保证燃油的雾化和燃烧效果所需的粘度对应的温度值上，当主机在运行过程中出现扰动，温度和粘度同时偏离给定值时，将温度控制在定值，监测粘度数值保证波动范围不大即可；
S2、建立主机正常运行状态下重油的换热模型；
设带有初温T0的重油以G0流量进入混油柜，同时主机未消耗的重油在T2-T′温度下以G1-G2流量流回混油柜，两种温度的重油混合在一起后形成T1温度的油以G1流量进入加热器，蒸汽以Q流量进入加热器将重油加热，重油以G1流量和T2温度流出加热器并进入主机，主机随其负荷的变化而消耗G2流量的重油，剩余G1-G2流量的重油流回混油柜，T′为主机回油在进入到混油柜前因管路热量损失而造成的温度下降值；
忽略换热器的对外热损失以及蒸汽的含热变化量，可得到数学模型为，
其中，c为重油的比热容，λ为蒸汽的汽化潜热，M1为加热器内重油的质量，M2为混油柜内重油的质量；
T′与重油温度T2和环境温度t0有关，表示为
T′＝0.0667(T2-t0) (2)
S3、建立基于状态观测的粘温系统模型；
对于式(1)的数学模型，设进入加热器的蒸汽流量Q与控制输入电磁调节阀u成比例，比例系数记为k2；主机的燃油消耗量G2在数值上与进入混油柜的重油流量值G0近似相等，与控制输入电磁调节阀u成比例，比例系数记为k1；重油粘度υ与流出加热器的重油温度T2成比例；
结合式(1)和式(2)，得到数学模型为，
其中,a、b分别为系数；
设状态变量x1＝T1，x2＝T2；输出变量y＝υ；则燃油粘温控制系统的状态和输出方程为，
其中，f(x)、g(x)和h(x)均是矢量函数。
进一步地，滑模变结构控制求解采用三种控制策略，常值切换控制、趋近率控制和函数切换控制。
本发明的有益效果是：
滑模控制是一种基于精确数学模型的现代控制方法，其最大的优点是对非线性系统的控制不需要经过线性化的分析过程，而是直接保留被控对象的非线性特征，这就保证了控制效果的良好，控制器结构也是非线性的，随着控制对象的变化而相应调整，保证了控制过程的稳定性和控制器使用的鲁棒性，可以对粘度和温度进行同时精确控制，当对惯性比较大的对象进行温度控制时，实验结果都显示传统的PID控制方法超调量大、动态性能差和调节时间长，而采用滑模变结构控制有调节时间短、动态性能好、稳态误差小和抗干扰能力强等优点。
附图说明
图1是本发明实施例的结构示意图。
图2是本发明实施例中主机正常运行状态下重油的换热流程图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明。
如图1所示，一种基于滑模变结构控制的船用柴油机粘温控制系统，包括能预加热的轻油柜、能预加热的重油柜、混油柜、滤器、油泵、加热器、粘温控制单元、主机、进油三通调节阀和回油三通调节阀，粘温控制单元包括粘度变送器、温度传感器和控制器，混油柜出口端通过管道依次与滤器、油泵、加热器、粘度变送器和温度传感器、主机连接，主机通过循环管连接至混油柜进口端，轻油柜和重油柜分别通过各自带有进油阀的进油管与进油三通调节阀的两端口连接，进油三通调节阀剩下的端口接入循环管，轻油柜和重油柜分别通过各自带有回油阀的回油管与回油三通调节阀的两端口连接，回油三通调节阀剩下的端口接入循环管，控制器根据粘度变送器上传的粘度信息和温度传感器上传的温度信息调节进油三通调节阀、回油三通调节阀和加热器从而精确控制进入主机的燃油的粘度和温度、保证燃油的雾化和燃烧效果，控制器根据燃油粘温控制系统数学模型对燃油的粘度和温度进行控制，燃油粘温控制系统数学模型是基于滑模变结构控制方法建立的非线性数学模型，包含温度状态变量的状态方程和粘度输出变量的输出方程。
滑模控制是一种基于精确数学模型的现代控制方法，其最大的优点是对非线性系统的控制不需要经过线性化的分析过程，而是直接保留被控对象的非线性特征，这就保证了控制效果的良好，控制器结构也是非线性的，随着控制对象的变化而相应调整，保证了控制过程的稳定性和控制器使用的鲁棒性，可以对粘度和温度进行同时精确控制，当对惯性比较大的对象进行温度控制时，实验结果都显示传统的PID控制方法超调量大、动态性能差和调节时间长，而采用滑模变结构控制有调节时间短、动态性能好、稳态误差小和抗干扰能力强等优点。
如图1所示，在本实施例中，该系统还包括冲洗油柜，冲洗油柜通过带有进油阀的进油管接入循环管，循环管上冲洗油柜的接入点下游设有冲洗阀，起到反向冲洗的作用。
在本实施例中，滤器为燃油精细过滤器，油泵与溢流阀组合使用。
燃油粘温控制系统数学模型的建立过程是：
S1、选择控制目标；
主机从起动到正常运行的控制顺序依次为轻柴油的温度程序控制、轻柴油到重油切换的中间温度定值控制、重油的温度程序控制和主机正常运行状态下重油的温度定值或者粘度定值控制，选择主机正常运行状态下重油的温度定值或者粘度定值控制作为控制目标，根据不同型号重油实验测定的粘度-温度关系特性曲线可知，重油粘度与温度存在线性数学关系，因此控制策略为，控制重油的温度在保证燃油的雾化和燃烧效果所需的粘度对应的温度值上，当主机在运行过程中出现扰动，温度和粘度同时偏离给定值时，将温度控制在定值，监测粘度数值保证波动范围不大即可；
S2、建立主机正常运行状态下重油的换热模型；
如图2所示，设带有初温T0的重油以G0流量进入混油柜，同时主机未消耗的重油在T2-T′温度下以G1-G2流量流回混油柜，两种温度的重油混合在一起后形成T1温度的油以G1流量进入加热器，蒸汽以Q流量进入加热器将重油加热，重油以G1流量和T2温度流出加热器并进入主机，主机随其负荷的变化而消耗G2流量的重油，剩余G1-G2流量的重油流回混油柜，T′为主机回油在进入到混油柜前因管路热量损失而造成的温度下降值；
忽略换热器的对外热损失以及蒸汽的含热变化量，可得到数学模型为，
其中，c为重油的比热容，λ为蒸汽的汽化潜热，M1为加热器内重油的质量，M2为混油柜内重油的质量；
T′与重油温度T2和环境温度t0有关，表示为
T′＝0.0667(T2-t0) (2)
S3、建立基于状态观测的粘温系统模型；
对于式(1)的数学模型，设进入加热器的蒸汽流量Q与控制输入电磁调节阀u成比例，比例系数记为k2；主机的燃油消耗量G2在数值上与进入混油柜的重油流量值G0近似相等，与控制输入电磁调节阀u成比例，比例系数记为k1；重油粘度υ与流出加热器的重油温度T2成比例；
结合式(1)和式(2)，得到数学模型为，
其中,a、b分别为系数；
设状态变量x1＝T1，x2＝T2；输出变量y＝υ；则燃油粘温控制系统的状态和输出方程为，
其中，f(x)、g(x)和h(x)均是矢量函数。
滑模变结构控制求解一般采用三种控制策略，常值切换控制、趋近率控制和函数切换控制。
该系统的应用情况如下完成如下：由于大型远洋船舶主机和辅机使用380﹟重油作为船舶动力装置的主要燃料，本粘温控制系统对燃油温度与粘度的控制能使主机辅机定工况时雾化良好，燃烧充分；在改变工作状况条件时，柴油机加车或者减车改变负荷，控制器控制加热装置改变燃油的温度与粘度，使其达标适合柴油机使用；能够实现给出警报并自动保护、手动自动转换。
应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。

Claims (6)

1.一种基于滑模变结构控制的船用柴油机粘温控制系统，其特征在于：包括能预加热的轻油柜、能预加热的重油柜、混油柜、滤器、油泵、加热器、粘温控制单元、主机、进油三通调节阀和回油三通调节阀，粘温控制单元包括粘度变送器、温度传感器和控制器，混油柜出口端通过管道依次与滤器、油泵、加热器、粘度变送器和温度传感器、主机连接，主机通过循环管连接至混油柜进口端，轻油柜和重油柜分别通过各自带有进油阀的进油管与进油三通调节阀的两端口连接，进油三通调节阀剩下的端口接入循环管，轻油柜和重油柜分别通过各自带有回油阀的回油管与回油三通调节阀的两端口连接，回油三通调节阀剩下的端口接入循环管，控制器根据粘度变送器上传的粘度信息和温度传感器上传的温度信息调节进油三通调节阀、回油三通调节阀和加热器从而精确控制进入主机的燃油的粘度和温度、保证燃油的雾化和燃烧效果，控制器根据燃油粘温控制系统数学模型对燃油的粘度和温度进行控制，燃油粘温控制系统数学模型是基于滑模变结构控制方法建立的非线性数学模型，包含温度状态变量的状态方程和粘度输出变量的输出方程。
2.如权利要求1所述的基于滑模变结构控制的船用柴油机粘温控制系统，其特征在于：还包括冲洗油柜，冲洗油柜通过带有进油阀的进油管接入循环管，循环管上冲洗油柜的接入点下游设有冲洗阀。
3.如权利要求1所述的基于滑模变结构控制的船用柴油机粘温控制系统，其特征在于：滤器为燃油精细过滤器。
4.如权利要求1所述的基于滑模变结构控制的船用柴油机粘温控制系统，其特征在于：油泵与溢流阀组合使用。
5.如权利要求1所述的基于滑模变结构控制的船用柴油机粘温控制系统，其特征在于：燃油粘温控制系统数学模型的建立过程是，
S1、选择控制目标；
主机从起动到正常运行的控制顺序依次为轻柴油的温度程序控制、轻柴油到重油切换的中间温度定值控制、重油的温度程序控制和主机正常运行状态下重油的温度定值或者粘度定值控制，选择主机正常运行状态下重油的温度定值或者粘度定值控制作为控制目标，根据不同型号重油实验测定的粘度-温度关系特性曲线可知，重油粘度与温度存在线性数学关系，因此控制策略为，控制重油的温度在保证燃油的雾化和燃烧效果所需的粘度对应的温度值上，当主机在运行过程中出现扰动，温度和粘度同时偏离给定值时，将温度控制在定值，监测粘度数值保证波动范围不大即可；
S2、建立主机正常运行状态下重油的换热模型；
设带有初温T0的重油以G0流量进入混油柜，同时主机未消耗的重油在T2-T′温度下以G1-G2流量流回混油柜，两种温度的重油混合在一起后形成T1温度的油以G1流量进入加热器，蒸汽以Q流量进入加热器将重油加热，重油以G1流量和T2温度流出加热器并进入主机，主机随其负荷的变化而消耗G2流量的重油，剩余G1-G2流量的重油流回混油柜，T′为主机回油在进入到混油柜前因管路热量损失而造成的温度下降值；
忽略换热器的对外热损失以及蒸汽的含热变化量，可得到数学模型为，
其中，c为重油的比热容，λ为蒸汽的汽化潜热，M1为加热器内重油的质量，M2为混油柜内重油的质量；
T′与重油温度T2和环境温度t0有关，表示为
T′＝0.0667(T2-t0) (2)
S3、建立基于状态观测的粘温系统模型；
对于式(1)的数学模型，设进入加热器的蒸汽流量Q与控制输入电磁调节阀u成比例，比例系数记为k2；主机的燃油消耗量G2在数值上与进入混油柜的重油流量值G0近似相等，与控制输入电磁调节阀u成比例，比例系数记为k1；重油粘度υ与流出加热器的重油温度T2成比例；
结合式(1)和式(2)，得到数学模型为，
其中,a、b分别为系数；
设状态变量x1＝T1，x2＝T2；输出变量y＝υ；则燃油粘温控制系统的状态和输出方程为，
其中，f(x)、g(x)和h(x)均是矢量函数。
6.如权利要求5所述的基于滑模变结构控制的船用柴油机粘温控制系统，其特征在于：滑模变结构控制求解采用三种控制策略，常值切换控制、趋近率控制和函数切换控制。
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