CN111752148A - 一种应用于船舶废气利用系统的自适应控制器及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种应用于船舶废气利用系统的自适应控制器，包括模拟量单元和PLC控制系统；模拟量单元连接PLC控制系统的输入端，用于采集船舶主机输出功率、航行速度和主轴转矩信号；PLC控制系统的输出端连接气体分配器和海水分配器，将输出功率信号与设定功率作差得到主机输出功率误差和主机输出功率误差变化率，再基于模糊PID控制算法对PID控制参数进行自适应调整，使气体分配器调节进气量，海水分配器调节进水量，将微气泡发生器喷出流体的含气率调节至设定值。本发明利用模糊PID控制算法，将船舶主机产生的废气和舷外海水通过微气泡发生器实现综合利用，实时监测主机输出功率，利用模糊算法调节PID精确控制气‑液两相流的含气率。

Description

一种应用于船舶废气利用系统的自适应控制器及方法

技术领域

本发明涉及船舶废气利用技术领域，具体涉及一种应用于船舶废气利用系统的自适应控制器及方法。

背景技术

随着全球经济的高速发展及其对化石能源过度的依赖，航运行业迎来了全新的挑战，船舶行业的相关人员正在积极寻找更经济更绿色的方式来使整个行业可持续发展，目前船舶行业所采取的方式有以下几种：①对船舶柴油机的改良；②对船体结构的改进；③对船舶内部各种可循环系统的优化。在发展高性能船舶的今天，船舶减阻技术成为行业热议的话题，因其可以适当的降低能耗，且可以提高船舶通行的速度，具有重要的研究价值。

船舶气幕减阻技术是在船舶底部喷射微气泡，用微气泡将船底与水分离，将船与水的接触转变为与微气泡和水的混合液的接触，而微气泡可以有效减小固体壁面与其他介质之间的摩擦阻力，因而必定大大降低船舶前进中的阻力，达到提高航速或航速不变减少主机功率的节能目的。已有研究表明，在形状阻力较小的浅吃水船上应用微气泡减阻节能技术，可实现更好的节能效果。在航运业成本不断提高的今天，这项技术必定可以减少能耗，达到节能高效的作用。

传统微气泡减阻技术通常设置气舱用于提供气体，舱室的增加势必会对船舶设计建造增加困难。在面对复杂海况时，会对船舶的稳性造成影响。有鉴于此，本发明提出一套应用于船舶废气利用减阻系统的自适应控制器。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于针对上述现有技术存在的不足，提供一种应用于船舶废气利用系统的自适应控制器及方法，它根据船舶需要以及外界环境变化及时调整减阻系统的工作状态，提高船舶减阻率。

本发明为解决上述提出的技术问题所采用的技术方案为：

一种应用于船舶废气利用系统的自适应控制器，用于对船舶废气利用系统的微气泡发生器喷出流体的含气率进行自适应调节；所述自适应控制器包括模拟量单元和PLC控制系统；

所述模拟量单元连接PLC控制系统的输入端，模拟量单元用于采集船舶主机输出功率、航行速度和主轴转矩信号，并将采集到的信号发送给所述PLC控制系统；

所述PLC控制系统的输出端连接船舶废气利用系统的气体分配器和海水分配器；PLC控制系统包括处理单元和模糊PID控制单元；所述处理单元用于将接收到的船舶主机输出功率信号与船舶主机设定功率作差得到主机输出功率误差(Et)，并根据主机输出功率误差(Et)得到主机输出功率误差变化率(ECt)；所述模糊PID控制单元根据主机输出功率误差(Et)和主机输出功率误差变化率(ECt)，基于模糊PID控制算法对PID控制参数进行自适应调整，使气体分配器调节进气量，海水分配器调节进水量，进而将微气泡发生器喷出流体的含气率调节至设定值。

上述方案中，所述船舶主机设定功率是根据船舶设计规范及以往航行记录设定每一航速下的船舶主机输出功率。

上述方案中，所述自适应控制器还包括人机界面，所述人机界面用于显示系统和用户之间的交互信息、报警以及手动/自动控制模式的切换。

上述方案中，所述船舶废气利用系统包括微气泡发生器、气路管系和液路管系；

所述微气泡发生器包括外壳以及同轴设置于所述外壳内的气体流道，所述外壳上端密封、下端开口；所述气体流道为直径上端小、下端大的渐扩中空结构，其上端设有进气口、下端密封，并在横截面直径最大处环绕开设有排气孔；所述外壳与气体流道之间的空间形成液体流道，所述液体流道呈先渐缩，后渐扩的形状，液体流道上端设有进水口；

所述气路管系包括依次相连的高压气瓶、低压气瓶、气体分配器，所述高压气瓶与船舶主机废气锅炉相连，所述气体分配器与所述微气泡发生器的气体流道进气口相连；所述高压气瓶与低压气瓶之间设有减压模块，所述低压气瓶与气体分配器之间设有流量控制模块；

所述液路管系包括海水分配器，所述海水分配器与所述微气泡发生器的液体流道进水口相连，所述液路管系的液体来自于舷外海水。

相应地，本发明还提出一种应用于船舶废气利用系统的自适应控制方法，包括以下步骤：

S1、获取船舶主机输出功率信号；

S2、将船舶主机输出功率与船舶主机设定功率作差得到输出功率差Et，并根据输出功率差Et得到输出功率变化率Ect；

S3、根据输出功率差Et和输出功率变化率Ect，基于模糊PID控制算法，对PID控制参数进行自适应调整，使气体分配器调节进气量，海水分配器调节进水量，进而将微气泡发生器喷出流体的含气率调节至设定值。

本发明的有益效果在于：

1)本发明基于PLC控制器，利用模糊PID控制算法，将船舶主机产生的废气和舷外海水通过微气泡发生器实现综合利用，实时监测主机输出功率，利用模糊算法调节PID精确控制气-液两相流的含气率，实现模式的自动切换及精准控制含气率、监控报警的功能。

2)在控制气-液两相流的含气率系统中存在较大的滞后性和非线性等问题，所以系统采用模糊自适应的控制算法，通过传感器的实时采集数据传送至PLC中对PID的在线调节，从而完成实时控制，保证控制系统具有良好的自适应能力，并实现人机交互，高效利用能源的同时方便现场管理。

3)由主机输出功率传感器、船舶航行速度采集的模拟量输入PLC控制器，得出实时工况下最佳的微气泡含气率，实时控制气体分配器前控制阀的开度，从而实现船舶高效减阻，充分实现船舶废气综合利用。

附图说明

下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：

图1是船舶废气利用系统的结构示意图；

图2是图1所示船舶废气利用系统的微气泡发生器的结构示意图；

图3是本发明自适应控制器的控制系统图；

图4是本发明自适应控制器的控制算法流程图。

图中：10、微气泡发生器；11、外壳；12、气体流道；121、进气口；13、液体流道；14、气喷出口；15、气-液混合壁面；21、高压气瓶；22、低压气瓶；23、气体分配器；24、减压模块；25、流量控制模块；31、海水分配器；32、海水泵；33、海水滤器；F3、电磁流量计；200、船舶主机。

具体实施方式

为了对本发明的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，现对照附图详细说明本发明的具体实施方式。

本发明提出的自适应控制器应用于图1所示的船舶废气利用系统，该系统包括微气泡发生器10、气路管系、液路管系，气路管系用于为微气泡发生器10输送气体，气体来源于船舶主机200废气锅炉中的气体；液路管系用于为微气泡发生器10输送液体，液体来源于舷外海水。

如图2所示，微气泡发生器10包括外壳11以及同轴设置于外壳11内的气体流道12和气-液混合壁面15。外壳11上端密封、下端开口。气体流道12为直径上端小、下端大的渐扩中空结构，通过气体流道12的气体可以将其动能转化为压力能，大大增加了气体在管内的扰动性。气体流道12上端设置进气口121、下端密封，并在横截面直径最大处环绕开设有排气孔。气-液混合壁面15设于气体流道12外，并在排气孔对应的高度开设开口。外壳11与气-液混合壁面15之间的空间形成液体流道13，液体流道13上端设置进水口，下端为气喷出口14。液体流道13呈先渐缩、后渐扩的形状，微气泡发生器10沿液体流道13方向分为进水段，注气段，扩压段三个部分。当微气泡发生器10正常工作时，水流进入液体流道13内向前流动，随着横截面积的减小，水流速度逐渐增加，进入注气段。气体流道12底端的注气段部分开有排气孔，通过气-液混合壁面15上的开口注入水中，形成一连串小气泡。扩压段流动截面逐渐增加，气液混合物流经该工作段时产生强烈的紊流，水中混杂的小气泡被剪碎，形成微气泡。微气泡通过船底的气泡喷口冒出，随水流覆盖于船底，在船底形成气泡层，从而达到减阻效果。

继续参照图1，气路管系包括依次相连的高压气瓶21、低压气瓶22和气体分配器23。高压气瓶21与船舶主机200废气锅炉配套并相连，高压气瓶21设置于船舶后部。气体分配器23与微气泡发生器10的气体流道12进气口121相连。高压气瓶21与低压气瓶22之间设有减压模块24，低压气瓶22与气体分配器23之间设有流量控制模块25。

继续参照图1，液路管系30包括海水分配器31以及设置于船舶前部的海水滤器33和海水泵32，舷外海水在海水泵32的作用下经海水滤器33进行过滤后输送至海水分配器31，海水分配器31的输入端设有电磁流量计F3。海水分配器31与微气泡发生器10的液体流道13的进水口相连。

经研究发现针对不同航速，微气泡发生器10喷出的流体中含气率有不同的最优范围。以集装箱船舶为例，航速为10kn时，流体含气率为10％～20％时，有较好的减阻效果；航速为20kn时，将流体含气率提高为15％～23％，有较好的减阻效果。对此，本发明提出一种自适应控制器用于调节所喷出气-液流体中的含气率，达到最佳的控制效果，从而达到该航速下最小航行阻力。

如图3所示，为本发明应用于船舶废气利用系统的自适应控制器，包括模拟量单元和PLC控制系统。

模拟量单元连接PLC控制系统的输入端，模拟量单元用于采集船舶主机输出功率、航行速度和主轴转矩信号，并将采集到的信号发送给PLC控制系统。

PLC控制系统的输出端连接船舶废气利用系统的气体分配器23和海水分配器31。PLC控制系统包括处理单元和模糊PID控制单元；处理单元用于将接收到的船舶主机输出功率信号与船舶主机设定功率作差得到主机输出功率误差(Et)，并根据主机输出功率误差(Et)得到主机输出功率误差变化率(ECt)；模糊PID控制单元根据主机输出功率误差(Et)和主机输出功率误差变化率(ECt)，基于模糊PID控制算法对PID控制参数进行自适应调整，使气体分配器23调节进气量，海水分配器31调节进水量，进而将微气泡发生器喷出流体的含气率调节至设定值。

船舶主机设定功率是根据船舶设计规范及以往航行记录设定每一航速下的船舶主机输出功率。

进一步优化，自适应控制器还包括人机界面，人机界面用于显示系统和用户之间的交互信息、报警以及手动/自动控制模式的切换。

相应的，本发明还提出一种应用于船舶废气利用系统的自适应控制方法，包括以下步骤：

S1、获取船舶主机输出功率信号；

S2、将船舶主机输出功率与船舶主机设定功率作差得到输出功率差Et，并根据输出功率差Et得到输出功率变化率Ect；

S3、根据输出功率差Et和输出功率变化率Ect，基于模糊PID控制算法，对PID控制参数进行自适应调整，使气体分配器23调节进气量，海水分配器31调节进水量，进而将微气泡发生器喷出流体的含气率调节至设定值。

微气泡控制器喷出流体的含气率的控制过程为：首先读取各航速下船舶主机输出功率，计算功率偏差及其变化率，经过输入量模糊化，模糊推理，输出量清晰化，对PID的三个参数(Kp、Ki和Kd)进行不断调整，进而调节气体分配器23和海水分配器31流量，从而调节所喷出气-液流体中的含气率，达到最佳的控制效果，从而达到该航速下最小航行阻力。

自适应控制器控制算法流程如图4所示，主程序中首先读取船舶主机输出功率，之后根据船舶主机功率设定值计算输出功率差Et、输出功率变化率Ect，然后通过模糊PID调节器模糊化、查询模糊规则表、去模糊化、计算PID控制器输出值，进而输出气体分配器23和海水分配器31调节气、液流量，调节海水泵32转速和流量控制模块25，进而调节喷出微气泡中的含气率。

上面结合附图对本发明的实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可做出很多形式，这些均属于本发明的保护之内。

Claims (5)

1.一种应用于船舶废气利用系统的自适应控制器，用于对船舶废气利用系统的微气泡发生器喷出流体的含气率进行自适应调节；其特征在于，所述自适应控制器包括模拟量单元和PLC控制系统；

所述模拟量单元连接PLC控制系统的输入端，模拟量单元用于采集船舶主机输出功率、航行速度和主轴转矩信号，并将采集到的信号发送给所述PLC控制系统；

所述PLC控制系统的输出端连接船舶废气利用系统的气体分配器和海水分配器；PLC控制系统包括处理单元和模糊PID控制单元；所述处理单元用于将接收到的船舶主机输出功率信号与船舶主机设定功率作差得到主机输出功率误差(Et)，并根据主机输出功率误差(Et)得到主机输出功率误差变化率(ECt)；所述模糊PID控制单元根据主机输出功率误差(Et)和主机输出功率误差变化率(ECt)，基于模糊PID控制算法对PID控制参数进行自适应调整，使气体分配器调节进气量，海水分配器调节进水量，进而将微气泡发生器喷出流体的含气率调节至设定值。

2.根据权利要求1所述的应用于船舶废气利用系统的自适应控制器，其特征在于，所述船舶主机设定功率是根据船舶设计规范及以往航行记录设定每一航速下的船舶主机输出功率。

3.根据权利要求1所述的应用于船舶废气利用系统的自适应控制器，其特征在于，所述自适应控制器还包括人机界面，所述人机界面用于显示系统和用户之间的交互信息、报警以及手动/自动控制模式的切换。

4.根据权利要求1所述的应用于船舶废气利用系统的自适应控制器，其特征在于，所述船舶废气利用系统包括微气泡发生器、气路管系和液路管系；

所述微气泡发生器包括外壳以及同轴设置于所述外壳内的气体流道，所述外壳上端密封、下端开口；所述气体流道为直径上端小、下端大的渐扩中空结构，其上端设有进气口、下端密封，并在横截面直径最大处环绕开设有排气孔；所述外壳与气体流道之间的空间形成液体流道，所述液体流道呈先渐缩，后渐扩的形状，液体流道上端设有进水口；

所述气路管系包括依次相连的高压气瓶、低压气瓶、气体分配器，所述高压气瓶与船舶主机废气锅炉相连，所述气体分配器与所述微气泡发生器的气体流道进气口相连；所述高压气瓶与低压气瓶之间设有减压模块，所述低压气瓶与气体分配器之间设有流量控制模块；

所述液路管系包括海水分配器，所述海水分配器与所述微气泡发生器的液体流道进水口相连，所述液路管系的液体来自于舷外海水。

5.一种应用于船舶废气利用系统的自适应控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、获取船舶主机输出功率信号；

S2、将船舶主机输出功率与船舶主机设定功率作差得到输出功率差Et，并根据输出功率差Et得到输出功率变化率Ect；

S3、根据输出功率差Et和输出功率变化率Ect，基于模糊PID控制算法，对PID控制参数进行自适应调整，使气体分配器调节进气量，海水分配器调节进水量，进而将微气泡发生器喷出流体的含气率调节至设定值。

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