伍斯杰，王永堅，楊小明，陳志明

(1.集美大學輪機工程學院，福建廈門361021;2.福建省廈門輪船有限公司，福建廈門361012;3.廣東海洋大學工程學院，廣東湛江524088)

0 引言

為確保柴油機主機能正常運轉，燃油粘度必須保持在一個合適的范圍內，若燃油粘度超標，則可能造成柴油機運動件磨損加劇、燃油霧化不良以及燃油效率低.燃油粘度控制系統(tǒng) (FOVCS)是船舶機艙過程控制系統(tǒng)的重要組成部分［1］，采用PID控制，運用傳熱學原理［2］，利用軟件MATLAB建立數(shù)學模型進行仿真，能較好地克服上述因素的影響，從而確保燃油粘度在合適的范圍內，達到對燃油粘度的自動控制.

1 NAKAKITA型燃油粘度控制系統(tǒng)工作原理

目前船上常用的燃油粘度控制系統(tǒng)有VAF型、NAKAKITA型和VISCOCHIEF型等，而NAKAKITA型燃油粘度控制系統(tǒng)［3］類似于在VAF型燃油粘度控制系統(tǒng)的基礎上增加了溫度程序控制裝置和“柴油一重油”自動轉換裝置.溫度控制程序裝置主要通過溫度粘度控制選擇閥分別輸入溫度程序調節(jié)器和粘度調節(jié)器的輸出信號，其輸出則選擇其中輸入大的信號，從而改變蒸汽調節(jié)閥的開度，達到自動控制燃油粘度的目的.當燃油溫度在上限 (如135℃，可調)和下限 (如20℃，可調)值之間變化時，粘度調節(jié)器不工作，蒸汽調節(jié)閥由溫度程序調節(jié)器控制;當燃油溫度達到上限值 (如135℃，可調)時，粘度控制系統(tǒng)進行工作，粘度調節(jié)器輸出信號改變蒸汽調節(jié)閥的開度，使燃油粘度穩(wěn)定在給定值上.“柴油—重油”自動轉換裝置也是以油溫來實現(xiàn)的.例如若油溫較低并處于下限值，則燃油在溫度程序調節(jié)器的控制下，轉換開關會自動切換到重油的位置，但仍用柴油運行工作，然后在溫度程序調節(jié)器的控制下，溫度會慢慢升高，當油溫達到中間溫度值 (如70℃，可調)時，三通活塞閥自動開啟并推動三通電磁閥，自動轉換為重油，溫度調節(jié)器控制對重油進行加溫直至溫度的上限值 (如135℃，可調)，其NAKAKITA型燃油粘度控制系統(tǒng)原理如圖1所示.

圖1 NAKAKITA型燃油粘度控制系統(tǒng)原理圖Fig.1 NAKAKITAfueloilviscositycontrolsystemprinciplediagram

2 數(shù)學模型的建立

本文對柴油機燃油粘度系統(tǒng)模型進行簡化，根據(jù)PID控制器的原理，選用比較合適的PID參數(shù)［4］，建立燃油粘度控制系統(tǒng)部分主要模型，然后利用傳熱學熱量原理對系統(tǒng)進行分析，得到柴油機燃油粘度控制系統(tǒng)整體仿真模型［5］.

2.1 模擬PID控制器

模擬PID調節(jié)器是一種線性調節(jié)器，通過硬件來實現(xiàn)PID調節(jié)規(guī)律.系統(tǒng)由被控對象和PID控制器組成，PID控制系統(tǒng)原理圖如圖2所示.

圖2 模擬PID控制系統(tǒng)原理圖Fig.2 Analog PID control system principle diagram

設定值yset(t)和實際輸出值y(t)構成控制偏差e(t)，e(t)通過線性組合構成控制量u(t)，u(t)對被控對象進行控制.控制器的輸入輸出關系可描述為:u(t)=Kp［e(t)+∫e(t)dt/Ti+Tdde(t)/dt，其中:e(t)=yset(t)-y(t);Kp—為比例系數(shù);Ti—為積分時間常數(shù);Td—為微分時間常數(shù).其傳遞函數(shù)為:G(s)=Kp(1+1/Tis+Tds)，其中s—為復頻率.

選擇調節(jié)器的參數(shù)，必須根據(jù)工程問題的具體要求來考慮.在燃油粘度的控制中，要求被控過程是穩(wěn)定的，對溫度的變化應盡可能及時響應，超調量要小，在不同干擾下輸出能很快地穩(wěn)定在給定值，控制變量不宜過大，在系統(tǒng)與環(huán)境參數(shù)發(fā)生變化時控制應保持穩(wěn)定.顯然，要同時滿足上述要求是很困難的，必須根據(jù)燃油粘度控制具體過程的要求，滿足主要方面，并兼顧其他方面.對于該燃油粘度控制系統(tǒng)，采取試湊法和經(jīng)驗法選擇調節(jié)器的參數(shù)，根據(jù)各種溫度調節(jié)系統(tǒng)中的PID參數(shù)，經(jīng)驗數(shù)據(jù)參照:比例系數(shù)P=20% ～60%;積分時間I=30～90s;微分時間D=30～90 s.因此，根據(jù)以上參照數(shù)據(jù)按照比例調整，本文選取參數(shù)為:P=20%;I=60 s;D=60 s.

2.2 加熱器系統(tǒng)動態(tài)模型

加熱器工作流程如圖3［5］所示.其中:G0為主機在一定負荷下單位時間內流量值，kg/h;G1為加熱器流出的燃油并進入主機的流量值，kg/h;G2為進入加熱器的蒸汽流量值，kg/h;G3為進入混合油柜的帶有初溫的冷油的流量值，kg/h;T1i為進入加熱器時或者流出混合油柜時的燃油溫度，℃;T1o為流出加熱器時或者進出主機時的燃油溫度，℃;T3i為進入混合油柜的燃油溫度，℃;T'為熱油在管路運輸中存在熱量損失而造成的溫度下降值，℃.

帶有初溫T3i的冷油以G3流量進入混合油柜，同時主機未消耗的熱油T1o以 (G1-G0)的流量進入混合油柜，兩種油混合在一起后形成T1i溫度的油以G1的流量進入換熱器，由于溫度遠低于輸出溫度要求，故被蒸汽加熱，以G1的流量和T1o溫度流出并進入主機，主機隨其負荷變化而消耗G0流量的熱油，剩余(G1-G0)的流量流回油柜，這樣周而復始.為簡化起見，本系統(tǒng)建模時，換熱器的熱損失、傳熱系數(shù)忽略不計，蒸汽的含熱變化量也可忽略.

圖3 加熱器(含混合油柜)工作流程圖Fig.3 Heaters work flow chart(including mixed oil tank)

2.3 傳熱學熱量分析

1)考慮換熱器的熱損失:若忽略間壁熱容，則根據(jù)熱量的動態(tài)平衡關系，可以得到如下熱平衡方程:

其中:λ2為蒸汽的比熱容，kJ/(kg·℃);c1為換熱器燃油的比熱容，kJ/(kg·℃);M1為加熱器內冷油的質量，kg.

將式 (1)經(jīng)拉氏變換，并整理得:

從主機出來的熱油在管路運輸中的熱量損失與燃油溫度、環(huán)境溫度有關，對其進行近似計算:

其中:T2為環(huán)境溫度，℃.

根據(jù)熱量的動態(tài)平衡關系，可以得到混合油柜熱平衡方程:

其中:c3為混合油柜燃油的比熱容，kJ/(kg·℃).

將式 (4)經(jīng)拉氏變換，并整理得:

3 仿真模型的建立

3.1 加熱器子系統(tǒng)仿真模型

用Simulink建立加熱器子系統(tǒng)［6］模型.通過從工具庫Ports and Subsystem模塊中，選取橢圓形的輸入輸出模塊，根據(jù)式 (2)建立加熱器子系統(tǒng)，可得到實際流出加熱器的燃油溫度T1o，具體的仿真模型如圖4所示.

圖4 加熱器子系統(tǒng)模型圖Fig.4 Heater subsystem model diagram

3.2 混合油柜子系統(tǒng)仿真模型

混合油柜子系統(tǒng)實際上就是由多個傳遞函數(shù)組成，在工具庫Ports and Subsystem模塊中選取橢圓形的輸入輸出模塊，可以得出實際流出混合油框燃油溫度T1i，具體的仿真模型如圖5所示.

圖5 混合油柜子系統(tǒng)模型圖Fig.5 Mixed oil cabinet system model

3.3 控制系統(tǒng)整體仿真模型

柴油機燃油粘度控制系統(tǒng)整體仿真模型如圖6所示.在simulink library browser列表中選取相應的函數(shù)表達式模塊，并在模塊中輸入初始條件和設置開始及結束時間，最后由Display模塊輸出結果.為了使得模型的物理意義以及子系統(tǒng)之間關系易于理解，便于模型的修改和升級，該整體控制系統(tǒng)模塊分別對混合油柜子系統(tǒng)和加熱器子系統(tǒng)進行封裝，得到oil tank模塊和heater加熱器模塊.

圖6 控制系統(tǒng)整體仿真系統(tǒng)模型Fig.6 Overall control system simulation model of the system

4 動態(tài)仿真結果與分析

由于蒸汽流量、環(huán)境溫度、冷油溫度和主機負荷的變化對燃油粘度的定值控制都有影響，但環(huán)境溫度和冷油溫度一般不可突變，變化量較小，故這兩者對燃油粘度定值控制的影響很小.船舶在海上航行，未知因素很多，航行工況會時刻發(fā)生變化，主機所承受的負荷也隨之發(fā)生突變，所以蒸汽流量和主機負荷對燃油粘度定值控制影響很大.因此，仿真工況可設環(huán)境溫度為40℃，冷油溫度為50℃，燃油粘度值設定為15 mm2/s.

1)保持蒸汽流量不變，根據(jù)文獻［6-7］使主機負荷在90%-108%-0%-90%之間突變，所得到燃油粘度定值控制曲線如圖7所示.

從圖7看出，當受到外界干擾時，主機負荷突然增大或減少，分別發(fā)生時間在開機后2758 s和4760s，主機燃油消耗量也相應發(fā)生變化，在變化的瞬間蒸汽流量需要一定的時間做出適應調整，而且加熱燃油需要一定的時候，燃油粘度會迅速發(fā)生變化，但由于PID控制的作用，經(jīng)過一定的時間后，燃油粘度會向設定值靠近.

圖7 主機負荷突變時，燃油粘度定值控制曲線Fig.7 Host load mutation，the fuel oil viscosity curve of constant value control

2)保持主機負荷不變，使蒸汽流量在100%—50%—0%—50%—100%之間發(fā)生突變，可得到如圖8的燃油粘度定值控制曲線.

從圖8可以看出，蒸汽流量的突變，時間分別發(fā)生在開機后1325s，3340s，4230s，5570s，它使得燃油溫度升高或降低，而燃油粘度降低或升高，但由于PID控制的作用，經(jīng)過一定的時間后，燃油粘度向設定值靠近，從而實現(xiàn)了對燃油粘度的定值控制.

3)主機負荷和蒸汽流量都發(fā)生突變，得到燃油粘度定值控制曲線如圖9所示.

從圖9可以看出系統(tǒng)受到外界干擾，無論是主機負荷還是蒸汽流量發(fā)生突變時對主機燃油粘度定值都會產(chǎn)生影響，但是經(jīng)過一段時間后，最終都能達到一個的平衡狀態(tài).系統(tǒng)剛開始投入工作時，慣性較大，但是系統(tǒng)達到穩(wěn)定時，系統(tǒng)沒有偏差，驗證了該系統(tǒng)建模仿真的可行性和可靠性.

圖8 蒸汽流量突變時，燃油粘度定值控制曲線Fig.8 Change in steam flow rate,fuel viscosity curve of constant value control

圖9 主機負荷和蒸汽流量都發(fā)生突變時，燃油粘度定值控制曲線Fig.9 Mutations in the host load and steam flow rate of fuel viscosity curve of constant value control

5 結束語

本文對船舶柴油機燃油粘度系統(tǒng)進行了概述，分析了其重要性及燃油的定值控制，利用傳熱學原理，針對Anqing Daihatsu 6PSTdM—26H型柴油機的燃油粘度控制系統(tǒng)建立了動態(tài)模型，并對其進行了仿真，仿真結果表明，無論是主機負荷還是蒸汽流量發(fā)生突變對主機燃油粘度定值都會產(chǎn)生影響，但是經(jīng)過一段時間后，最終都達到一個平衡狀態(tài).

［1］王春芳，葉偉強.輪機自動化［M］.大連:大連海事大學出版社，2011.

［2］楊世銘，陶文銓.傳熱學［M］.北京:高等教育出版社，2006.

［3］李斌.船舶柴油機 ［M］.大連:大連海事大學出版社，2008.

［4］ ASTROM K J，HAGGLUND T.PID controllers［M］.North Carolina:Instrument Society for Measurement and Control，1995.

［5］方泉根.計算機仿真技術在21世紀航海教育中的發(fā)展與應用 ［J］.上海海運學院學報，2001，22(2):24-28.

［6］肖玲娟.主機燃油粘度的模糊控制設計［D］.上海:上海海事大學，2004.

［7］潘瑞.船舶柴油機燃油系統(tǒng)的建模與仿真研究［D］.大連:大連海事大學，2008.