楊志勇，葉中明

(武漢理工大學(xué) 能源與動力工程學(xué)院，湖北 武漢 430063)

基于灰色理論艦船汽輪機(jī)調(diào)速器綜合評估

楊志勇，葉中明

(武漢理工大學(xué) 能源與動力工程學(xué)院，湖北 武漢 430063)

文章基于集散控制系統(tǒng)的電液調(diào)速器能正確、快速、平穩(wěn)地改變汽輪機(jī)轉(zhuǎn)速，可以更好的滿足調(diào)節(jié)精度和艦船自動化的要求，根據(jù)集散控制系統(tǒng)的電液調(diào)速器技術(shù)參數(shù)運(yùn)用灰色理論和層次分析法構(gòu)成相關(guān)數(shù)學(xué)模型，對集散控制系統(tǒng)的電液調(diào)速器的各種性能指標(biāo)進(jìn)行綜合評估，并分析方案的可行性，為艦船汽輪機(jī)調(diào)速器的設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)。

艦船汽輪機(jī)；調(diào)速器；灰色理論；評估；層次分析法

汽輪機(jī)作為主推進(jìn)動力裝置具有可靠性高、單機(jī)功率大、設(shè)計(jì)尺寸小、重量輕、維護(hù)方便、壽命長和具有良好的經(jīng)濟(jì)性等優(yōu)點(diǎn)[1]。汽輪機(jī)是一種高速旋轉(zhuǎn)的機(jī)械裝置，在實(shí)際的航行過程中，汽輪機(jī)處于變工況下工作，其能否快速、正確、平穩(wěn)的改變轉(zhuǎn)速直接關(guān)系到艦船的安全航行。早期的汽輪機(jī)采用機(jī)械式調(diào)速器來改變轉(zhuǎn)速；上世紀(jì)60年代，由于電液調(diào)節(jié)系統(tǒng)控制精度高，運(yùn)行安全穩(wěn)定，操作簡單等優(yōu)點(diǎn)，模擬電液調(diào)節(jié)系統(tǒng)和數(shù)字電液調(diào)節(jié)系統(tǒng)等調(diào)速系統(tǒng)應(yīng)運(yùn)而生，且在大功率汽輪機(jī)發(fā)電機(jī)組上使用?，F(xiàn)代艦船動力汽輪機(jī)組的控制系統(tǒng)越來越復(fù)雜，隨著微型計(jì)算機(jī)科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，集散控制系統(tǒng)得到廣泛發(fā)展[2]，由于集散控制系統(tǒng)可高效利用硬件功能、控制功能分級實(shí)現(xiàn)、可靠性高和局部的故障不會使整個系統(tǒng)癱瘓等特性，大大提高了艦船航行的可靠性。艦船動力調(diào)速器直接關(guān)系到艦船海上航行的安全，因此其穩(wěn)定性、安全性、操縱性、環(huán)保性、經(jīng)濟(jì)性受到國防科工委和國際海事組織的廣泛關(guān)注。但至今還沒有專門的機(jī)構(gòu)或組織采用專業(yè)的方法對艦船汽輪機(jī)調(diào)速器做出綜合評估。本文利用層次分析法和灰色理論[3]，將基于集散控制系統(tǒng)的電液調(diào)速器的定性指標(biāo)轉(zhuǎn)換為定量指標(biāo)進(jìn)行綜合評估。

基于集散控制系統(tǒng)的艦船汽輪機(jī)電液調(diào)速器在實(shí)際的設(shè)計(jì)與運(yùn)用過程中，受到人為、設(shè)備和工作環(huán)境等因素的影響，存在太多的不確定性。無論哪種方法都有其優(yōu)缺點(diǎn)。在對汽輪機(jī)調(diào)速器作綜合評估時，一方面考慮到設(shè)計(jì)和使用過程中每個環(huán)節(jié)對調(diào)速器的影響，區(qū)分出每個因素的評價指標(biāo)，確定合理的權(quán)重，設(shè)計(jì)研發(fā)人員可在設(shè)計(jì)初期明確設(shè)計(jì)重點(diǎn)；另一方面評價準(zhǔn)則和每個影響因素都存在隨機(jī)性，依據(jù)灰色評估法利用精確的數(shù)字手段處理模糊的評價對象，能對評估的對象所包含的灰色信息進(jìn)行比較科學(xué)合理的量化評價，同時每個評估人員的側(cè)重點(diǎn)和能力的不同，導(dǎo)致評估結(jié)果有一定的灰度。以上原因都會造成評估結(jié)果不準(zhǔn)確，甚至評估失敗。基于層次分析法的灰色綜合評估能夠更客觀、更準(zhǔn)確的對艦船汽輪機(jī)調(diào)速器做綜合評估。

1 艦船汽輪機(jī)調(diào)速系統(tǒng)評估模型

調(diào)速系統(tǒng)直接關(guān)系到艦船航行的穩(wěn)定性，甚至安全性，基于集散控制系統(tǒng)的艦船電液調(diào)速系統(tǒng)作為一種新的調(diào)速方式，更好的滿足了艦船速度調(diào)節(jié)精度和自動化的要求。在艦船上的使用具有廣闊的市場前景。根據(jù)汽輪機(jī)調(diào)速過程中的的主要指標(biāo)，建立基于集散控制系統(tǒng)的艦船電液調(diào)速系統(tǒng)綜合評估體系，包括：①可靠性指標(biāo)，即艦船平穩(wěn)安全航行的保障，系統(tǒng)采用集散控制系統(tǒng)作為運(yùn)算和校正控制元件，具有更高的穩(wěn)定性和快速性。②技術(shù)先進(jìn)性指標(biāo)，是相對機(jī)械調(diào)速系統(tǒng)、機(jī)械液壓調(diào)速系統(tǒng)以及模擬電液和數(shù)字電液調(diào)節(jié)系統(tǒng)而言具有的優(yōu)越性。目前，艦船汽輪機(jī)組容量大，調(diào)速控制過程復(fù)雜，磁電式電子元器件測量元件以及液壓機(jī)構(gòu)作為執(zhí)行機(jī)構(gòu)，靈敏度高(國際電工委員會的標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定電液調(diào)速系統(tǒng)的不靈敏度小于0.06%[2])。集散控制系統(tǒng)因控制功能分散、顯示操作集中、兼顧分級協(xié)調(diào)管理等優(yōu)點(diǎn)，汽輪機(jī)調(diào)速系統(tǒng)作為整體控制系統(tǒng)的一部分，更加有利于艦船自動化提高。③經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)，基于集散控制系統(tǒng)的電液調(diào)速系統(tǒng)在艦船汽輪機(jī)上使用前后所需要的總的費(fèi)用，包括制造費(fèi)用和維護(hù)保養(yǎng)費(fèi)用，由于調(diào)速系統(tǒng)使用的是集散控制系統(tǒng)的控制器、比例伺服閥等元器件，其設(shè)計(jì)費(fèi)用和制造費(fèi)用較高，但可靠性高而維護(hù)費(fèi)用低。艦船汽輪機(jī)調(diào)速系統(tǒng)影響因子層次結(jié)構(gòu)如圖1。

圖1 汽輪機(jī)調(diào)速系統(tǒng)影響因子層次結(jié)構(gòu)圖

2 建立基于灰色理論艦船汽輪機(jī)調(diào)速器綜合評估的數(shù)學(xué)模型

2.1 使用層次分析法得出指標(biāo)因子的權(quán)重

利用層次分析的原理，在深入調(diào)查研究的基礎(chǔ)上，分析調(diào)速系統(tǒng)的影響因子，確定影響因子的“父子”關(guān)系，搭建影響因子階梯層次結(jié)構(gòu)模型，最底層的影響因子為評估指標(biāo)，把評估指標(biāo)兩兩進(jìn)行比較，得出判斷矩陣A如式[4](1):

(1)

因?yàn)榕袛嗑仃囋厥菂⑴c評估的專家對影響因子的相對重要性的主觀判斷，通常引用相對標(biāo)度對判斷標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行量化處理得出，標(biāo)度含義如表1。

表1 標(biāo)度含義

求出判斷矩陣A的最大特征值λmax和特征向量ni(n1,n2,…nn)，同時對矩陣A進(jìn)行一致性檢驗(yàn)，其檢驗(yàn)值CR如式(2)、(3)。

CR=CI/RI,

(2)

CI=(λmax-n)/(n-1),

(3)

式中：CI為判斷矩陣偏離一致性指標(biāo)度量值，n為判斷矩陣的階數(shù)，RI是大量判斷矩陣隨機(jī)試驗(yàn)統(tǒng)計(jì)得出的平均隨機(jī)一致性指標(biāo)值[5]，低階RI如表2。

表2 低階RI取值表

當(dāng)CR<0.1時，說明矩陣A有良好的一致性，否則需要重新調(diào)整判斷矩陣；最后得出指標(biāo)因子的相對權(quán)重wi(w1,w2,…wn)[4，6]。

2.2 評估樣本矩陣

(4)

2.3 確定評估灰類

評估灰類的確定，即是灰類評價等級G、灰色系數(shù)Xi和相應(yīng)白化權(quán)函數(shù)fN(D)的確定，白化權(quán)函數(shù)一般有3種[4]。

2.4 計(jì)算灰色系數(shù)、模糊權(quán)矩陣

(5)

(6)

(7)

由灰色評估權(quán)重rn,k組建模糊權(quán)矩陣R。

2.5 計(jì)算模糊綜合判定矩陣和評價結(jié)果

由總的相對權(quán)矩陣和模糊權(quán)矩陣運(yùn)算，得出模糊綜合判定矩陣，對準(zhǔn)則層做綜合評估，評估結(jié)果為：Z=Wi×R。由需求者和評估專家確定的評估灰類等級向量G(G1、G2···Gn)，求出綜合評定結(jié)果V[7]，V=ZGT。

3 艦船汽輪機(jī)調(diào)速系統(tǒng)灰色綜合評估

3.1 通過層次分析法判斷評估指標(biāo)權(quán)重

邀請使用者對艦船汽輪機(jī)目標(biāo)層的指標(biāo)因子特點(diǎn)，結(jié)合標(biāo)度法則對指標(biāo)因子進(jìn)行重要性比較。構(gòu)建的判斷矩陣A如下：

特征值λmax=6.013 8，特征向量為nn=[0.804 8 0.445 0 0.255 9 0.255 9 0.115 0 0.100 6]，根據(jù)式(2)得：CR=0.002 7<0.1，說明基于集散控制系統(tǒng)的汽輪機(jī)電液調(diào)速系統(tǒng)的指標(biāo)層構(gòu)成的判斷矩陣的一致性良好。歸一化后的相對權(quán)重矩陣Wi=[0.399 0.226 0.127 0.127 0.057 0.049]。

3.2 確定評估樣本矩陣

邀請3位艦船相關(guān)類專家對調(diào)速系統(tǒng)指標(biāo)層進(jìn)行打分，得到指標(biāo)評估樣本矩陣D。

3.3 確定調(diào)速系統(tǒng)評估灰類，計(jì)算灰色評估系數(shù)和評估權(quán)重矩陣

在對基于集散控制系統(tǒng)的汽輪機(jī)電液調(diào)速系統(tǒng)綜合評估中，將評分等級分為優(yōu)秀、良好、合格和差，組成評估等級向量G(9，7，5，2)，相對應(yīng)的評估灰類N為4個，分別為1、2、3、4，其灰類和白化權(quán)函數(shù)見圖2。

圖2 4個灰類和白化權(quán)函數(shù)圖

對于評估指標(biāo)(穩(wěn)定性)，其4個評估灰類系數(shù)分別為：

N=1,X1，1=f1(8)+f1(7.5)+f1(9)=

2.722；N=2,X1，2=1.833；N=3,X1，3=0.167；N=4,X1，4=0。

對于評估指標(biāo)(穩(wěn)定性)總評估灰類系數(shù)X1=

2.722+1.833+0.167+0=4.722。

則評估指標(biāo)(穩(wěn)定性)對于4個評估灰類的評估權(quán)重分別為：

r1，1=0.576，r1，2=0.388，r1，3=0.035，r1，4=0。

同理可得指標(biāo)快速性、靈敏度、自動化性、制造費(fèi)用和維護(hù)費(fèi)用的評估權(quán)重分別為：

r2，1=0.368，r2，2=0.450,r2，3=0.182,r2，4=0，

r3，1=0.430，r3，2=0.453，r3，3=0.116，r3，4=0，

r4，1=0.475，r4，2=0.419，r4，3=0.106，r4，4=0，

r5，1=0.239，r5，2=0.403，r5，3=0.358，r5，4=0，

r6，1=0.314，r6，2=0.482，r6，3=0.214，r6，4=0。

由灰色評估權(quán)重rn，k組建模糊權(quán)矩陣R為:

3.4 評價結(jié)果

模糊綜合評價矩陣：Z=[0.456 7 0.413 8 0.104 7 0]。

綜合評價結(jié)果：V=7.532 2，評估結(jié)果表明，基于集散控制系統(tǒng)的電液調(diào)速系統(tǒng)的評估模型具有良好的綜合性能，設(shè)計(jì)方案具有可行性。

4 結(jié)束語

針對基于集散控制系統(tǒng)的汽輪機(jī)電液調(diào)速系統(tǒng)的各指標(biāo)特點(diǎn)，建立層次灰色模型，利于灰色理論客觀、準(zhǔn)確的對此模型進(jìn)行評估，分析得出該模型具有良好的綜合性能。評估方法也可以實(shí)現(xiàn)對艦船調(diào)速系統(tǒng)多方案之間進(jìn)行選擇，通過比較權(quán)重的綜合評定結(jié)果，選擇最優(yōu)方案，為艦船調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提供一定的理論和技術(shù)支持。但是基于灰色理論的預(yù)測評估方法對艦船調(diào)速系統(tǒng)的評估，也有一定的局限性和隨機(jī)性，如構(gòu)建樣本矩陣的分?jǐn)?shù)指標(biāo)，以及專家對灰類的確定都有一定可變性。在實(shí)際中應(yīng)及時發(fā)現(xiàn)和排除突發(fā)情況的影響，使評估模型與實(shí)際情況更加符合貼切。

[1] 方學(xué)智．船舶與海洋工程概論[M]．北京：清華大學(xué)出版社，2013．

[2] 郭鈺鋒，徐志強(qiáng)，于達(dá)仁．汽輪機(jī)調(diào)節(jié)原理[M]．北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2010．

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The electro-hydraulic speed regulator based on a DCS controller can change a steam turbine' s speed accurately quickly and smoothly,and will meet the requirements of adjusting precision and warship automation in an even better fashion.According to the parameters of the thelector-hydraulic speed regulator based on a DCS controller and a relevant mathematical model constituted with the Grey Theory & AHP,comprehensive assessment of various performance indicatiors of the electro-hydraulic speed regulator based on a DCS controller can be made with the feasibility of the scheme analyzed,which provides the theoretical basis for designing of a warship steam turbine speed regulator.

warship steam turbine;speed regulator;Grey Theory;assessment;analytic hierarchy process

楊志勇(1969-)，男，湖北武漢人，副教授，碩士，研究方向?yàn)榇芭c海洋工程； 葉中明(1990-)，男，湖北仙桃人，在讀碩士研究生，研究方向?yàn)橥七M(jìn)控制技術(shù)及應(yīng)用。

U672

10.13352/j.issn.1001-8328.2017.02.013

2016-10-12