王雨嬌

(江蘇海事職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江蘇 南京 211199)

0 引言

艙室通常是船上所有艙室的總稱，可分為主機艙，副機艙，彈藥艙，貨艙，工作艙，生活艙等。在主機艙內(nèi)部，橫梁將船體分成許多不同的艙室，它們被稱為尖艙、錨鏈艙、貨艙、機艙、尾艙和壓載艙等[1]。艙室內(nèi)乘客以及工作人員的呼吸作用、電力運行設(shè)備會在不同程度上產(chǎn)生熱量，而由于船員大多數(shù)時候都呆在艙室里，所以艙室的環(huán)境直接影響著他們的身體和精神狀態(tài)，并間接地影響著他們的工作，因此有必要對艙室進行定期定量的通風(fēng)、散熱。

通風(fēng)就是利用自然或機械的方式，讓風(fēng)不受阻礙地通過，進入室內(nèi)或密閉的環(huán)境，從而產(chǎn)生衛(wèi)生、安全等適宜的空氣環(huán)境。經(jīng)常透氣能改善室內(nèi)的環(huán)境，對身體健康有好處。而散熱指的是將相對密閉環(huán)境中的熱量分散到廣闊環(huán)境中，降低區(qū)域環(huán)境中的熱量集中程度，從而降低環(huán)境溫度。當(dāng)前艙室區(qū)域大范圍使用的通風(fēng)散熱系統(tǒng)主要包括：基于GPRS 技術(shù)的通風(fēng)散熱系統(tǒng)和基于變頻器的通風(fēng)散熱系統(tǒng)，然而在實際運行過程中，現(xiàn)有的通風(fēng)散熱系統(tǒng)無法達到預(yù)期效果，主要體現(xiàn)在散熱速度慢、艙室溫度過高等方面，為此引入模糊控制理論。

模糊控制是采用由模糊數(shù)學(xué)語言描述的控制律來操縱系統(tǒng)工作的控制方式。與傳統(tǒng)控制方法相比，其控制效果、魯棒性和適應(yīng)性更好。基于模糊控制的上述優(yōu)點，使其更適合于封閉環(huán)境的控制，因此，在密閉環(huán)境中進行模糊控制是目前的一個重要方向。將模糊控制理論應(yīng)用到艙室通風(fēng)散熱系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計，能夠快速實現(xiàn)艙室溫度與空氣流量的控制與調(diào)節(jié)。

1 艙室通風(fēng)散熱系統(tǒng)設(shè)計

此次優(yōu)化設(shè)計的艙室通風(fēng)散熱系統(tǒng)采用控制制冷器、鼓風(fēng)機等執(zhí)行元件的工作狀態(tài)與參數(shù)，實現(xiàn)艙室內(nèi)的通風(fēng)和散熱，在模糊控制理論的支持下生成作用在執(zhí)行元件上的控制指令，保證艙室溫度與目標(biāo)溫度一致。

1.1 構(gòu)建艙室散熱數(shù)學(xué)模型

艙室內(nèi)除了生活人員外，變壓器、空調(diào)等設(shè)備在工作過程中也會產(chǎn)生熱量，并直接將熱量擴散到艙室環(huán)境中[2]。根據(jù)氣流和換熱的基本原理，推導(dǎo)出了計算艙室中氣流及換熱的質(zhì)量、動量和能量方程[3]。根據(jù)能量守恒定律，即單位時間內(nèi)進入船艙的能量減去單位時間內(nèi)由船艙流出的能量應(yīng)等于船艙內(nèi)能量蓄存量的變化率，則可以得出艙室內(nèi)熱力系統(tǒng)模型的構(gòu)建結(jié)果，艙室通風(fēng)散熱的數(shù)學(xué)模型構(gòu)建結(jié)果如圖1 所示。

1.2 裝設(shè)艙室傳感器與通風(fēng)散熱執(zhí)行器

艙室通風(fēng)散熱系統(tǒng)中裝設(shè)的傳感器為溫度傳感器，采集艙室內(nèi)的實時溫度，以此作為艙室散熱通風(fēng)系統(tǒng)的啟動項，通風(fēng)散熱功能的執(zhí)行設(shè)備為通風(fēng)機和制冷機，根據(jù)艙室的實際需要選擇合適的設(shè)備型號，并對設(shè)備的組成結(jié)構(gòu)進行調(diào)整[4]。艙室通風(fēng)機選用的是旋軸流式通風(fēng)機，其工作過程是：電機在驅(qū)動裝置-傳動軸帶動葉輪開始旋轉(zhuǎn)時，葉輪之間的氣流被葉輪的作用力所驅(qū)動，以獲得能量，然后氣體沿導(dǎo)葉調(diào)整好的方向由擴壓器排放[5]。同時，在葉輪進口處產(chǎn)生一個負(fù)壓，以克服井巷內(nèi)的通風(fēng)阻力，將外部空氣從軸向流向葉輪，實現(xiàn)了艙室內(nèi)外的空氣交換。在2 個防爆電機軸上，對旋軸流風(fēng)機的2 個葉輪并排設(shè)置，其旋轉(zhuǎn)方向和機翼形葉片的扭轉(zhuǎn)方向是反向的。為了防止驅(qū)動電機與排氣通道內(nèi)的氣體發(fā)生接觸，一般采用防爆型，并將其安裝于主風(fēng)缸內(nèi)的密閉容器內(nèi)，同時在氣缸內(nèi)裝有扁管，扁管與外界大氣相通可以散出熱量。最終將艙室溫度傳感器以及通風(fēng)散熱執(zhí)行器設(shè)備進行連接，具體的連接情況如圖2 所示。

圖2 艙室傳感器與通風(fēng)散熱執(zhí)行器連接圖Fig.2 Connection between cabin sensor and ventilation and heat dissipation actuator

1.3 計算艙室通風(fēng)量與散熱量

利用裝設(shè)的傳感器設(shè)備，獲取實時艙室環(huán)境中的溫度數(shù)據(jù)采集結(jié)果，記為Tcabin(t)。根據(jù)艙室內(nèi)的空氣流通規(guī)律，得出艙室散熱量的計算結(jié)果為：

式中：Ttarget為艙室環(huán)境的控制目標(biāo)；Scabin為艙室總面積。

另外艙室通風(fēng)需求量的計算公式如下：

式中：Qcabin為當(dāng)前艙室環(huán)境中的全熱及濕熱余熱量；TReturn和Tsupply分別為回風(fēng)和送風(fēng)溫度；c表示的是艙室空氣定壓比熱。

1.4 改裝艙室通風(fēng)散熱模糊控制器

艙室通風(fēng)散熱模糊控制器是驅(qū)動通風(fēng)散熱執(zhí)行器的核心部件，由于優(yōu)化設(shè)計的艙室通風(fēng)散熱系統(tǒng)應(yīng)用了模糊控制理論，因此需要在傳統(tǒng)系統(tǒng)的基礎(chǔ)上對控制器進行模糊化改裝，改裝后的艙室通風(fēng)散熱模糊控制器結(jié)構(gòu)如圖3 所示?？梢钥闯?，改裝的艙室通風(fēng)散熱模糊控制器由輸入輸出接口、推理機、模糊化處理模塊、模糊推理模塊、去模糊化模塊等多個部分組成，其中模糊化模塊用來對外部輸入數(shù)據(jù)進行模糊處理，把輸入數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成模塊控制器所需的輸入量，即把準(zhǔn)確地址轉(zhuǎn)換成模糊性。輸入的準(zhǔn)確數(shù)值通常是輸入?yún)?shù)，系統(tǒng)輸出量，系統(tǒng)狀態(tài)等[6]。在模糊化中，為消除噪聲的影響，有時必須先過濾輸入數(shù)據(jù)，然后將輸入數(shù)據(jù)經(jīng)過比例轉(zhuǎn)換，使之歸屬于各自的論域。最后經(jīng)過模糊化，最終完成輸入的準(zhǔn)確轉(zhuǎn)換為模糊性，從而達到用模糊集合表達輸入的目的。推理機的功能是利用輸入的模糊地址和知識庫進行模糊推理，并對其進行求解，得到模糊控制量，實現(xiàn)模糊推理。解模糊化模塊把由模糊推理得出的模糊控制地址轉(zhuǎn)化成準(zhǔn)確的控制目標(biāo)。該方法主要包括2 個部分：一是對模糊進行解模糊，將其轉(zhuǎn)化為論域范圍中的精確量；二是將轉(zhuǎn)換后的精確量轉(zhuǎn)換成實際的控制量。將模糊理論與傳統(tǒng)的PID 控制器相結(jié)合，完成艙室通風(fēng)散熱模糊控制器的改裝工作。

圖3 艙室通風(fēng)散熱模糊控制器結(jié)構(gòu)圖Fig.3 Structural diagram of cabin ventilation and heat dissipation fuzzy controller

1.5 利用模糊控制理論生成艙室通風(fēng)散熱控制指令

艙室通風(fēng)散熱模糊控制器在執(zhí)行過程中的運行參數(shù)可以表示為：

式中：Kp，Ki和Kd分別表示比例系數(shù)、積分系數(shù)和微分系數(shù)；Kp0，Ki0和Kd0對應(yīng)的是系數(shù)的初始值，而?Kp，?Ki和?Kd分別為模糊自適應(yīng)控制器的輸出值。將傳感器的實時采集結(jié)果與控制目標(biāo)輸入到改裝的控制器中，輸出的控制規(guī)律為：

其中?Q為偏差值。

在實際的運行過程中，確定每個輸入和輸出變量的變化類型時，必須根據(jù)實際情況來決定比例因素和量化因素。在量化論域中，對于每一個變量，都要定義一個模糊的子集。首先要確定模糊子集的數(shù)量，然后確定其所包含的語言變量，選擇相應(yīng)的隸屬函數(shù)。經(jīng)過多次試驗、資料搜集，或參考專家的實踐經(jīng)驗，對其進行分析、整理、歸納，總結(jié)出一套可以用模糊規(guī)則。通過對輸出量和輸入量的排序，得到一張模糊控制表。該方法可以對系統(tǒng)的誤差和誤差進行分析，并將其輸入到模糊控制規(guī)則中，從而得到一套新的PID 參數(shù)，而最終的輸出量是在模糊控制理論下通過PID 算法獲得的控制指令。

1.6 實現(xiàn)艙室通風(fēng)散熱功能

由于艙室通風(fēng)散熱控制指令需要執(zhí)行在通風(fēng)機以及制冷機中，因此需要將控制指令轉(zhuǎn)換成執(zhí)行元件的工作參數(shù)，以通風(fēng)機為例，其轉(zhuǎn)速與產(chǎn)生通風(fēng)量之間的關(guān)系為：

式中：PFan和Lblade分別為通風(fēng)機的有效工作功率和葉片長度。

將通風(fēng)控制量代入到式(5)中，即可得出對應(yīng)通風(fēng)機轉(zhuǎn)速的求解結(jié)果，并替換控制指令中的控制參數(shù)。按照上述方式完成控制指令的轉(zhuǎn)換，保證控制指令能夠直接作用在通風(fēng)散熱執(zhí)行元件上并成功驅(qū)動。同理通過調(diào)節(jié)擋風(fēng)板開度量、動葉角度等方式，實現(xiàn)艙室通風(fēng)散熱功能。在系統(tǒng)運行過程中實時監(jiān)測艙室環(huán)境中的溫度與空氣密度變化，若艙室環(huán)境參數(shù)達到預(yù)設(shè)控制目標(biāo)，則控制程序中斷。

2 系統(tǒng)的性能測試與分析

2.1 配置艙室測試環(huán)境

借助Matlab2016a 軟件進行系統(tǒng)測試，選擇某雜貨-集裝箱兩用船作為研究背景，該船包含機艙、貨艙、壓載艙以及深艙等多個艙室，機艙環(huán)境面積為25 m2，貨艙、壓載艙和深艙的環(huán)境面積分別為36.5 m2，22.4 m2和18.9 m2。機艙內(nèi)包含發(fā)電機、鍋爐、舵機、壓縮機等設(shè)備，在工作狀態(tài)下均可能產(chǎn)生不同程度的熱量。貨艙、壓載艙以及深艙內(nèi)布設(shè)基本的生活設(shè)施，并保證艙室內(nèi)所有設(shè)備的正常使用。在系統(tǒng)測試之前，對選擇的艙室環(huán)境進行編號，獲取艙室測試環(huán)境的基本結(jié)構(gòu)信息。

2.2 設(shè)置艙室初始環(huán)境參數(shù)與控制目標(biāo)

設(shè)置艙室環(huán)境中生活的人員數(shù)量，艙室內(nèi)各個元件的工作參數(shù)，得出艙室內(nèi)各個位置上溫度的理論值，以此作為艙室環(huán)境的初始溫度。系統(tǒng)測試實驗中機艙環(huán)境初始溫度的設(shè)置如圖4 所示。

圖4 機艙初始溫度分布圖Fig.4 Initial temperature distribution of engine room

另外，默認(rèn)選擇的所有艙室均處于封閉環(huán)境，由此可以得出艙室初始空氣密度數(shù)據(jù)，根據(jù)艙室的所屬類型以及使用需求，設(shè)置對應(yīng)的控制目標(biāo)，具體的艙室環(huán)境參數(shù)與控制目標(biāo)的設(shè)置情況如表1 所示。以表1 中設(shè)置的艙室初始參數(shù)作為艙室通風(fēng)散熱系統(tǒng)的輸入項，以控制目標(biāo)作為艙室通風(fēng)散熱系統(tǒng)運行的目標(biāo)項，并以此作為系統(tǒng)通風(fēng)散熱功能運行效果的對比標(biāo)準(zhǔn)。

表1 艙室初始環(huán)境參數(shù)與控制目標(biāo)設(shè)置表Tab.1 Setting table of cabin initial environmental parameters and control objectives

2.3 系統(tǒng)測試過程與結(jié)果分析

為實現(xiàn)對系統(tǒng)艙室通風(fēng)效果的量化分析，設(shè)置通風(fēng)量產(chǎn)生誤差和環(huán)境空氣密度控制誤差作為實驗的2 個測試指標(biāo)，將初始艙室環(huán)境數(shù)據(jù)輸入到艙室通風(fēng)散熱系統(tǒng)中，通過系統(tǒng)運行得出艙室通風(fēng)散熱系統(tǒng)的運行結(jié)果。提取3 種艙室通風(fēng)散熱系統(tǒng)的運行數(shù)據(jù)，利用艙室中的傳感器設(shè)備獲取環(huán)境參數(shù)，得出反映系統(tǒng)通風(fēng)效果的測試結(jié)果，如表2 所示。計算得出對比系統(tǒng)通風(fēng)量產(chǎn)生誤差的平均值分別為5.17 cmm 和4.67 cmm，優(yōu)化設(shè)計系統(tǒng)的平均通風(fēng)量產(chǎn)生誤差為1.00 cmm，另外對比系統(tǒng)環(huán)境空氣密度控制誤差的平均值分別為0.008 kg/m3和0.007 kg/m3，而優(yōu)化設(shè)計系統(tǒng)的平均環(huán)境空氣密度控制誤差為0.002 kg/m3。

表2 系統(tǒng)艙室通風(fēng)效果測試數(shù)據(jù)表Tab.2 Data sheet for ventilation effect test of system cabin

2.4 艙室散熱效果測試

分別啟動3 個艙室通風(fēng)散熱系統(tǒng)，經(jīng)20 min 后利用傳感器設(shè)備獲取艙室內(nèi)各個位置的實際溫度數(shù)據(jù)，得出系統(tǒng)散熱效果的測試結(jié)果，圖5 為優(yōu)化設(shè)計系統(tǒng)的散熱測試結(jié)果。同理可以得出對比系統(tǒng)的測試結(jié)果，經(jīng)過對比發(fā)現(xiàn)，應(yīng)用優(yōu)化設(shè)計的艙室通風(fēng)散熱系統(tǒng)能夠?qū)h(huán)境溫度控制在區(qū)間[24℃,26℃]內(nèi)，更接近設(shè)置的溫度控制目標(biāo)。提取所有溫度數(shù)據(jù)，經(jīng)過公式（12）的計算，得出對比系統(tǒng)的平均溫度控制誤差分別為2.1℃和2.7℃，優(yōu)化設(shè)計系統(tǒng)的平均溫度控制誤差為0.3℃。

圖5 艙室散熱效果測試對比結(jié)果Fig.5 Comparison results of cabin heat dissipation effect test

3 結(jié)語

在現(xiàn)有艙室通風(fēng)散熱系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，利用模糊控制理論使得控制決策更方便和快速，同時有效克服系統(tǒng)固有的非線性、多耦合及多干擾等困難，更好地完成控制目標(biāo)并保證系統(tǒng)運行穩(wěn)定。從實驗結(jié)果可以看出，優(yōu)化設(shè)計的基于模糊控制理論的艙室通風(fēng)散熱系統(tǒng)能夠準(zhǔn)確的完成控制目標(biāo)，達到良好的通風(fēng)與散熱效果。