摘 要

作为经典的过程控制系统，燃油粘度控制系统从始至终都是船舶自动控制方面的研究热点。本文旨在解决燃油粘度控制系统同时对重油温度和粘度进行定值控制的矛盾以及探索现代控制方法的运用带来的优越性。本文主要针对常规的PID控制和滑膜变结构控制进行学习，主要完成的任务如下：

首先，经过分别对VAF型、NAKAKITA型和VISCOCHIEF型三种典型燃油粘度控制系统进行学习，进而了解常见的燃油粘度控制系统的结构以及重油加热的工作原理，在此的基础上建立了燃油加热系统、混合油柜、蒸汽调节阀、输油管路等数学模型。

其次，分别对PID双闭环控制的燃油粘度控制系统和应用滑膜变结构控制的燃油粘度控制系统进行研究。分析得出不同的控制器对燃油粘度的控制有不同的优点与缺点。研究结果表明：

（1）PID控制的燃油粘度控制系统，可以很好的克服各种干扰和系统惯性导致的系统超调量，在一段时间后能够实现系统的期望温度值。缺点在于期望的温度和实际的燃油温度在温度变化时存在着较大的跟踪误差。

（2）当使用滑模变结构控制时,整个系统的超调量相对来说很小, 调节所需要的时间较短，除此之外，滑模变结构控制使系统的适应能力变得更强、响应更快,系统的动态和静态品质都有一定的提升。

关键词：燃油粘温控制；滑膜变结构控制；PID控制

Abstract

As a classical process control system, fuel viscosity control system has been a research hotspot in ship automatic control from beginning to end. The purpose of this paper is to solve the contradiction between fuel viscosity control system and fixed value control of temperature and viscosity of heavy oil, and to explore the advantages of modern control methods. This paper mainly studies the conventional PID control and Sliding variable structure control. The main tasks are as follows:

Firstly, three typical fuel viscosity control systems, VAF, NAKAKITA and VISCOCHIEF, are introduced. Then, the structure and working principle of the fuel viscosity control system of the main engine are understood. Mathematical models of fuel heating system, mixing tank, steam regulating valve and pipeline are established.

Secondly, the fuel viscosity control system with PID double closed-loop control and the fuel viscosity control system with sliding film variable structure control are studied respectively. It is concluded that different controllers have different advantages and disadvantages in viscosity control systems. The results show that:

(1) The fuel viscosity control system controlled by PID can overcome the system overshoot caused by various disturbances and inertia, and realize the expected temperature of the system after a period of time. The disadvantage is that there is a large tracking error between the expected temperature and the actual fuel temperature when the temperature changes.

(2) When using sliding mode variable structure control, the overshoot of the whole system is relatively small and the time required for regulation is relatively short. In addition, sliding mode variable structure control makes the system more adaptable and responsive, and improves the dynamic and static quality of the system.

Key Words: Fuel viscosity and temperature control; Sliding variable structure control; PID control

目 录

第1章 绪论 1

1.1 课题研究的目的和意义 1

1.2国内外研究现状 2

1.3本文研究的主要内容及技术路线 3

第2章 船舶主机燃油粘度控制系统 5

2.1燃油的粘度特性与温度特性及两者之间的关系 5

2.1.1燃油的粘度 5

2.1.2燃油的温度 5

2.1.3燃油的粘度与温度之间的关系 5

2.2 船舶主机燃油粘度控制系统简介 6

2.2.1 VAF型燃油控制系统 7

2.2.2 NAKAKITA型燃油粘度控制系统 8

2.2.3 VISCOCHIEF型燃油粘度控制系统 11

2.3船舶重油加热的工作过程 11

2.4船舶重油加热的工作原理 13

第3章 燃油温度粘度控制系统数学模型的建立 15

3.1燃油加热系统模型的建立 15

3.1.1 加热器模型的建立 17

3.1.2 混合油柜模型的建立 18

3.2 测粘计模型的建立 19

3.3蒸汽调节阀模型的建立 20

3.4燃油运输管系模型的建立 20

第4章 燃油粘度温度控制系统的控制研究 21

4.1 经典PID双闭环控制的燃油粘度控制系统研究 21

4.1.1 比例积分微分(PID)作用规律 21

4.1.2 PID双闭环控制的燃油粘度控制系统的分析 21

4.2滑膜变结构控制的燃油粘度控制系统研究 24

4.2.1 滑膜变结构控制简介 24

4.2.2 应用滑膜变结构控制的燃油粘度控制系统的分析 25

4.3 PID控制与滑膜变结构控制的比较 27

第5章 总结与展望 28

5.1总结 28

5.2工作展望 28

参考文献 29

致 谢 30

第1章 绪论

1.1 课题研究的目的和意义

船舶工业作为现代综合性产业，是国家经济高速发展的关键动力源泉之一，它为水上交通运输，海底石油开采，能源跨区域流动提供了技术支撑，显然，现如今其已经成为了一个重要的经济中心点。近些年来，船舶工业迅猛发展,一方面船舶排水量屡创新高,另一方面船舶自动化水平也大大进步。毫无疑问，作为经典的过程控制系统，燃油粘度控制系统从始至终都是船舶自动控制方面的研究热点。除此之外，石油资源的持续减少且价格高低波动，大多数船用主机都倾向用相对来说较廉价的重油作为燃料。众所周知，粘度作为燃油重要使用特性，它与温度有着密不可分的联系。温度过低，粘度过高时会产生燃油的雾化效果差，油气混合不均匀，燃烧不充分，燃油在驳运时在管路中流动不畅，供油中断等问题。温度过高，粘度过低可能会加剧驳油、喷油设备的磨损。所以两者对于船舶主机的安全运行及排放有着较大的影响。因此，在倡导节能减排的今天，很有必要对对燃油粘度和温度控制进行研究。

目前的燃油温度和粘度的典型控制过程有：

①柴油温度的程序控制。当主机启动初期，船舶出港之前，为了保证启动的成功率通常先采用柴油DO模式。柴油在加热器的加热下温度上升，其上升的速率要严格遵循斜坡规律。在此温度上升过程中，不得进行粘度的控制，而只进行粘度的测量和显示，因为柴油的粘度肯定是低于后期重油粘度控制的设定值。

②柴油温度的定值控制。当柴油的温度上升到与柴油转重油的切换设定温度之差为的3℃以内时，例如，当设定的切换温度为70℃，则柴油温度上升到67℃时，自动转入柴油温度的70℃定值控制。该中间温度定值控制的时间较短，主要担任柴油到重油的切换任务。

③重油温度的程序控制。前面的柴油温度程序控制和定值控制都需设置最长斜坡时间和切换时间，同时对粘度进行监测，当柴油完全转换为重油之后将进行重油温度的程序控制，即对重油加热保证重油温度沿一定的斜坡函数上升。一方面设置最长的斜坡时间报警；另一方面继续对重油粘度进行监测。

④重油温度的定值控制与重油粘度的定值控制。当重油沿斜坡函数加热到中间温度值时，将进行重油温度的定值控制。例如380#重油加热使温度上升到154℃，将转入重油温度的定值控制，此时，重油的粘度为12cst，比较适合气缸内的雾化与燃烧。

根据以上叙述，就存在一个特殊的矛盾。做以下假设：

假设柴油机负荷突然变化，例如负荷增加，重油流量增大，则重油温度降低，粘度增加。重新加热重油，对其进行重油温度的154℃定值控制时，粘度可能不是最佳的粘度12cst，如果通过加热使粘度下降转入粘度12cst的定值控制，则当粘度降为12cst时，温度并不是最佳的154℃。毕竟，温度过低则不易雾化燃烧；温度过高又会造成碳化或气化。也就是说此刻出现了重油的温度定值控制和重油的粘度定值控制的矛盾，不可能同时将温度控制在154℃和粘度控制在12cst。

综上所述，本文是为了解决目前燃油粘温控制系统同时对重油温度和粘度进行定值控制的矛盾；益处在于有利于重油在船舶上的驳运、燃烧，可以使用相对廉价的重油获得与柴油相当的输出功率推动船舶运行，有效的降低营运成本，并在一定程度上减少排放物对大气的污染。

1.2国内外研究现状

国内外的众多研究人员针对燃油的粘度和温度控制进行了大量的研究工作，取得了许多具有代表性的成果。

对于某种特定的燃油，我们能够通过对其温度进行控制来大致控制它的粘度，这是由于对于某一种确定的燃油，它的粘度和温度有一种密不可分的联系。然而，对于各种不同品质的燃油，它们粘度温度之间的函数关系也就不同了。在船舶远洋航行中，主机需要的燃油来自不同的港口，因而燃油的品质指标也各不相同，所以对于单纯的温度控制，由于燃油的不同，所以难以确定燃油合适的温度值。因此，在大多数船舶中，往往对粘度直接进行控制的方法来直接控制燃油的粘度。在整个系统中，设定值为最佳的燃油粘度值，用测粘计测取加热后的粘度值，计算此值和设定值之间的偏差，按照所得的偏差来调节蒸汽阀的开度，进而调节蒸汽的流量，改变燃油的加热程度，这样就可以来实现对燃油粘度的控制。

目前，在传统的燃油粘度控制系统中，较为典型的有两种，分别是VAF型、NAKAKITA型燃油粘度控制系统。由于单片机技术的不断进步而且渐渐的在船舶各个部位上取得应用，终于在20世纪末期，VISCOCHIEF型燃油粘度控制系统应运而生。但是总的来说，每个类型的控制基本的原理是大致相似的。后来随着控制理论的持续进步，在一个时期出现了“粘度─温度”双闭环控制，但是目前大多数舰船仍旧采用PID控制。

大连海事大学的袁毅针对燃油控制系统，采用灰色系统理论和滑膜变结构控制两者相结合互补的方法，设计了相应的控制器，搭建出了一个基于灰色前馈补偿滑膜变结构控制的燃油粘度控制系统。其中，以灰色预测控制理论为背景，用PID控制作为主要的控制器，增加灰色前馈作为补偿，设计出了一个灰色前馈补偿PID控制器，将其安装于所搭建的燃油粘度控制系统。在成上述工作之后对其进行仿真、研究整个系统的控制效果。仿真结果表明，他所建立的系统，可以有效的克服干扰，但增加了系统过渡的过程时间。

大连海事大学的刘转照针对燃油粘温控制系统，根据传热学相关原理,分了三种思路建立了燃油温度控制的数学模型，这三种思路分别为：不确定上界、运动方程的目标跟踪和带迟延环节的二阶线性系统。根据相关公式得到滑模的运动方程，设计了三种与上述对应的控制器。经过实验验证了滑模变结构控制具有响应很快、超调很小、抗干扰能力极强的优点。

集美大学的伍斯杰等人，利用传热学原理，针对Anqing Daihatsu 6PSTdM—26H 型柴油机的燃油粘度控制系统建立了动态模型，并进行了仿真模拟，得出：主机负荷和蒸汽流量发生突变对主机燃油粘度定值都会产生波动影响，然而经过一定的时间后，最终都达到一个平衡状态。

中国船级社上海分社的验船师王丁在《滑模变结构理论在船舶柴油机燃油温度控制系统中的应用》一文中讲述到，滑膜变结构控制与经典控制的差异在于滑膜变结构是不连续的。在系统会根据不断变化的瞬时偏差及各阶导数值，以跃变的方式不断进行切换，让系统的状态迅速进入滑动平面，获得滑膜运动，从而得到一些经典控制无法做到的控制性能。应用于燃油温度控制系统的滑膜变结构控制对系统的参数摄动、外界参数变化等具有不变性^[1]。所以控制了结果是系统响应快、超调小，具有很强的鲁棒性。

由上述可见，对于燃油粘度和温度控制系统的研究，大致经历了两次具有标志性的飞跃。第一次是从只采用经典的控制策略到计算机技术的应用；第二是现代控制技术的应用，并且据上述所知现代控制方法的应用可以大大提高系统的鲁棒性。

1.3本文研究的主要内容及技术路线

本文研究的主要的内容有：

（1）研究燃油的温度特性与粘度特性以及两者之间的关系；

（2）根据远洋船舶重油加热的工作过程和原理，推导了基于状态观测的燃油粘温控制系统微分方程；

（3）以重油加热器入口和出口温度为状态变量、重油粘度为输出变量，利用控制算法将该系统作为非线性系统进行研究；

（4）根据结论验证状态变量也能够较好地跟踪，并基于状态观测器模型的输出反馈控制的优越性。

燃油粘度控制系统包括这几个方面：燃油的温度程序控制、温度和粘度定值控制。首先分别对燃油的粘度和温度控制进行研究，并查阅资料，研究同种燃油两者之间存在的某种联系，根据远洋船舶重油加热的工作过程和原理和部分燃油的粘温曲线图建立数学模型,运用相关控制算法对此系统进行研究，所得出的结果与传统的控制方法进行比较，得出这种算法控制的优越性。

第2章 船舶主机燃油粘度控制系统

2.1燃油的粘度特性与温度特性及两者之间的关系

2.1.1燃油的粘度

燃油的粘度是表示燃油对其本身的流动所产生的阻力大小，是用来表征油流动性的指标。粘度的高低会影响燃油的驳运、雾化、燃烧。假如重油的粘度过大，不仅仅燃油驳运和喷油器喷嘴启闭都会遇到阻碍，燃油的雾化极差，喷油量不足。并且有可能导致雾化不良，而使尖端结焦、有积碳产生。造成燃烧不良，从而影响主机的正常运行。

查阅资料可知，影响燃油粘度的因素有：①油的组成成分及其含量：其组成成分的分子量越大，粘度越高；②温度：油温越高，粘度越低，油温越低，粘度越高；③压力：当压力较低时，对粘度的影响可以忽略不计，但是当较高的压力变化时，粘度跟随压力的变化而迅速变化。

2.1.2燃油的温度

燃油的温度是表征燃油冷热程度的物理量，从微观上讲是燃油分子热运动的剧烈程度。

由第一节燃油粘度的叙述可知：温度和压力都是影响粘度的极其重要的因素，即压力越高，粘度越大；温度越高，粘度越低。并且重油的粘度相较于柴油比较高，则压力对粘度的影响较大。因此，当重油投入工作时，因为喷射系统中压力较高，故为消除此部分影响，需适当的提高燃油的预热温度。

除此之外，温度也对粘度有影响，故温度也可通过影响燃油的粘度而影响燃油的输送、雾化、燃烧等。

2.1.3燃油的粘度与温度之间的关系

大部分船用燃油的粘度与温度之间的关系可以用图2.1来体现：

图2.1船用燃油粘度─温度特性曲线

Fig.2.1 Marine fuel oil viscosity – temperature characteristic curve

于培洲指出，根据试验资料表明，燃油的粘度与燃油的温度两者之间的关系，可以用式（2.1）表示：

（2.1）

式中：表示运动粘度（cst）；

T表示绝对温度（K）；

a，b，m是依燃油品种而定的常数

2.2 船舶主机燃油粘度控制系统简介

国内国外的典型的燃油粘度控制系统主要由以下三种类型：VAF型、NAKAKITA型和VISCOCHIEF型燃油粘度控制系统。

2.2.1 VAF型燃油控制系统

VAF型燃油控制系统系统属于纯气动控制系统，实现的目的仅仅是对燃油的粘度进行定值控制。

测粘计的功能是测取加热后的燃油粘度值，再将测得值转变为差压信号，再由差压变送器是将这个压差信号转变为标准的0.02MPa~0.1MPa的气压信号，并将此送到调节器。调节器采用按位移平衡原理工作的实现比例积分作用的气动调节器，它的积分作用是主要是靠惯性环节的正反馈实现。由于该气动调节器是反作用式调节器，所以要与气关式调节阀配套使用。粘度增大，经气动差压变送器后，变成气压信号，该信号是输入测量信号，即测量信号增大，经过反作用式PI调节器后系统的输出减小，气关式调节阀开度增大，蒸汽量增多，即提供的热量增多，燃油粘度下降。

如果换成是燃油的温度信号，于是像粘度信号那样反作用式调节器与气关式调节阀的配套使用会导致矛盾出现，当燃油温度升高，经过气动差压变送器后，输入测量的气压信号增大，经过反作用式PI调节器后输出减小，气关式调节阀开度增大，蒸汽量增多，即提供的热量增多，燃油温度更加上升，因而无法起到控制作用。所以反作用式调节器与气关式调节阀配套使用是根据具体的控制对象而定的，VAF型系统就是只控制粘度，如果改为只控制温度，则结构也应该做出相应改变，例如改为正作用式调节器与气关式调节阀配套使用。VAF型燃油粘度控制系统结构如图2.2所示：

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