摘 要

汽轮机转速调节系统是舰船蒸汽动力装置推进控制系统的重要组成部分，其动静态性能指标是舰船机动安全航行的重要保证，汽轮机在负载发生变化时，调速系统对转速的调节是一个动态过程，瞬时调速率与稳定时间这两个指标是系统动态稳定性的重要评定标准。因此，研究汽轮主机调速系统PID控制参数整定具有重要的理论和现实意义。

本文在分析研究现有舰船主推进动力装置汽轮机调速系统的基础上，设计了一套基于DCS的电液调速系统，该系统可实现汽机转速控制、手动/自动无扰动切换和应急操纵等功能。论文在MATLAB/Simulink仿真环境下，搭建了汽轮主机、液压伺服系统和汽轮机调速控制器的模型。通过仿真试验整定PID参数，可改善一般汽轮机调速器存在响应速度慢、调速精度低等问题。另外，合理的PID参数还可实现大扰动作用时，汽轮机转速的稳定。

关键词：汽轮机；调速系统；MATLAB；PID参数整定

Abstract

Turbine speed regulating system is a steam power plant of ship propulsion control system is an important component of the static performance index is an important guarantee for ship navigation safety maneuver, steam turbine during load changes, speed control system of speed regulation is a dynamic process, the instantaneous timing rate and stable time of these two indicators is important evaluation criteria of the dynamic stability of the system. Therefore, it is of great theoretical and practical significance to study the PID control parameters of the steam turbine governing system.

In this paper, the main propulsion power plant steam turbine governing system based on the analysis of the existing ships, designed a system based on electro hydraulic control system of DCS, the system can realize the turbine speed control, automatic / manual switch without disturbance and emergency control etc. In the MATLAB/Simulink simulation environment, the model of steam turbine engine, hydraulic servo system and turbine governor controller is built. The PID parameters can be improved by the simulation test, which can improve the response speed of the general steam turbine governor, and the speed control accuracy is low. In addition, the reasonable PID parameters can also be used to achieve a large disturbance, the stability of the turbine speed.

Key Words：Steam turbine；speed regulating system；MATLAB；The tuning of PID parameters

目 录

摘要 I

Abstract II

第1章 绪论 1

1.1课题研究目的及意义 1

1.2国内外研究现状 1

1.3 本文的主要研究内容 2

第2章 汽机调速系统设计 3

2.1汽机工作原理 3

2.2 调速系统 3

2.2.1调速系统设计 3

2.2.2负荷限制 4

2.3 调速系统工作方式及特性分析 4

2.3.1 调速系统工作方式 4

2.3.2调速系统特性分析 5

2.4 测速单元 6

2.4.1 测速单元原理 6

2.4.2 测速单元的冗余设计 6

2.5调速器研究与设计 6

2.5.1调速器功能设计 6

2.5.2 液压伺服器结构设计 7

2.5.3 调速器组成单元及选型 8

2.5.4 本章小结 12

第3章 Simulink环境的系统建模及仿真试验 13

3.1 调速系统液压伺服机构建模 13

3.2 汽机动力学建模 15

3.3 Simulink环境下控制器PID参数整定 17

3.3.1 PID参数整定方法 17

3.3.2 PID控制器参数整定 17

3.4 液压执行机构仿真 20

3.5 汽轮机本体仿真 20

3.6 调速系统仿真 21

3.7本章小结 22

第4章 结论与展望 23

4.1 结论 23

4.2 展望 23

参考文献 24

致谢 25

第1章 绪论

1.1课题研究目的及意义

舰船主推进动力装置有“舰船心脏”之称，是舰船实现海上航行任务的关键设备，舰船航行的机动性能与舰船主推进动力装置的实际工作特点有很大的关系，目前，舰船主推进动力装置的实船安装率主要以内燃机动力装置为主^[1][2]。但与内燃机动力装置相比，汽轮机作为舰船主推进动力装置具有工作可靠性更高、单机马力大、设计尺寸小、整机重量轻、经济成本低和设备维护方便等诸多优点^[3][4]。

汽轮机是当今社会使用范围较广的一种原动机，通常在高温、高压和高转速条件下工作。作为当今舰船主推进动力装置设备的一种，汽轮机上承主蒸汽锅炉，下承舰船推进装置螺旋桨，其位置决定了其功能、作用及重要性^[5]。汽轮机调速系统是汽轮机的重要控制组成，汽轮机调速系统应具备高可靠性、快速可控性和调节精度高等特点，其性能的优劣将直接影响舰船机动性能，改善舰船海上航行条件。可以说，汽轮机组作为舰船主推进动力装置是在装备了高可靠性的调速系统后才进入实船应用。

由于舰船在海上航行时海况通常比较恶劣，航速与航向经常会由于海浪等的扰动而变化，且当舰船遇紧急情况时，又需要实现汽机紧急停车等操作，因此汽轮机控制及调速系统需要长期处于变工况运行状态。传统方式下，汽轮机的各项操作过程是由运行人员依据管理规定，经人为转速设定、负荷限制和压力限制等目标来完成的，这种运行方式多依赖于工作人员的经验。随着自动化技术的发展，以微机控制为核心的电液调速系统在舰船蒸汽动力装置控制系统大量应用，从而大大降低运行管理人员劳动强度。