摘 要

本文采用数学与计算仿真软件MATLAB/Simulink模块针对于船舶中央冷却水温度控制系统中的某些部件设计的温度控制器进行设计与仿真，为了确定滑模变结构控制方法对船舶冷却水温控制的影响和效果。

本文主要研究了船舶中央冷却水温度控制系统的总体结构、核心部件以及温度控制机理。由于冷却水温度的变化情况，设计出滑模变结构温度控制器，并分析了控制器的控制效果。

研究结果表明滑模变结构控制器针对于船舶中央冷却水温度控制的效果非常好，响应时间短，且稳定性较高。

本文的特色在于针对于船舶中央冷却水温度控制系统的数学建模非常详细且全面，对于数学模型采用了滑模变结构控制设计和切换函数的代入，能够使高阶复杂系统降阶并简化运算。

关键词：滑模变结构控制；船舶中央冷却水系统；温度控制；

Abstract

In this paper, the mathematics and computational simulation software MATLAB / Simulink module is used to design and simulate the temperature controller designed for some components in the ship central cooling water temperature control system. Its aim is that determining whether the sliding mode variable structure control method for the ship cooling water temperature control can have good Influences and effects.

This paper mainly studies the overall structure, core components and temperature control mechanism of the ship's central cooling water temperature control system. Due to the change of cooling water temperature, a sliding mode variable structure temperature controller was designed and the control effect of the controller was analyzed.

The research results show that the sliding mode variable structure controller has very good effect on the central cooling water temperature control of the ship, the response time is short, and the stability is high.

The feature of this paper is that the mathematical modeling of the ship's central cooling water temperature control system is very detailed and comprehensive. For the mathematical model, the sliding mode variable structure control design and the switching function are used, which can reduce the order of the high-order complex system and simplify the calculation.

Key Words：Sliding Mode Variable Structure Control；Marine Central Cooling System；Temperature Control；

目录

1 绪论 7

1.1 船舶中央冷却水发展情况 7

1.1.1开式海水冷却水系统 7

1.1.2半封闭式冷却水系统 7

1.1.3中央冷却水系统 8

1.2 滑模变结构控制基本原理及应用 8

1.2.1滑模变结构控制基本原理 8

1.2.2滑模变结构控制满足条件 8

1.2.3滑模变结构控制优缺点及应用 8

1.3 冷却水系统主要结构 9

1.3.1海水冷却回路 9

1.3.2低温淡水冷却回路 9

1.3.3高温淡水冷却回路 10

1.3.4中央冷却器 10

1.4 温度控制系统研究现状 11

1.5 本文的研究背景 11

1.6 本文的主要工作 12

2 冷却水系统模型的建立 13

2.1建模的基本方法 13

2.2船舶中央冷却水系统简化模型 13

2.2.1选用的核心零部件 13

2.2.2明确的基本假设 14

2.2.3模型简图和物理参数 15

2.3主机缸套热力学模型 15

2.3.1主机缸套 15

2.4中央冷却器热力学模型 18

2.4.1中央冷却器 18

2.5三通阀控制模型 20

2.5.1三通阀结构原理 20

2.5.2三通阀控制原理 20

2.6本章小结 21

3滑模变结构控制器设计 22

3.1主机缸套常微分方程构造 22

3.1.1滑模运动方程的建立 22

3.1.2线性滑模运动方程的求解 23

3.1.3非线性滑模运动方程的求解 24

3.2传统高温冷却水PID控制器设计 25

3.3本章小结 26

4非线性系统模型的计算机仿真 27

4.1计算机仿真软件介绍 27

4.2非线性系统Simulink模型图 28

4.3非线性系统Simulink模型参数设定 30

4.3.1非线性系统仿真全图参数 30

4.3.2非线性系统控制器内部参数 30

4.4传统PID控制器Simulink模型 31

5结论与展望 33

参考文献 34

致谢 36

附录一 37

1 绪论

船舶中央冷却水系统是维持船舶机械与电力设备工作稳定的核心辅助系统，对冷却水温度的及时有效的控制，不仅决定着船舶能否正常运行，也决定着船舶和人身安全。本文基于滑模变结构控制理论，设计滑模变结构控制器，对中央冷却水系统进行仿真分析。

船舶中央冷却水发展情况

1.1.1开式海水冷却水系统

开式海水冷却水系统是利用船舷外海水直接冷却船舶主机的一种冷却系统。开式冷却水系统使用时间最早，应用时间最长，其工作原理是利用海水泵将舷外水吸入，通过空气冷却器，活塞和缸套等，排出舷外。开式冷却水系统的优点在于直接使用船舷外海水冷却，省去了运输冷却介质所需空间，降低了运输成本，结构简单易维护和修理^【14】。但该系统的缺点也非常明显，由于冷却介质为舷外海水，水质和水温变化较大，容易使零部件、冷却水腔结垢和堵塞，如果热应力进一步增大，会产生大量的盐分析出，造成更大的损害^【16】。所以开式冷却系统主要用于某些小型船舶柴油机的冷却，或者是要求冷却液温度不高和水质要求不严格的设备，如各种冷却器、冷凝器中间轴承和空气压缩机等^【16】。

1.1.2半封闭式冷却水系统

半封闭式冷却水系统是为了解决开式海水冷却水系统存在的问题而应运而生的。半封闭冷却水系统即是指首先使用海水对淡水进行冷却，再使用淡水对船舶柴油机的高温部件进行冷却，而其他低温部件仍使用海水进行冷却的冷却系统^【14】。半封闭冷却系统的优点主要是针对于开式海水冷却水系统的缺点来设计的。在该系统中，主机使用淡水作为冷却介质，水质较好，一方面减弱了对被冷却零部件的腐蚀性，另一方面可以将主机进出口水温分别提高到60~75℃与70~85℃，降低了主机燃烧室零件的热应力，提高了热效率。但缺点是半封闭式冷却系统包括淡水冷却系统和海水冷却系统，系统复杂性提高导致维护成本较高^【11】。半封闭式冷却水系统实际上是对开式海水冷却水系统的一种改进，减少了海水冷却系统中的一些问题，但代价是系统复杂性提高了，不过从应用层面来说，半封闭式冷却水系统能应用于更多不同型号的船舶。

1.1.3中央冷却水系统

一般来说，中央冷却水系统是由三部分组成，分别是海水系统、低温淡水回路系统和高温淡水回路系统。其工作原理是利用海水泵输送舷外水进入中央冷却器来冷却低温淡水回路，由低温淡水冷却设备低温部件（包括辅柴油机、空调、冷藏装置、空压机、大气冷凝器等）以及高温淡水回路，高温淡水用来冷却主机汽缸套与汽缸盖等部件^【11】。因此，这种冷却系统中就会有两个冷却水回路：一是低温回路，就是由舷外海水来冷却低温淡水的；另一个是高温回路，就是由低温淡水来冷却高温淡水的回路^【14】。在这种冷却水系统中，其优点在于船舷外海水不再接触各种热交换器和船舶主柴油机以及发电机的冷却空间，因而极大地简化了船舶海水冷却关系，使海水冷却距离最短，有力的阻止了因为海水腐蚀冷却器以及管路引起的船舶系统漏泄故障现象发生，提高了设备和系统的安全可靠性以及设备使用寿命^【16】。但这种冷却水系统的复杂程度较半封闭式冷却水系统又有了极大的提高，系统的建造和维护成本也会大幅提高，对船员的知识水平要求高。由于该系统的整体优越性，目前的现代化船舶中大多采用了中央冷却水系统。

滑模变结构控制基本原理及应用

1.2.1滑模变结构控制基本原理

一般来说，在控制过程中，系统结构（或者模型）可发生变化的系统叫做变结构系统，变结构控制是一种特殊的非线性控制理论。系统在某种情况下，遵循该种情况的控制算法，如果在变化过程中，该系统运动到了某一切换面，则会顺着这个切换面滑动进入滑动模态趋近于原点。更为简单的说法是，不同系统，不同算法，滑动变化。

1.2.2滑模变结构控制满足条件

（1）滑动模态存在条件，即满足

（2） 满足可达性条件为切换面s以外的相轨迹将于有限时间内到达切换面

（3）切换面是滑动模态区，且滑动运动渐进稳定，动态品质良好^【22】

1.2.3滑模变结构控制优缺点及应用

滑模变结构控制的最大优点在于它非常稳健，对被控对象的模型误差，对象参数的变化以及外部干扰都不敏感，这种特征也可以被称作鲁棒性。但是滑模变结构控制最大的缺点在于系统在滑动面上极易产生抖振现象，如何减少抖振现象是滑模变结构控制的关键。在滑模变结构控制中的运动主要分为两个阶段，第一阶段为趋近运动，即从初始状态开始于有限的时间内到达切换面的运动，运动全部位于切换面之外，或者有限次穿越切换面；第二阶段为滑动模态，它完全位于切换面上的滑动模态区内^【23】。鉴于滑模变结构控制的特点，滑模变结构控制一般用控制于具有多个不同系统的控制模型。

冷却水系统主要结构

1.3.1海水冷却回路

海水泵作为动力设备，通过低位海底门或高位海底门将船舷外海水吸入并运送至中央冷却器的冷却海水入口处，并且在中央冷却器内，海水与低温淡水发生热量交换^【14】。冷却低温淡水后的海水流出中央冷却器，一部分海水直接排出舷外，另一部分海水通过三通阀调节返回冷却器海水入口处与新吸入的海水混合。海水系统回路结构简单，主要动力源是海水泵，可以通过调节海水泵的功率，来调节海水回路冷却中央冷却器的能力。

图1 海水冷却系统示意图

1.3.2低温淡水冷却回路

低温淡水在低温淡水泵的作用下流经中央冷却器，在中央冷却器中将热量传递给海水，冷却过的低温淡水与未被冷却的旁通淡水经三通阀调节后混合，继而冷却其他冷却器或者高温淡水^【13】。低温淡水冷却回路是一个过渡阶段的冷却回路，相当于将过高的温度梯度分为两次进行冷却，这样降低了单级冷却时的负载，提高了控制精度，也更加贴合了中央冷却器的选型和功率。

1.3.3高温淡水冷却回路

高温淡水冷却回路针对的对象是船舶动力的核心——主柴油机，高温冷却水泵将高温冷却水泵入主柴油机缸套部分，在缸套外围，高温冷却水吸收燃烧室传递出来的热量，并离开主柴油机。部分高温淡水与低温淡水进行换热冷却，冷却完后的高温淡水与另一部分未被冷却的高温淡水经三通阀混合后，继而继续进入柴油机进行冷却。

1.3.4中央冷却器

中央冷却器是整个中央冷却水系统的核心部件，其实质是一个板式热交换器，海水与低温淡水板式热交换器两侧流过，发生逆流换热。板式换热器主要是由热交换板、框架结构、固紧螺栓组成，相邻热交换板上设有密封圈防止两种密封液体混合。

图2 平板换热器示意图

热交换板两面设置有供冷却液和待冷却液通过的凹槽，多个热交换板由两侧压力板压紧在一起，形成彼此分隔的一个个空间^【16】。为强化传热并增加板片的刚度，常在平板上压制出各种波纹，且人字形波纹是常见的一种^【15】。由于型板的特殊形状，板片间的流道方向和截面方向不断发生变化，流体在通道中形成强烈的扰动，流体的运动表现为强烈的紊流。这就使热边界层不断被破坏，从而有效降低热阻，提高传热系数。其传热系数值可达到，且结构稳定，容易清洗。但缺点是密封垫片损坏时容易漏泄，不耐高温，一般只适用200℃以下流体^【13】。因此，对中央冷却器的维护和检修需要非常重视。

温度控制系统研究现状

温度控制系统在很多领域都有非常多的应用，但大多数情况是针对于单一对象的温度控制，这种温度控制系统工作状态较为稳定，不存在大的扰动。PID控制方法结构简单，适用性广，稳定性高，可以基本应用于这类型的温度控制系统。但是，船舶运行环境变化多，船舶冷却水温度控制系统针对的被控对象多，输入输出量多，是一个较易收到干扰的系统。在这种条件下，PID控制超调量大，响应时间慢的特点逐渐显现出来。船舶冷却水的温度控制系统是一个集水、电、机为一体的复杂的非线性系统，它的参数具有时变性、滞后性和不确性^【24】。针对于这样的一些特点，很多学者都是在基于PID控制的基础上进行了各种各样的尝试与探索。文献【9】中提出了利用遗传算法对冷却水流量和温度进行匹配，从而设定基于遗传算法的PID自适应控制器。文献【10】中提出了基于理论的冷却水温度反馈控制系统，进而设计状态反馈控制器来提高温度控制的能力。文献【25】提出引入以功率作为热负荷型号的前馈控制，从而优化目前的PID反馈控制。文献【11】中同样针对于滞后性大的问题，提出了采用串级控制的方式，设计主、副控制器和主、副反馈回路，分别进行定值控制和随动控制。希望以此来提高响应时间。在这些文献中，可以发现诸多学者都是在PID控制的基础上试图提高控制系统的性能，但是任何一种优化策略，总不能兼顾所有温度控制系统存在的问题，也就是无法在快速性和稳定性上得到双赢。因此，在面对这个复杂控制系统的问题时，我们需要综合比对各种方法的优缺点。

本文的研究背景

船舶中央冷却水系统一直是船舶运行过程中相当重要的一部分，冷却水系统的冷却能力主要取决于冷却液的比热、温度和冷却液的适应性。在数十年的冷却水系统发展过程中，针对于冷却水温度的控制形式一直在不断随着船舶动力形式、船舶功率发生变化。在现代化船舶中，中央冷却水温度控制系统能够控制冷却水在进入被冷却设备和换热器中时的温度，控制冷却能力，进而确保各类型设备的正常工作温度和状态。船舶中央冷却水温度控制系统的特点在于其控制环境复杂程度高，外界干扰大，能量消耗大且控制不稳定。

滑模变结构控制理论的优点在于其具有比较强的鲁棒性，也就是说在控制过程中不易于受到设备参数和外界扰动的影响。该理论能使控制策略以一种比较平稳的方式过渡，也就是在滑模面上切换控制策略，提高了控制的稳定性。

针对于船舶中央冷却水温度控制系统的不足之处和滑模变结构控制理论的优点，我们可以将滑模变结构控制理论适用于冷却水温度控制系统中来设计控制器以提高系统性能。

本文的主要工作

船舶中央冷却水温度控制系统一直是保证船舶正常安全运行的核心，本文将对此系统进行研究，主要是将滑模变结构控制理论应用于船舶中央冷却水温度控制系统中，设计出滑模变结构温度控制器，检验其控制性能。

本文的具体研究内容有：

1.本文以某种船舶中央冷却水系统的简化模型中的数个核心零部件为研究对象，对测量到的流量、温度、三通调节阀开度进行统计，建立起非线性温度控制系统的数学模型（见第二章）；

2.针对二阶非线性模型，将其拆分化简为二阶线性模型和单输入非线性模型，并据此设计滑模变结构控制器（见第三章）；

3.利用MATLAB软件，在Simulink仿真模块下进行非线性温度控制系统数学模型的计算机仿真，并对其抖振问题进行分析（见第四章）；

4.将数学模型结果导出的仿真结果进行分析并比较出优劣势，写出该项技术的发展前景及展望（见第五章）

2 冷却水系统模型的建立

冷却水系统是典型的物理模型，其中涉及到各种提供动力设备的部件，控制部件，连通部件，测量部件等等。基于物理模型的复杂性，我们将要把物理模型用数学模型的形式表现出来，并且在数学模型上进行计算以得出结果。

2.1建模的基本方法

模型是研究某种特定研究对象的有利工具，一般来说，研究对象在物理层面上具有一些典型特点和相互关系，这时可以通过建立数学模型或者系统模型的方法将这些因果关系或者相互关系表示出来。这样一个实物性的研究对象被抽象为一个或一系列的数学方程和数学关系式，将研究对象抽象表达的方法被称为建模。

建立模型的方法有许多种，主要的方法有理论解析法和经验法。理论解析法是指将物理系统内部的各种物理量用公式表示出来，经过科学推导，用数学公式展现出来，最后的模型是由数个互相关联的方程组成的方程组表示出来，具有多个未知量。由于该种方法主要是理论化解析，会有一些理想化的假设，因此会与实际情况略有偏差，精度不是很高。在这种情况下，经验法的优点就体现了出来，经验法是指根据系统长时间的输入输出值，在统计学上归纳出回归曲线，再根据这些数据建立模型，这样的建模方法精度会更高。但是经验法的缺点在于该方法只能在已建成的系统上运用，如果数据过少也会造成系统模型失真。

对于船舶中央冷却水温度控制系统这种输入输出量较多，且较复杂的系统来说，最好的办法是将理论解析法和经验法结合起来，在整体模型的物理量选择上，采用解析法进行分析，但是具体到某个特定对象，如主机、中央冷却器等，就要采用经验公式来进行分析。因此，本文所探讨的实际上是一种混合模型。

2.2船舶中央冷却水系统简化模型

2.2.1选用的核心零部件

船舶中央冷却水系统是由三级冷却水回路组成的，海水回路—低温淡水冷却回路—高温淡水冷却回路。整个冷却水系统具有非常多的控制设备和一些被控部件，但是在建立模型的过程中，并不是所有的设备都需要放入模型中，有些设备的参数不是最为需要的，有些设备的存在不影响整体模型的建立。因此我们需要选择核心，相互关联的零部件放入简化模型中。

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