毕业设计（论文）船舶动力装置仪表与控制系统的故障诊断系统研究.doc

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1、大连海事大学毕 业 论 文船舶动力装置仪表与控制系统的故障诊断系统研究学院： 专业： 船舶海洋工程姓名: xxx指导教师：xxx（内容摘要格式）摘要简述了故障诊断的原理、推理模型及诊断过程针对船舶仪表与控制系统工作过程中的故障，研究了船舶动力装置仪表与控制系统的故障诊断系统，并给出了诊断实例船舶动力装置仪表与控制系统（以下简称仪表系统）的功能是监测和控制动力装置的状态仪表系统本身正常与否直接关系到动力装置能否正常运行，因此一旦仪表系统出现故障，应立即排除以前对仪表系统故障的诊断主要依靠有经验的工程技术人员利用这些工程技术人员的经验和知识建立一个诊断专家支持系统，有利于在此基础上积累更多的经验和

2、知识，也有利于改进仪表系统summary Ceaselessness reforming subsequently is thorough , the socialist market economy ceaselessness prosperous and develops, big middle-sized and small cities spend a project all in the light being in progress. Enterprise is to display self image and the product , the general city is

3、adopt to do this advertisement by neon sign screen therefore gimmick, thinking that we walk in night on the main street, the miscellaneous neon sign of both sides of the street can be seen everywhere. This deals with a lot of control problems such as go out , evasive bright time and the direction be

4、ing on the move how to go to control a neon right away , how to go and go and controlling rapid , reliable , simple , become the priority that people considers, I think that PLC is be fit to go and resolve these problems , strong , use face to go to the lavatory , adapt to because of PLC has General

5、 Availability most broad , the high , anti-interference ability of reliability is strong 。目录第1章 前言1第2章 绪论22.1 课题的来源及意义22.2 国内外发展状况3第3章 船舶动力装置仪表诊断方法的选择3.1诊断系统的功能与原理63.2诊断系统组成103.3 诊断实例113.4 船舶动力装置空调压缩机能量调节装置故障分析11第四章 控制系统设计164.1 控制系统介绍和控制过程要求164.2 控制系统设计184.3 船舶动力装置与柴油机的关系234.4 船舶动力装置仪表与控制系统选择23总结24参

6、考文献25致谢26第1章 前言船舶是水上运输，作业和保卫国防的工具。船舶动力装置是船舶上的机电设备和系统的总称，一般由主推进装置，辅助供能装置，保证船舶生命力和安全的设备及保证船上人员正常生活所必需的设备和环境保护设备等组成。船舶动力装置是船舶的重要组成部分，它是为船舶的正常航行，作业，战斗和其他需要提供推进动力和各种二次能源（如电，蒸汽，热水，压缩空气等）的一套复杂的机电设备。船舶动力装置的工作性能和效果是船舶整体性能的一个重要方面，它反映了造船技术和设计艺术的水平。由于船舶动力装置设计工作的复杂性，作为未来的船舶动力装置设计工程师和科学工作者必须具有正确的设计思想和观点，掌握船舶动力装置设

7、计的基本原理，基本内容和方法，此外应适应设计现代化的要求，掌握船舶动力装置计算机辅助设计的基本理论和方法，包括最优化设计的基本概念，本课程是一门专业设计课程，是实践性和综合性均较强的课程，因此我们重视加强在设计能力的培养。 第2章 绪论2.1 课题的来源及意义船舶是水上运输，作业和保卫国防的工具。船舶动力装置是船舶上的机电设备和系统的总称，一般由主推进装置，辅助供能装置，保证船舶生命力和安全的设备及保证船上人员正常生活所必需的设备和环境保护设备等组成。船舶动力装置是船舶的重要组成部分，它是为船舶的正常航行，作业，战斗和其他需要提供推进动力和各种二次能源（如电，蒸汽，热水，压缩空气等）的一套复杂

8、的机电设备。船舶动力装置的工作性能和效果是船舶整体性能的一个重要方面，它反映了造船技术和设计艺术的水平。船舶动力装置比陆上固定动力装置具有更多的功能，更严格的要求，更复杂的工作条件。（1） 船舶任务不同，对船舶动力装置的要求也各异。如车舰的作战，运输船的航运，工程船的作业等，分别具有不同要求。（2） 船舶动力装置必须为船员或旅客提供正常工作和生活的必须条件。（3） 船舶动力装置必须能够在大风大浪颠簸摇摆的恶劣条件下工作，要具有在孤立无缘的条件下依靠自己，维持工作，保障安全的能力。，战斗舰艇的要求更为苛刻，在战争条件下它要时刻为保存自己，消灭敌人而紧张活动活动，必须具有足够的可靠性，机动性及隐蔽

9、性。由于船舶动力装置设计工作的复杂性，作为未来的船舶动力装置设计工程师和科学工作者必须具有正确的设计思想和观点，掌握船舶动力装置设计的基本原理，基本内容和方法，此外应适应设计现代化的要求，掌握船舶动力装置计算机辅助设计的基本理论和方法，包括最优化设计的基本概念，本课程是一门专业设计课程，是实践性和综合性均较强的课程，因此我们重视加强在设计能力的培养。2.2 国内外发展状况根据目前市场理论船舶运力尤其是集装箱船舶运力已经接近饱和,随着美国经济步入衰退期,全球不可避免进入一个比较不稳定的08年,美国毕竟是世界前进的火车头,马力消耗过多,速度上不去了,中国和欧洲以及新兴国家还没有能力成为世界经济的发

10、动机. 船舶行业产能过剩1600万吨，占总产能的1/4，船舶业真正寒冬将在2011年以后 尽管现在公司还有大量的灯具订单需要完成，但是周文亮心里还是很不踏实。 半年以来，他一直在上海、南通、台州来回跑，忙着和有新订单的船厂谈配套灯具的合作。作为上海沪乐电气设备制造有限公司的销售经理，周文亮心里慌的是，这家船用灯具行业中的龙头企业因为今年订单稀少而不得不去为两三年后的生产四处奔走。 “作为船用灯具供应商，我们的高峰期是2007年，当时是动辄几十条船地签合同。但从去年下半年开始这种情况就很少见了，一般是几条船几条船地签。订单下滑幅度非常大。”周文亮告诉中国经济周刊，“现在资金回笼比较缓慢，而价格又

11、被压低。比如，以前签的一些合同，船厂现在要求我们降价，在原合同基础上下调价格。” 船用灯具供应商的日子不好过，从一个侧面反映了整个船舶行业的低迷。在航运市场陷入萧条和船东资产大幅缩水以及融资渠道阻塞等多重因素的作用下，今年前7个月“订单撤销”和“合同重谈”的案例明显增多，中国造船厂手持船舶订单撤单压力增加。 眼下，中国造船业正遭遇冬天？ “由于造船业的特点，2011年以后可能是真正的寒冬，我希望这两三年国家通过出台政策，随着世界经济的复苏，能使我国船舶业尽快度过寒冬。”中国船舶工业行业协会（下称“中船协”）秘书长王锦连告诉中国经济周刊。 订单减少90以上 低迷的迹象已经显现。 “很低迷。”华泰

12、船舶公司总经理助理徐丹在谈到该公司近期的运营状况时说，“短期内市场不会好转。” “从整个2009年上半年看，市场比较低迷，受宏观经济和航运市场的影响，船舶业自然也比较低迷。”隶属于中国船舶工业集团的中国船舶工业经济研究中心副主任廖玉伟对中国经济周刊解释说。 而在王锦连看来，金融危机对船舶行业的影响主要有三个方面：“一是订单难，从去年9月份到今年上半年，全球的订单量减少了90%以上，韩国、日本、中国接到的订单都大幅减少；二是融资难，造船业对融资的要求度比较大，一般都是几亿元、几十亿元。金融危机出现后，融资很困难，直接影响了造船；三是交船难，船东没有货物运，就不需要船。所以已经定了合同的就千方百计

13、推迟交船，甚至会撤销合同。另外船价也大幅度下降，有些船价甚至下降30%。” 1 2 3 4第3章船舶动力装置仪表诊断方法的选择31 诊断系统的功能与原理系统功能系统具有以下功能： 仪表系统的故障诊断； 仪表系统的故障分析和处理意见； 诊断知识的自完善及记录； 有关信息的打印基于层次的诊断模型该故障诊断系统采用层次诊断模型层次诊断方法是基于知识的分类方法先利用系统结构分级原理将复杂系统分为系统级、子系统级和功能单元级等几个层次，然后对不同的层次分别采用与其相适应的诊断方法逐层确定故障的部位和原因，直至达到预定层次并获得相应结果为止设诊断对象是一个由有限部件（记为）按一定连接形式组成的系统（记为）

14、，部件间的连接记为，则系统可形式化地描述为 ： （） 对于复杂系统，可进一步分解用子系统来表示可分解的系统层次，则系统的层次特性可表示为：kik j k ，m （）式中： Ski表示第k 层第i 个子系统根据系统的形式化描述方法，（）式可进一步表示为：kik j k j （）上述系统层次分级如图 所示系统结构上的层次性决定了故障的层次性采用该模型可降低系统故障诊断的复杂性在各系统结构分级时，要尽量注意该系统各子系统（或功能单元）的相对独立性，避免相互干扰最好按系统设计者所考虑的系统功能结构进行划分例如，动力装置某压力测量系统的结构分级如图 所示在该测量系统的分级中，考虑了各单元功能的相对独立性

15、图复杂系统层次诊断分级结构图压力测量系统分级示意图基本诊断策略层次诊断的具体实现是一种修正多步诊断策略该策略采用浅知识控制深、浅知识的推理它将一个复杂诊断问题简化为多个简单诊断问题，然后分别根据实际情况采用浅知识诊断方法，求解那些必须求解的简单诊断问题， 该策略主要由 个过程组成：故障检测，其任务是指出该系统的故障类型提出假设，其任务是提出故障源的假设，即下级故障所处位置和类型假设假设验证，即验证这些任务中哪些为真例如，对某热工参数系统故障检测的任务是指出该系统的故障类型是“测量指示不准”， 还是“测量无指示”；提出假设的任务是上述故障源的假设，例如传感器、信号转换装置等，而假设验证是验证上述

16、假设中哪个为正确解在某系统的故障诊断过程中，将上述 个过程重复地应用于系统、子系统和功能单元，就可完成对该系统的故障诊断诊断推理过程针对某系统故障的诊断是采用推理的形式对其故障进行诊断的方法， 诊断时，先输入初始征兆（如故障现象等），然后假设故障子系统（或功能单元）并根据相应征兆进行推理，最后得到诊断结果，并询问有关维修纪录，进行维修处理下面以某系统分级的某级故障诊断为例来说明诊断推理过程先定义几种关系：已知征兆，找出相应的故障子系统（或功能单元），将此过程用（，）表示；已知故障子系统（或功能单元），寻找与其相对应的征兆 时，用（，）表示；当某一故障子系统（或功能单元） 属于某类故障子系统（或

17、功能单元） 时，则记为 （ ， ）故障诊断的推理过程如图 所示故障诊断的推理过程如下：（） 由用户通过键盘输入确定的初始征兆（） 根据初始征兆询问有关事项，找出相应的子系统（或功能单元）集合i ，并提出故障子系统（或功能单元）假设图故障诊断的推理流程图（） 对于故障假设集合中的每一个子系统（或功能单元）i ，将征兆划分为、 类其中类：观察到的但不能用子系统（或功能单元）i 故障解释的征兆； 类：观察到的且能用子系统（或功能单元）i故障解释的征兆； 类：必由子系统（或功能单元）i故障引起的而又未观测到的征兆； 类：由子系统（或功能单元）i故障引起的尚未观测到的征兆根据这些分类表，看哪些子系统（或

18、功能单元）故障能较好地解释现有观测到的征兆在诊断过程中，如果以前曾对某一子系统（或功能单元）的故障进行过分类，则再次涉及这一子系统（或功能单元）故障时，要将其、 表的内容进行更新（） 对子系统（或功能单元）假设进行筛选，选择几个最可能的假设，把具有最少 类征兆的子系统（或功能单元）作为最终接受的故障子系统（或功能单元），即诊断结果（） 询问有关维修纪录，提出相应的故障排除对策实际系统可能发生的故障是各种各样的，故障诊断的方法也各不相同按照故障诊断通行的分类方法，可分为基于解析模型的方法、基于信号处理的方法和基于知识的方法 至于到底采用何种诊断方法，要根据诊断的目的、对象以及经济性等因素综合考虑

19、而定例如，如果不需要对象的准确模型，那么基于小波变换的故障诊断方法不失为一种新的较好的方法 本研究主要目的是： 仪表系统故障的快速诊断； 为新来人员与管理人员提供帮助，即诊断方法及实例查询； 积累诊断、维修经验综合考虑实用性与经济性等因素，采用基于知识的诊断方法3.2 诊断系统组成故障诊断系统主要由故障检测模块、故障诊断知识库、故障诊断推理机、知识库管理模块及诊断结果及处理模块等部分组成故障诊断系统的组成简图如图 所示图故障诊断系统简图故障检测模块的主要任务是通过人机交互和某些检测来推断其故障类型；知识库管理模块是对各知识库中内容实行增删、显示、特性处理和修改等工作故障诊断知识库中存储了某个故

20、障模式、故障成因等内容这些知识从有经验的工程技术人员那里得到，这是诊断的基础故障诊断支持系统的推理机在一定的推理机制指导下，根据维修人员提供的信息，用知识进行推理判断它将观察到的现象与潜在的原因相比较，以查处故障所在诊断结果模块的功能是在推理完成后给出诊断结果、维修建议措施等内容3.3 诊断实例某压力测量系统出现故障（） 其初始征兆为指示不准确（ ）、显示器输入电流不准确（ ）、信号转换装置输入正确而输出不正确（ ）（） 故障子系统为显示器 、信号转换装置 、供电系统 、传感器（） 各故障子系统故障分类如表 所示表1某压力测量系统故障分类表子系统 类别 A B C D （） 由表 可知，只有子

21、系统能解释全部征兆且其对应的 类征兆为空表，说明是信号转换装置发生故障（） 维修措施：查询维修记录知，信号转换装置存在漂移，对其调试、校正3.4船舶动力装置空调压缩机能量调节装置故障分析船舶航行于各个海域，气象条件复杂多变.为了能在舱室内创造出一个适宜的人工气候，以便为船员、旅客提供一个舒适的工作和生活环境，现代船舶大都装设有空气调节装置.对空调制冷装置来说，压缩机一般都设有能量调节装置，使用期间一般处于运转状态.在空调装置按降温工况运行时，当外界气温升高或降低时，空调制冷压缩机上的能量调节装置就会使压缩机自动地增缸或减缸工作，直至空调制冷装置由舱室带出的净显热量及净温量与舱室的显热负荷及湿负

22、荷处于平衡状态.这样，空调舱室的温度就可基本保持稳定1若制冷压缩机上的能量调节装置一旦出现故障，压缩机就不能随外界气温的变化而自动地增缸或减缸运行.这样就可能会出现:外界气温升高时，压缩机不能自动地增缸运行，压缩机长时间运转不停，而舱室的温度仍降不下来;而外界气温下降时，压缩机不能自动地减缸运行，会出现频繁起停的现象.而正常运行的制冷装置，压缩机的起停一般每小时不会超过4 次.压缩机的频繁起停，不但会使能耗增加，对电网产生冲击，而且易损坏压缩机和电动机.某轮空调采用5H60 型制冷压缩机，其能量调节装置也出现过此类故障.笔者从技术上分析故障产生原因并提出排除故障的方法，正确处理了故障，因此具有

23、实用意义.1 SH60 型制冷压缩机能量调节装置的组成特点及原理5H60 型的制冷压缩机是以R22 为冷剂的6 缸机，其中两个缸为基本缸，采用On - off与吸气回流调节法进行能量调节，分四级进行加载和卸载.吸气压力在0- 0.586 MPa 范围内，实行第一级卸载.如图1 所示，能量调节系统主要有两方面的管路.一路是来自曲柄箱的压力(即压缩机的吸气压力) ，经毛细管、喘振室传至能量调节阀的波纹管，为压力传感管路.波纹管的左端有外部调节杆，可调节弹簧的预紧力.另一路是来自油泵的压力油，先通至液压继动器，然后分两支路，一路由液压继动器控制，接通执行元件，作为执行元件的动力油路;另一路则通过节流

24、孔作用在液压继动器活塞式滑阔的左侧，作为控制活塞式滑阅移动的压力控制油路，其压力大小由能量调节阔中的针阅开度来决定.根据空调装置热负荷(压缩机吸气压力)的大小，来自油泵的压力油通过液压继动器可逐级接通或断开四个卸载油缸. 图1 5H60 型制冷压缩机能量调节原理图l一调节弹簧2一气动控制接头-推籽4- 针阀5一泄泊口6一能量调节阀7一移动螺母:8 外部调节轩9一喘振宝I()一毛细管II来自幽轴箱的压力12一控制汹压力13一来自压缩机泊袋: 泊泵压力15一控制汹滤器16一活塞式滑阀17 节流孔18一液压继动器19一泄泊口:2()一至其它卸载柑!缸21 一缸套22一卸载套2-泄汹口24一卸载汹缸2

25、5一活塞26一拨叉:27一顶杆弹簧和顶杆28一吸气阀片.当空调装置热负荷增大(外界气温升高)时，压缩机的吸气压力升高，曲柄箱压力也随之升高，通过毛细管、喘振室的吸气压力作用在能量调节阀波纹管的右端，其压力就会增大，克服弹簧预紧力及大气压力，推动波纹管向左移动，使得能量调节阀的针阀关小，作用在液压继动器活塞式滑间左侧的油压升高，并推动活塞式滑阅向右移动，使得来自油泵的压力油得以进入第一号卸载油缸，相应气缸的启阀顶杆落下，吸气阀片关闭，该缸便投入工作.如果热负荷仍大于此时压缩机的制冷量，吸气压力会继续升高，液压继动器中的活塞式滑阀就会继续向右移动，使得第二、三、四号卸载油缸陆续投入工作.反之，如果

26、空调装置的热负荷减小，压缩机的吸气压力下降，使得能量调节阀的针阅开大，经能量调节阔的泄油孔泄回油箱的油液增多，从而使作用在液压继动器活塞式滑阅左侧的油压减小，活塞式滑间在弹簧张力的作用下会向左移动，使得相应卸载泊缸的压力油从泄油口泄出，活塞式滑阅在弹簧的作用下向下移动，通过拨叉使启阀顶杆上升，吸气阅片被顶开，该缸便处于卸载状态.如果压缩机的制冷量仍大于热负荷，吸气压力会继续降低，带有卸载机构的气缸就会陆第4 期陈坚等:船舶空调5H60 型压缩机能量调节装置故障分析.355.续卸载，最后剩下两个基本缸在工作.如果压缩机的吸气压力仍继续下降，当它降低到低压继电器的断开压力以下时，则压缩机就要停车.

27、2 故障的现象及分析工作人员发现空调制冷压缩机起停比较频繁.经检查，膨胀阀工作正常，没有堵塞.贮液器液位正常，排除了冷剂不足的可能性.而且高低表1 压缩机加载卸载控制油压值一览表压继电器调整值正确，压缩机润滑油泵的油压正常加减载顺序控制油压噎型雪L一(压力表) ，笔者怀疑可能是能量调节装置有问题， 力日载减载1 号缸0.211 0.134并发现压缩机运行时控制油压表压力在o. 12 号缸0.183 0.112正常压缩机在该控制油压值是处于满载状态(压缩3 号缸0.162 0.085机各级加减载的正常控制油压值见表1 ) .而此时压4 号缸0.141 0.063缩机的吸气压力已低于0.586 M

28、Pa ，正常情况下压缩机应实现第一级卸载，但压缩机却一直满载工作，直到On-ofT动作停机.故而断定该压缩机能量调节装置有故障，不能正常卸载.压缩机不能卸载的故障原因可能是:能量调节间不工作;卸载元件粘结;液压继动器粘结;去动力元件(执行元件)的油路堵塞或外部调节杆损坏.停机拆除压缩机能量调节装置侧的端盖，对能量调节装置进行全面解体检查，结果是:去执行元件的油路是畅通的，外部调节杆没有损坏，液压继动器活动自如，来自油泵的控制油粗滤器是干净的.拆开能量调节间，用压缩空气吹试毛细管均畅通.经检查，针阀是完好的，针阀弹簧无卡阻现象，但发现顶开针阀的三根小推杆无规则地叉开着，这时才发现三根推杆的套簧有

29、变形.这就是使压缩机无法卸载的原因所在，问题就出在三根推杆的套簧上.三根推杆要能正确推开针阀，必须要顶在针阀的凸肩上，是靠套簧来组正.一旦弹簧变形，三根推杆的着力点不在针阀的凸肩上或是叉开着，就会使针间要么微开，要么一直处于关闭状态，使得液压继动器活塞式滑阀左侧的控制油无法通过能量调节阔的泄油孔排回曲柄箱，或泄油微小，导致液压继动器活塞式滑阅左侧控制油无法泄压，也就无法使活塞式滑阅左移进行卸载动作.经分析，弹簧变形的原因可能是质量有问题，而且经过长时间的工作振动导致疲劳变形.经过更换弹簧，装复调试，采用外部调节杆进行手动卸载和加载试验，能量调节工作立刻恢复正常.该轮也曾出现过压缩机无法加载的故

30、障，其现象是油泵油压正常，控制油压偏低(仅0.12 MPa 左右) ，有较大的压差.后经检查，笔者发现是控制油粗滤器脏堵，经清洗后试车正常-5H60 型制冷压缩机运行一般情况下是很稳定的，各任上的主管轮机员缺乏对能量调节装置的保养，致使潜在着故障隐患.3 有关保养的几点建议应定期对能量调节装置进行效能保养，建议如下:1 )作为能量调节装置控制油的压缩机曲柄箱润滑油，一定要保持干净.每次补充油时一定要注意清洁过滤，避免脏堵. 2) 控制油人口的粗滤器滤网要保持不堵塞.3) 液压继动器活塞式滑阀的小节流孔要保持清洁畅通.如果此孔堵死不通，控制油就无法进入液压继动器活塞式滑阀的左侧，压缩机也就无法加

31、载.活塞式滑阀底部的双弹簧要注意检查有否变形或损伤.如有损坏，要立即更换.否则，将直接影响到能量调节.4) 能量调节阀的推杆、套簧应保持完好、元变形，不能有任何的积垢，以免影响推杆动作，甚至导致针阀卡死.针阀若卡死在开 .位置，压 .机将元法加载，反之则无法卸载.泄油孔要保持畅通.地油孔堵死也会引起无法卸载.5) 毛细管和喘振室应保持畅通.否则，毛细管所感应的曲柄箱压力就无法作用于能量调节阀的波纹管上，就有可能导致能量调节阅动作迟滞、失灵-6) 执行(动力)元件的进、泄油路要保持畅通.否则，进油路堵塞就会使压缩机元法加载;泄油路堵塞将有可能使压缩机无法部载.此外，启阀顶杆机构也要保持活络.第四

32、章 控制系统设计4.1 控制系统介绍和控制过程要求 人们常常认为冷面上的结霜过程便是空气中水蒸气向冷面直接凝华的过程,但我们的微观可视化研究却发现这个过程实际上比我们想象的要丰富多彩。连续显微摄像记录表明:冷面上的结霜经历了水珠生成、长大(包括水珠的合并)、冻结、初始霜晶生成、霜晶成长(包括部分霜晶的倒伏)这样一个多姿的过程。图2 展示自然对流条件(空气温度和相对湿度分别为19 和60% )下疏水性冷面上结霜过程的代表性微细观照片。图中的t 代表实验开始后经历的时间,t= 0 s 时(图2a)冷面上看不到液滴;t= 50 s 时(图2b)冷面上有大量液滴,液滴直径较小;与t= 50 s 相比,

33、t= 100 s 时(图2c)冷面上的液滴尺寸变大;t= 150 s 时(图2d)部分滴状物顶部已开始出现霜晶,同时其透明度较液滴要低,这些迹象都表明此时液滴已经冻结成冰滴。与t= 100 s 时相比,t= 150 s 时的冰滴尺寸有所增大。对比图2e,f,g 和h 可见,随着时间的推移霜晶不断成长,并且伴有部分霜晶的倒伏。裸面上的结霜过程呈现与之类似的特点。任何相变最初都要经历一个新相的成核过程6,根据上述实验观察可以对冷面上的结霜过程作如下描述:首先湿空气中水蒸气分子由于涨落,在化学势较低的冷面上凝聚生成活化液核(液核半径大于临界半径),之后水蒸气分子向这些化学势更低的液核直接凝聚,促使液

34、核不断长大最终长成宏观水珠,当相邻水珠因长大而接触时就合并为一,即相邻水珠间的合并也是水珠长大的原因之一。水珠长到一定程度时,过冷水珠内生成冰晶核,水珠变成冰珠,随后水蒸气分子在冰珠表面凝华生成初始霜晶,水蒸气分子的继续凝华促使霜晶不断长大。由于凝华是气固相变,释放出水的气化潜热,这部分热量被霜晶吸收,使霜晶温度上升,有时甚至导致部分霜晶融化,其表现为部分霜晶的倒伏。综上所述,结霜过程可分为3 个阶段:结露过程、水珠冻结、霜晶生成和成长过程。其中结露过程包括水珠生成和长大,是气液相变的凝结过程。水珠冻结是指水珠冻结成冰珠,是液固相变。霜晶生成和成长过程包括初始霜晶生成和霜晶成长(包括部分霜晶的

35、倒伏),主要是凝华(气固相变)、霜晶倒伏时的融化(固液相变)和随后的再冻结(液固相变)过程。图2 自然对流时疏水面(= 110)上的结霜过程2. 2 表面湿润性对结霜过程的影响图3 展示自然对流条件下裸面上结霜微细观过程的代表性照片。实验观察表明,与疏水面的情况类似,裸面上的结霜同样经历了水珠生成、长大(包括水珠的合并)、冻结、初始霜晶生成、霜晶成长(包括部分霜晶的倒伏)的过程。通过图2 与图3 的对比可知疏水面与裸面上的结霜过程又有区别,主要表现在:1)裸面上的水珠和冰珠相对较小,疏水面上最大的冻结水珠直径为0. 142 mm;而裸面上最大的冻结水珠直径约在10m 量级;2)疏水面上较晚出现

36、霜晶,如t= 100 s 时,疏水面上尚无冰珠(图2c),而裸面上已布满霜晶(图3d);3)疏水面上霜晶生长的较慢,如t= 200 s 时,疏水面上只有少量霜晶(图2e),而裸面上长满了高大纤细的霜晶(图3f),并且这些霜晶甚至高于疏水面上t= 400 s 时的霜晶(图2h);4)霜晶的形态不同,裸面上的霜晶纤长,而疏水面的霜晶有较多的枝节。初始霜晶出现前,两种试验表面上都发生了结露现象。小水珠在冷表面上生成后,不断长大直至冻结。实验中发现,促使水珠长大的原因除了水蒸气在水珠表面的直接凝结外还有小水珠之间的合并,水珠间的合并在结露后期起主要作用。水珠合并的剧烈程度直接影响水珠的尺寸。接触角越大

37、水珠越容易移动7,进而较易合并而长大,这是疏水面上水珠较大的原因。当水珠长到一定程度时,处于过冷的水珠发生冻结。实验表明裸面上较早出现冻结水珠,对此可作如下分析。裸面上的水珠尺寸小,与壁面间的接触角亦小,故液滴高度很小,且与冷面的接触面积相对较大,致使其表面温度更接近于冷面温度,而易于冻结。上述实验结果表明疏水性面上霜晶高度低于裸面上霜晶高度。这可从两方面来解释:一方面,疏水面上初始霜晶出现较晚,初始霜晶的滞后出现影响着整个霜晶生长过程中霜晶的高度;另一方面,如前所述,裸面上的水珠尺寸较小,与壁面间的接触角较小,故液滴高度很小,且与冷面的接触面积较大,故易于换热,从而使得霜层顶部霜晶过冷度较大

38、,水蒸气更容易凝华而增加霜晶高度。图3 自然对流时裸面(= 56)上的结霜过程4.2 控制系统设计控制系统设计是一个很的工程。由于涡轮增压器的影响，涡轮增压柴油机的时间延迟更大，非线性特征也更加强烈.而现在柴油机控制一般是根据不同的工作点设计多个控制器，然后根据实际工况进行调度.但在工作点快速变化的情况下，这一控制方案不能保证系统的稳定性和性能指标IJ 因此，需要寻找基于模型的优化控制算法和用于控制器设计的数学模型.近年发展起来的鲁棒增益调度算法可以解决这个问题，但需要线性变参数(LPV) 状态空间模型作为算法设计的基础2JS. Quenou-Gamo 等人在涡轮增压柴油机循环平均数模型5J

39、并在其博士论文中进行了详细研究6J 上述模型在平均值模型基础上发展起来，并在空燃比控制方面得到广泛的应用，但没有综合考虑柴油机动力性能与气体通道.该文以对转速和气缸进气量流量的综合控制为目标，简化平均值模型，并转化为四阶线性变参数状态空间模型.以MAN-B&.W公司的6S60MC 型船用柴油机为例进行了仿真计算，并与平均值模型进行了对比分析.1 平均值模型的简化考虑到中冷器的作用是对压气机出口的气体降温，同时忽略压气机出口气体的温升和中玲器的冷却作用，对扫气箱内气体温度和压力影响不大.因此，首先忽略中冷器的影响按照平均值模型基本原理把柴油机划分为几个相对独立的控制单元，工作原理如图1 所示.由

40、废气驱动的涡轮带动压气机把自然空气压缩后送入扫气箱，使扫气箱保持一定的压力;直接喷人气缸的燃油和空气在气缸内燃烧，发出扭矩，并使排温升高.根据质量和能量守恒定律及理想气体状态方程建立各控制单元的数学模型，组合到一起构成平均值模型7-81 同时，对涡轮增压器、动力学、扫气箱和排气管的模型作进一步简化.螺旋桨图l 柴油机工作原理图Fig. 1 Schematic diagram of a diesel engine1. 1 动力学模型柴油机转速可由牛顿第二运动定律得到,; _ Ti - T J - T1 30一- J ，十Jl .式中:n， 为柴油机转速， J ， 为柴油机曲柄连杆机构平均转动惯量

41、， Jl 为负载转动惯量， Tl 为负载扭矩，Ti 为柴油机平均指示扭矩， TJ 为摩擦扭矩.柴油机产生的平均指示扭矩由进入气缸的燃油平均质量流量矶、燃油低热值H. 、指示效率桥，用下式计算:T = 30 .1. 0. 0 0 /l-H- L (2) n ，(1)E. Hendricks 利用实验数据得出大型低速柴油机的指示效率为过量空气系数的函数9J 如把过量空气系数控制在一定的范围，指示效率取定值计算，引起的误差应在可接受的范围之内.发动机的摩擦损失压力岛是发动机转速的二次函数.但在简化计算时，合理选择参数，把摩擦损失压力看作转速的一次函数引起的误差可以接受，因此摩擦扭矩为T-1 00OP

42、fVd-l OOOknYdj 一一豆豆可7一2N(3)式中:k 为在额定转速下的摩擦系数;Vd 为气缸每循环排空容积;N 表示柴油机的冲程数，二冲程取1，四冲程取2.燃油平均质量流量mf 的计算为mJ = mNYln.l60N. (4)式中:m 为单缸每循环喷油量;NYI 为气缸数.1. 2 涡轮增压器平均值模型中，涡轮增压器的压气机流量、效率及涡轮效率等都通过稳态数据插值得到，不能用于基于模型的控制算法的设计. Amstutz 把压气机的功率看作依赖于涡轮端功率的一阶系统叫，即P, = (守mP ， - P，)/(5)式中:P， 为压气机吸收的功率， P， 为涡轮发出的功率， 11m 为涡轮

43、增压器机械效率， r 为与涡轮增压器结构有关的时间常数.涡轮发出的功率为P , m ，川， T ， l 一(如/PY 七一1)/是， . (6)式中:m ， 为涡轮排气质量流量， Cp. 为废气的定容比热，币，为涡轮效率， T， 为排气管内气体温度，品为涡轮出口背压， e 为排气管压力，走，为废气的绝热指数.其中m ， 计算方法为品，一，F， I ，_J ( Pb f; _ (Pb 卡丁一一一-，-，vR. T ， 勾k ， -1L飞 ， 1 p , 1 J(7)式中:F， 为涡轮当量通流面积， R， 为燃烧废气气体常数.1. 3 扫气箱S. E. Lyshevski 等人的研究表明扫气箱散热

44、对柴油机模型准确性的影响不大IIJ 将扫气箱温度取定值可得简化的扫气箱模型为Pi = (m, - min)RTim/Vi. (8)式中:Pi 为扫气箱压力， Vi 为扫气箱容积， R 为扫气空气气体常数， Tim 为扫气箱温度， m ， 为压气机空气质量流量， min 为流入气缸的平均空气质量流量.压气机空气质量流量m， 为FA=-E-Pc.(9)C pTa ( .; 户a)p -1式中:户a 为大气压力; Cp 为空气的定容比热;=(k 一l) /k ， 其中h 为空气的绝热指数;可c 为压气机效率.2m为凡-3毗LW量-6流q气=L飞VLn的-m缸气入流(10)式中:和为气缸容积系数，是转

45、速和进气管压力的函数，在简化计算中可取额定工况值. 968 院尔滨工程大学学报第28 卷1. 4 排气管排气管内气体温度可以方便的测量，因此把排气管内气体温度看作已知量，得简化的模型如下:, = (m o -m,)RTjV. (11)式中:p， 为排气管中压力;V， 排气管容积;品。ut 为气缸排气质量流量，即进入排气管流量，是气缸进气量和燃油量之和:m =min 十mf 川t，为通过涡轮气体质量流量.2 线性变参数状态空间模型线性变参数系统是指其参数矩阵依赖于外部随时间变化的向量 ( t) 的线性系统. 4 个连续时变的参数矩阵.选取状态变量x=n. P. P， JT ，输入变量u=m TtJ T 观察上文模型，发现状态变量矶、p; ， p， 在某些项中以非线性形式进入系统.为把简化的平均值模型转化为式(1 2) 的形式，需将以非线性形式进入系统的状态变量看作参数.令:Pl =n,;2= ;P3= .3 模型仿真与验证