船舶柴油机冷却水温度控制技术参考资料

目前，船舶主机缸套冷却水温度的自动控制大多使用的是模拟式调节仪表，由电子器件的逻辑运算输出控制信号来驱动继电器，从而对电动机进行转向控制，实现对温度的控制。

从整体上看主要存在以下两个明显的缺点：一是采用的元器件比较落后，导致电路较为复杂，使用的逻辑元器件也较多，增加了备件管理和维护工作的难度；二是由于系统整体比较复杂和模拟仪表的实现功能的限制，这些温度控制器都采用了较简单的控制规律，不能提供很好的控制性能。

综合这些不利因素，此类控制系统已经无法满足日益提高的控制性能需求，必须采用新的控制方式。

1.1 直接作用式控制方式在20世纪50年代末期，船舶柴油机冷却水温度控制是采用直接作用方式。

这是一种早期的反馈式控制方式。

其特点是，不需要外加能源，而是根据在冷却水管路中的测量元件内充注的工作介质的压力随温度成比例变化而产生的力来驱动三通调节阀，进而改变流经淡水冷却器的淡水流量和旁通淡水流量，从而实现温度调节。

这种控制方式的缺点是显而易见的，测量元件内充注的工作介质对密封性要求很高，如果测量元件内充注的工作介质泄漏，那么其本身的压力就不能随温度成比例进行变化，因而使得温度控制失去作用。

同时，其控制精度不高，冷却水温度变化较大，对船舶柴油机的稳定运行也会不利。

整个船舶主机冷却水温度控制系统主要是由单片机测控平台、温度传感器组、执行机构，以及控制软件等部分组成的。

其中，温度采集模块是由分布在柴油机冷却水系统各部分的温度传感器组成的，采用了具有良好性能的感温元件，用来测量冷却水的温度；单片机测控平台内置单片微处理器，由温度采集接口电路、键盘与显示电路、以及执行机构接口电路所组成，可以对柴油机冷却水的温度进行监控，对执行机构发出控制指令，实现温度的检测与控制[3]。

2.2 系统各组成部分功能说明下面分别对单片机测控平台、温度传感器组、执行机构和控制软件等部分进行详细的说明:1)单片机测控平台单片机测控平台是整个温度控制系统的重要组成部分，它要获取温度传感器组的测量数据，并且与温度设定值进行比较，同时输出控制信号到执行机构，实现温度的检测与控制。

系统控制过程是，当测量温度比设定温度高时，单片机断续输出控制信号，经过光电隔离和驱动放大后，输出给增大输出继电器，继电器控制三相伺服交流电动机断续运转，使得连接在电机上的三通调节阀转动，减少不经冷却器的旁通水量，增加经冷却器的淡水量；若是测量温度比设定温度低时，单片机断续输出控制信号，经过光电隔离和驱动放大后，输出给减小输出继电器，继电器控制三相伺服交流电动机断续运转，使得连接在电机上的三通调节阀转动，增加不经冷却器的旁通水量，减少经冷却器的淡水量。

经过此自动控制过程，使主机缸套冷却水温度稳定在设定数值，或是设定数值附近，从而达到自动控制温度的目的。

2)温度传感器组本系统采用了具有良好性能的铂热电阻pt100，用来测量冷却水的温度。

同时，为了保证测量的准确性，采用了多点测量的方法，即在主机缸套冷却水的进口和出口，及缸套壁处都安装了温度传感器，分别测量这几点的温度，然后单片机控制多路开关，分别采集这几点的温度数值。

在某一时刻，单片机采集的是某个点的温度实际数值，然后与该点的设定数值相比较，再输出控制信号。

3)执行机构执行机构是指进行温度调节的机械装置，即控制继电器、三相伺服交流电动机和三通调节阀。

由于水是一种大惯性的传热介质，当控制系统对水温进行调节时，由于冷却水的热容量大，温度响应速度很慢，水温并不是立即调整到指定数值，而是一个缓慢、渐进的变化过程，因此，就需要执行机构进行断续地控制，以一定量的延迟时间来确定水温的变化。

本测控系统采用了AT89C51作为微处理器，采用铂电阻(pt100)作为温度传感器，与运算放大器相结合构成精密测温电路，采用了ADC0809芯片作为精密测温电路与单片机的转换通道。

接触式编码器用来指示柴油机油门的位置。

键盘矩阵采用2行3列非编码方式，显示部分为3位LED数码管显示。

系统输出环节通过单片机输出口传递输出控制信号，经光电耦合4N25和模拟开关CD4052后去控制继电器的通断，进而控制三相伺服交流步进电机的旋转。

3.2 系统各主要模块介绍如图3-1所示，系统的硬件结构主要由温度检测电路、A/D转换电路、键盘与显示电路、报警电路、驱动电路和输出控制电路等部分组成。

下面，分别对几个主要模块进行详细介绍。

1)主控单元主控单元采用ATMEL公司的AT89C51控制芯片。

AT89C51是一种高性能、低电压、低功耗的8位CMOS 微型处理器，具有40针脚，与51系列单片机的指令、管脚完全兼容。

它具有4K字节的片内程序存储器，并且是FLASH工艺的，这种工艺的存储器用户可以用电的方式瞬间擦除、改写，同时，写入单片机内的程序还可以进行加密，因而可以有效地保存数据信息。

由于主要用于冷却水温度的测控，片内具有的4K字节己经能够满足系统设计需求。

此外，AT89C51还具有128字节RAM,32条可编程I/O线，2个16位可编程定时/计数器，6个中断源，1个串行I/O口，片内振荡器和时钟电路[4]。

在控制软件的支持下，CPU对外围电路进行控制、计算，将温度检测电路输入的温度测量数值进行处理，并扫描、显示，同时将计算得到的控制结果输出给控制电路对执行机构进行操作，完成整套控制过程。

AT89C51的接口电路有ADC0809、8279、4N25和CD4052等芯片。

其中，ADC0809作为温度测量电路的输入接口，8279用于键盘、LED数码管显示电路的接口，4N25和CD4052控制系统输出，包括光电耦合和模拟开关等元器件。

(3-3)根据测温要求，当t=0 ℃时，U0=0V；当t=100℃时，U0=5 V。

取R1=R2=10kΩ，R4=100Ω：①当t=0 ℃时，Rt =100 ℃，故电桥平衡，ΔU0 =OV，U0 =OV；②当t=100℃时，R=138. 50Ω(查铂热电阻pt100的温度阻值表)，取U+=5V , 由式子(3-2)得: 。

因此，当要求输出电压U0=5V时，由式子(3-3)可知，电压放大倍数应为：AF=U0/ΔU=5000mV/18.799mV=266故应选择RF的阻值为：RF=AF*R4=266×100=26600Ω，可取标称电阻为RF=27K。

如上图3-3所示，测量电桥的输出端串接两个电阻和一个电位器是为了系统调零作用，因为电桥各臂的电阻并不一定完全满足条件：R1R4=R2Rt，即在0℃时，电桥有一定的输出，可以通过调节电位器RP即可调零。

图中，RP=47kΩ，R5=R6=100kΩ。

3)A/D转换电路A/D转换电路中采用了比较常用的ADC0809芯片。

ADC0809是一种8位逐次逼近式A/D转换器，它由8通道模拟开关和A/D转换两部分组成，其转换时间大约为100μs，转换精度为0.4℃。

由于冷却水是大惯性的传热介质，ADC0809的此项性能指标已经满足了温度控制的时间和精度，因此，选择ADC0809作为模拟/数字转换芯片，使系统成本较低。

图3-4给出了ADC0809与AT89C51接口图。

在硬件连接时，IN0-IN7为8路通道模拟开关，只需要其中IN0一路用以转换电路，故其他各路直接接地[6]。

温度传感器传来的检测信号经过模拟/数字转换后，变成单片机可以识别的数字信号，从而可以对冷却水温度进行比较。

4)接触式编码器接触式编码器是一种位置反馈和测量元件，具有结构简单、可靠性高、分辨率高、精度高、体积小、重量轻等特点。

将码盘与油门指针同轴连接，旋转时即输出一系列脉冲，送到计数器即可推算出油门所转过的角度。

其中码盘是转角的数字编码器，在绝缘材料圆盘上粘贴导电铜箔，利用电刷与铜箔接触与否代表逻辑“0”和“l”，铜箔的形状按二进制规律设计。

四位二进制码盘分为导电区和绝缘区，所有导电部分连在一起接高电位，四个互相独立的电刷沿同一径向放置，并分别与四个码道相接触，各电刷经电阻接地，四个电刷上输出四位二进制代码。

当电刷与码盘的导电部分接触时，输出为高电平“1”；而与码盘的绝缘部分接触时，输出为低电平“0”。

这样，当码盘与油门指针一起转动时，静止的电刷将输出一个与油门角位置相应的二进制数码[7]。

5)键盘与显示电路由于CPU管脚的数量有限，因此在键盘和显示电路的设计时，采用了8279可编程的键盘显示专用扩展I/O接口芯片，它本身能够提供键盘、显示控制所需的扫描信号，因此可以代替单片机完成键盘、显示的控制。

其中，键盘矩阵采用2行3列非编码方式，采用软件查询方法来设计，低电平有效。

显示部分为3位LED 数码管显示，显示的内容是温度数值的十位、个位和小数点后一位。

键盘控制的方式是采用8279扫描键盘，判断是否有按键按下，进而判断按键的内容，送至AT89C51处理。

显示程序的执行过程是：首先AT89C51通过P2.1口选通8279，低电平有效，然后把将要显示的数字，其相应的字型码送至DB口，接下来设置位选信号，利用SL1、SL2分别设置0或者1，分别选择要显示的LED 数码管(共阴极)，8279将要显示的数字通过OUTB和OUTA口显示在LED数码管上，同时把将要显示的数字转换成7段码形式，编写成数据表格的形式，存储在单片机内部存储空间里[8]。

图3-5给出了键盘与显示电路图。

4.1.1 前馈控制冷却水的扰动主要是热负荷的变化，而热负荷的变化可通过功率的变化来反映，因此针对其惯性较大，可以在PID反馈控制的基础上，引入以功率作为热负荷信号的前馈控制，从而优化控制性能。

在前馈-反馈控制系统中，由于有反馈控制来保证被调量最终等于给定值，可以降低对前馈控制的要求，使前馈调节器可以选用比较简单的动态特性和结构形式；另一方面，由于有了前馈控制来抵消某些主要扰动，使被调量不致出现过大的动态偏差，因此反馈控制可以较慢的进行[10～11]。

图4-1中，Gp1是主对象，Gp2是输入的扰动对象，Controller是本系统的温度控制算法。

当编码器采集到负荷增加较大时，比如增量超过20%，前馈调节器迅速减少通过旁通阀的流量，让通过冷却通道的冷却水流量增加；当编码器采集到负荷降低较大时，前馈调节器则迅速增加通过旁通阀的流量，让通过冷却通道的冷却水流量减少。

这样就可以进行提前调节，在缸套温度明显上升前进行预调。

当然前馈控制是“利用扰动补偿扰动”，无法保证每个功况下进行无差补偿，即，只有前馈调节不能对水温进行精确地控制，所以前馈控制只能是一种粗调，必须引入反馈控制环节。

4.1.2 反馈控制前面已经分析过，船舶柴油机冷却水的温度控制系统具有明显的纯滞后特性。

因此，在确定冷却水温度控制系统的传递函数时，必须要考虑到此纯滞后特性。

一般来说，冷却水温度变化滞后于控制作用的时间为t，则t应该由以下的表达式给出，即t=L/v。