船舶蒸汽动力装置调节／保护多目标切换控制问题研究
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动 力 装 置工 况 大 范 围变 化 时 的快 速 响应 与 安 全 性 之 问 的矛 盾 。 关 键 词 ： 舶 蒸 汽 动 力 装 置 ； 调 控 制 ； 换 控 制 船 协 切
分 类号 ：Ｍ ２ Ｔ ６１ 文 献 标 识 码 ： Ａ 文源自文库章 编 号 ：０ １５８ ２ １ ）３０ ６ －３ １０ —８４（０ １ ０ －１１ ０
第５ ３卷 第 ３期
汽
轮
机
技
术
Ｖ０ ． ３ Ｎｏ ３ １５ ．
２１ ０ １年 ６月
Ｔ ＲＢＩ Ｅ ＨＮ０Ｌ Ｕ ＮＥ Ｔ Ｃ ０ＧＹ
Ｊ ｎ ２ ｌ ｕ ．０ ｌ
船 舶 蒸 汽 动 力 装 置 调 节 ／ 护 多 目标 保 切 换 控 制 问题 研 究
范 轶 沈 毅 徐 志 强 于 达 仁 ， ， ，
荷工 况 （ 包括 超 负 荷 工 况 ） ， 转 换 工 况 的 过 渡 过 程 中 、 下 在 在
航行或其它原 因引起 摇摆 、 时间和 短时 间倾斜 和倾差 、 长 振
收稿 日期 ：０ ０１－６ ２ １—２０
分 析 其 原 因 ， 于船 舶 蒸 汽 动力 装 置 对 快 速 性 和 安 全 性 由
速 性 和 安 全 性 之 间 的 矛 盾 。值 得 注 意 的是 ， 保 护 控 制 器 开 在 始 控 制 之 后 ， 炉 主 汽 压 力 沿 着 设 定 的高 压 保 护 线 １０ 锅 ．２运 行 ， 好地 缩 短 了加 速过 程 。 很 ３２ 控 制 信 号 的切 换 过 程 分 析 ．
，
（ ｃｏｌ ｆ ｓ ｏ ａｔ ｓＨ ｒｉ ｎｔｕｅｏ ｅｈ ｏｏｙ Ｈ ｒｉ １０ ０ ， ｈｎ ； １Ｓｈ ｏ ｏ ｔ ｎｕｉ ， ａｂｎＩｓｔｔ ｆ ｃｎ ｌ ， ａｂｎ ０ Ｃ ｉａ Ａ ｒ ｃ ｉ Ｔ ｇ ５ １ ２Ｓ ｈｏ ｏ ｎｒｙＳｉｎｅａｄＥ ｇ ｅｒ ｇ Ｈ ｒｉ ｓ ｔｔ ｏ ｅｈ ｏ ｇ ， ｒｉ １０ ０ ， ｈｎ ） ｃ ｏｌ ｆ ｅｇ ｃ ｃ ｎ ｎｉ ｅｉ ， ａｂｎＩ ｔｕｅ ｆ ｃ ｎｌ ｙ Ｈａｂ ５ ０ １ Ｃ ｉ Ｅ ｅ ｎ ｎ ｎｉ Ｔ ｏ ｎ ａ
Ｍ ｌ． ｊ ｔｅＲ ｇｌｉ ｎ ｒ ｅｔｎＳ ｉｈ ｇＣｎ ｏ ｕｔｏ ｅ ｉ ｅｕ ｔｎａｄＰｏ ｃｏ ｗｔ ｉ ｏｔｌ ｉ ｂ ｃｖ ａｏ ｔ ｉ ｃｎ ｒ
ｆｒＭａｉｅ Ｓｅ ｍ ｏ ｒＳ ｓｅ ｏ ｒ ｔａ Ｐ ｗｅ ｙ ｔｍ ｎ
Ｆ Ｓ Ｎ Ｙｉ ＸＵ Ｚ ｉｑａ ｇ ＹＵ Ｄａｒｎ ＡＮ Ｙｉ ， ＨＥ ， ｈ． ｉｎ ２ ． ｅ
ｓ ｔｈｉ ｔａ ｅ ｙ ｔ ｏ ｔｏ ． Ｔｈ ｎ ｗｅ ｄｅ ｉｎ ｔ ｅ ＰＩｃ ｎ ｒ ｌｓ ｓｅ ． Ｆｉ ａｌ ｗｅ ａｉ ｔ ｈ ＯＴ ｃｎｅ ｓ ｏ ｈｅ ｍ ｏ ｅ ｙ ｗｉｃ ｎｇ ｓｒ ｔｇ ｏ ｃ ｎｒ １ ｅ ｓｇ ｈ ｏ ｔｏ ｙ ｔ ｍ ｎｌ ｙ． ｖ ｌｄａｅ ｔ ｅ Ｃ ｌｅ ｔ ｓ ｆｔ ｄ ｌｂ
殊性 。为此 ， 在结合 船舶 蒸汽动力装置的安全运 行要 求的基础上 ， 论述 了船舶蒸汽 动力 装置 的调 节／ 保护 的基本 思 想， 给出了船舶蒸汽动力装置调节／ 保护 的控制结构 ， 并提出了一种基于 Ｍ ｘ Ｍｉ ａ／ ｎ的切换规则并在此基础上设 计 Ｐ Ｉ 控制器 。最后通过仿真验证 了基于切换控制的船舶蒸汽动力装置调节／ 保护 的控 制方法能够较好 的解决船舶蒸 汽
ｍａ ｅ ｖ ｒ ｂ ｌ ｙ ａ ｄ ｓ ｆ ｔ ｕ ｏ ｔ ｅ ｂｇ ｌａ ｓ ｖ ｒ ｉ ｇ ｆｅ ｕ ｎ ｌ ．Ｔ ｅ ｐ ｐ ｒａ ａｙ ｅ ｈ ｏ ｔ ｌｔｓ ｓ ｓ ｆ ｏ ｎ ａｉ ｓ ｎ ｕ ｅａ ｉ ｔ ｎ ａｅｙ ｄ ｅ ｔ ｈ ｉ ｏ ｄ ａ ｙｎ ｒ ｑ ｅ ｔ ｉ ｙ ｈ ａ ｅ ｎ ｌ ｚ ｄ ｔ ｅ ｃ ｎ ｒ ａ ｋ ， ａｅ ｂ ｕ ｄ ｒ ｏ ｅ
油 器 火 炬 断 火 ， 至 锅 炉 灭 火 等 故 障 ， 重 影 响 运 行 的 安 全 甚 严 性 和稳 定 性 。
出了更高 的要求
。
另 一 方 面 ， 于 船 舶 工 作 环 境 的特 殊 性 ， 其 动 力 装 置 由 对
工作 的可靠性要求非常严格 ， 要求机组 在全负荷 以及非全 负
但是在实 际运行 中发现 ， 在机组 正 常运行 的情况 下， 种方 这
案 基 本 能 满 足 调 节 要 求 ， 机 组 负 荷 大 幅 度 变 化 时 ， 常 出 当 常 现 超 温 、 压 ， 轮 增 压 子 系统 喘 振 ， 及 燃 油 量 与 空 气 量 不 超 涡 以 匹 配 ， 起 锅 炉 燃 烧 不 稳 定 、 黑 烟／ 烟 ， 者 引起 锅 炉 喷 引 冒 白 或
动 以及 破 损 的情 况 下 ， 组 均 能 及 时 的 供 应 所 需 参 数 与 数 量 机
Ｏ 前
言
的蒸 汽 ， 且 在 任 何 情 况 下 不 产 生 局 部 热 应 力 和 过 热 发 生 损 并
坏 而被迫停止工作 。这 些安 全限制 给控制 系统的设计 带
机 动 性 是 船 舶 性 能 的 主 要 指 标 之 一 ， 定 了船 舶 生 存 能 决 来 了诸 多 限制 ， 速 性 和 安 全 性 的要 求 ， 成 了 船 舶 蒸 汽 动 快 构 力 装置 互 相 矛盾 的 主要 的性 能 指 标 。 目前 ， 舶 蒸 汽 动 力 装 置 协 调 控 制 系 统 的设 计 思 想 基 本 船 上 与地 面火 力 发 电 机 组 的 是 相 同 的 ， 即通 过 引 入 前 馈 控 制 、 非 线 性 元 件 或 交 叉 环 节 ， 限 制 在 过 渡 过 程 中机 组 主 要 参 数 以 的波动 ， 高机组 的响 应速 度 ， 足外 界 负荷 的 要求 Ｊ 提 满 。
力… 。船舶动力装置因为需 要满 足船舶 在不 同海情 和各种
条件 下 的航 行 需 要 ， 荷 变 化 频 繁 ， 动 幅 度 大 。在 运 行 过 负 变 程 中 ， 汽 轮 机 经 常 由某 一 转 速 ， 至 从 最 大 额 定 转 速 直 接 主 甚 速关 停 车 ， 直接 转 换 到 倒 车 状 态 ， 者 从 停 车 状 态 直 接 阶 或 或 跃 到某 一 高 转 速 工 况 ， 时要 求 机 组 由一 个 工 况 过 渡 到 另 一 同 工况 时 ， 能快 速操 纵 ， 渡 时 间 短 ， 发 生 冒 黑 烟／ 烟 ， 发 过 不 白 不 生超压／ 欠压 等故 障 ， 而 对 动 力 装 置 的 机 动 性 和 快 速 性 提 从
ｓｍｕｌｔｏ ａｃ ｌ ｔｏ ｉ ａｉ ｎ ｃ ｌｕ ａｉｎ．
Ｋｅ ｏ ｄ ｍａ ｉｅｓｅ ｍ ｙ ｗ ｒ ｓ： ｒ ｎ ｔ ａ ｐｏｗｅ ｙ ｔ ｍ ； ｃ ｒ ｎａ ｅ ｃ ｔ ｏｌｓ ｔ ｍ ；ｓ ｉｃ ｎｇ ｃ ｔ ｏ ｒｓｓｅ ｏｏ ｄｉ ｔ ｄ ｏｎ ｒ ｙｓｅ ｗ ｔ ｈｉ ｏｎ ｒ ｌ
图 ４ 控制器切换系统原理图
路 ， 照 运 行 模 式 的需 要 改 变 控 制 的 模 式 ， 过 这 些 相 对 简 按 通
单 控 制 器 之 问 的 切换 ， 决 机 组 响 应 的快 速 性 和 安 全性 之 问 解
时间 ／ ｓ （ 转速信号的过渡过程
时间 ／ ｓ （ ｔ汽压力信号的过渡过程 ／ ０
１３ ６
９ ％ 一１２ 。 机组 在 大 工 况 （ 况 １ 转 速 １０ ）一工 况 ５ ８ ０％ 工 （ ０％
（ 速 ４ ％ ） 变 化 的 切换 保 护控 制 和 传统 的协 调 控 制 的仿 真 转 １ ） 各 个 参 数 的 动 态 响 应 如 图 ６所 示 。其 中 图 ６ ａ 中为 转 速 信 （） 号 的过 渡 过 程 ， ６ ｂ 为 主 汽 压 力 信 号 的 响应 过 程 。 图 （）
装 置协 调／ 保护控制 系统设计
切换规则为切换 系统 最重要的设计参数之 一 ， 同的切 不 换规则的设 计直接决定 了切换 系统 的稳定性 和性 能等 各项
指 标 。针 对 船 舶 蒸 汽 动 力 装 置 协 调 ／ 护 控 制 系 统 设 计 问 保 题 ， 文 选 择 目前 在 工 程 中广 泛 使 用 的 Ｍ ｘ Ｍｉ 换 规 则 。 本 ａ／ ｎ切 这 种 规 则 有 以 下 的 一 些优 点 ：
基金 项 目 ： 家 ８ ３项 目资 助 （ ｏ２ ０ Ａ ０ Ｚ ３ ） 国 ６ Ｎ ．０ ７ Ａ ５ ２ ９ 。 作者 简 介 ： 范 轶 （９ ５ ） 男 ， 士 ， 事 热能 动 力 系 统 建 模 、 制 方 面 的 研究 。 １７ 一 ， 博 从 控
第 ３期
范
轶等 ： 船舶 蒸汽 动力装 置 调廿／ 护多 目标 切换 控制 问题研 究 保
（） １ 切换 对应 的对象过程 或 区间划分界 限清 晰 ， 存在 不
重叠 ；
采用 Ｍａ／ ｉ 切换规则 的船舶蒸汽动力装置 ， ｘＭｎ 为了使 得
控 制 系 统 能 够 平 稳 的 进 行 调 节 ／ 护 控 制 ， 采 用 Ｐ／ Ｉ 的 保 常 ＩＰＤ
ｍｕ ｔ ｍｏ ｅ ｏ ｔｏ ｒ ｂ ｅ ａ ｄ ｒ ｐ ｓ ｄ ｈ ｌ —ｏ ｐ ｏ ｔ ｌ ｓ ｓ ｍ ｉ ｔｕ ｔ ｒ ， ｎ ｃ ｏ ｄ ｎ ｔ ｈ ｘ ｌ — ｄ ｌｃ ｎ ｒｌ ｏ ｌ ｍ， ｎ ｐ ｏ ｏ ｅ ｔｅ ｍｕ ｔ ｌｏ ｃ ｎｒ ｙ ｔ ｉ ｐ ｉ ｏ ｅ ｎ ｓｒ ｃ ｕ ｅ ａ ｄ ａ ｃ ｒ ｉ ｇ ｏ ｅ Ｍａ ／Ｍｉ ｔ ｎ
的矛 盾 ， 同时 也 可 以大 大 降 低 设 计 的难 度 。
图 ６ 转 速 信 号 和 主 汽压 力 信 号 的 时 域 响 应
从 图 ６的 结 果 中 可 以 看 出 ， 螺 旋 桨跟 踪 响应 几 乎 相 同 在
２ 基 于 Ｍａ／ ｎ切换 规 则 的船 舶蒸 汽 动力 ｘ Ｍｉ
的情况下 ， 传统 Ｄ Ｂ很难 将锅 炉 主汽压 力控制 在安 全范 围 Ｅ 之 内。而通过在相对简单的控制器之间 的切换 ， 使得机组 在 安全的边界 内投入转速控制器 ， 出安 全边界时投入保护 控 超 制器 ， 大大减小 了主汽压 力 的超 调量 ， 解决 了动 力装置 的快
ｄ ｒ ｇｗ ｒｉｇ ｔｅ ｂ ｉ ｒ ｕｂｎ ｏｋｎ ｏ ｄｔ ｎ ．Ａ ｄ ｔｅ ｐ ｐ ｒｅ ｐ ｕ ｄ ｄ ｔｅｍｕｔｏ ｊｃ ｖ ｏ ｔ ｌｐｏ ｌ ｓａ ｕ ｎ ｏｋ ， ｏ ｅ— ｒ ｉ ｗ ｒ ｉ ｃ ｎ ｉｏ ｓ ｎ ｈ ａ ｅ ｘ ｏ ｎ ｅ ｌ — ｅ ｔ ｅｃ ｎｒ ｒｂ ｍ ｉ ｉ ｎ ｈ ｌ ｔ ｅ ｇ ｉ ｈ ｉｂ ｉ ｏ ｅ
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（ １哈 尔滨工业 大 学航 天 学 院 ， 尔滨 １０ ０ ； 哈 ５ ０ １ ２哈 尔滨 工业 大 学能源科 学与 工程 学 院 ， 尔滨 １０ ０ ） 哈 ５ ０ １
摘 要 ： 舶 工 况 大 范 围 变 化 时 ， 汽 动 力 装 置 的快 速 响 应 与 安 全 性 之 间的 矛 盾 ， 定 了 船 舶 蒸 汽 动 力 装 置 控 制 的 特 船 蒸 决
分 类号 ：Ｍ ２ Ｔ ６１ 文 献 标 识 码 ： Ａ 文源自文库章 编 号 ：０ １５８ ２ １ ）３０ ６ －３ １０ —８４（０ １ ０ －１１ ０
第５ ３卷 第 ３期
汽
轮
机
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Ｖ０ ． ３ Ｎｏ ３ １５ ．
２１ ０ １年 ６月
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Ｊ ｎ ２ ｌ ｕ ．０ ｌ
船 舶 蒸 汽 动 力 装 置 调 节 ／ 护 多 目标 保 切 换 控 制 问题 研 究
范 轶 沈 毅 徐 志 强 于 达 仁 ， ， ，
荷工 况 （ 包括 超 负 荷 工 况 ） ， 转 换 工 况 的 过 渡 过 程 中 、 下 在 在
航行或其它原 因引起 摇摆 、 时间和 短时 间倾斜 和倾差 、 长 振
收稿 日期 ：０ ０１－６ ２ １—２０
分 析 其 原 因 ， 于船 舶 蒸 汽 动力 装 置 对 快 速 性 和 安 全 性 由
速 性 和 安 全 性 之 间 的 矛 盾 。值 得 注 意 的是 ， 保 护 控 制 器 开 在 始 控 制 之 后 ， 炉 主 汽 压 力 沿 着 设 定 的高 压 保 护 线 １０ 锅 ．２运 行 ， 好地 缩 短 了加 速过 程 。 很 ３２ 控 制 信 号 的切 换 过 程 分 析 ．
，
（ ｃｏｌ ｆ ｓ ｏ ａｔ ｓＨ ｒｉ ｎｔｕｅｏ ｅｈ ｏｏｙ Ｈ ｒｉ １０ ０ ， ｈｎ ； １Ｓｈ ｏ ｏ ｔ ｎｕｉ ， ａｂｎＩｓｔｔ ｆ ｃｎ ｌ ， ａｂｎ ０ Ｃ ｉａ Ａ ｒ ｃ ｉ Ｔ ｇ ５ １ ２Ｓ ｈｏ ｏ ｎｒｙＳｉｎｅａｄＥ ｇ ｅｒ ｇ Ｈ ｒｉ ｓ ｔｔ ｏ ｅｈ ｏ ｇ ， ｒｉ １０ ０ ， ｈｎ ） ｃ ｏｌ ｆ ｅｇ ｃ ｃ ｎ ｎｉ ｅｉ ， ａｂｎＩ ｔｕｅ ｆ ｃ ｎｌ ｙ Ｈａｂ ５ ０ １ Ｃ ｉ Ｅ ｅ ｎ ｎ ｎｉ Ｔ ｏ ｎ ａ
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殊性 。为此 ， 在结合 船舶 蒸汽动力装置的安全运 行要 求的基础上 ， 论述 了船舶蒸汽 动力 装置 的调 节／ 保护 的基本 思 想， 给出了船舶蒸汽动力装置调节／ 保护 的控制结构 ， 并提出了一种基于 Ｍ ｘ Ｍｉ ａ／ ｎ的切换规则并在此基础上设 计 Ｐ Ｉ 控制器 。最后通过仿真验证 了基于切换控制的船舶蒸汽动力装置调节／ 保护 的控 制方法能够较好 的解决船舶蒸 汽
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力… 。船舶动力装置因为需 要满 足船舶 在不 同海情 和各种
条件 下 的航 行 需 要 ， 荷 变 化 频 繁 ， 动 幅 度 大 。在 运 行 过 负 变 程 中 ， 汽 轮 机 经 常 由某 一 转 速 ， 至 从 最 大 额 定 转 速 直 接 主 甚 速关 停 车 ， 直接 转 换 到 倒 车 状 态 ， 者 从 停 车 状 态 直 接 阶 或 或 跃 到某 一 高 转 速 工 况 ， 时要 求 机 组 由一 个 工 况 过 渡 到 另 一 同 工况 时 ， 能快 速操 纵 ， 渡 时 间 短 ， 发 生 冒 黑 烟／ 烟 ， 发 过 不 白 不 生超压／ 欠压 等故 障 ， 而 对 动 力 装 置 的 机 动 性 和 快 速 性 提 从
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图 ４ 控制器切换系统原理图
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单 控 制 器 之 问 的 切换 ， 决 机 组 响 应 的快 速 性 和 安 全性 之 问 解
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装 置协 调／ 保护控制 系统设计
切换规则为切换 系统 最重要的设计参数之 一 ， 同的切 不 换规则的设 计直接决定 了切换 系统 的稳定性 和性 能等 各项
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（） １ 切换 对应 的对象过程 或 区间划分界 限清 晰 ， 存在 不
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控 制 系 统 能 够 平 稳 的 进 行 调 节 ／ 护 控 制 ， 采 用 Ｐ／ Ｉ 的 保 常 ＩＰＤ
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的矛 盾 ， 同时 也 可 以大 大 降 低 设 计 的难 度 。
图 ６ 转 速 信 号 和 主 汽压 力 信 号 的 时 域 响 应
从 图 ６的 结 果 中 可 以 看 出 ， 螺 旋 桨跟 踪 响应 几 乎 相 同 在
２ 基 于 Ｍａ／ ｎ切换 规 则 的船 舶蒸 汽 动力 ｘ Ｍｉ
的情况下 ， 传统 Ｄ Ｂ很难 将锅 炉 主汽压 力控制 在安 全范 围 Ｅ 之 内。而通过在相对简单的控制器之间 的切换 ， 使得机组 在 安全的边界 内投入转速控制器 ， 出安 全边界时投入保护 控 超 制器 ， 大大减小 了主汽压 力 的超 调量 ， 解决 了动 力装置 的快
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（ １哈 尔滨工业 大 学航 天 学 院 ， 尔滨 １０ ０ ； 哈 ５ ０ １ ２哈 尔滨 工业 大 学能源科 学与 工程 学 院 ， 尔滨 １０ ０ ） 哈 ５ ０ １
摘 要 ： 舶 工 况 大 范 围 变 化 时 ， 汽 动 力 装 置 的快 速 响 应 与 安 全 性 之 间的 矛 盾 ， 定 了 船 舶 蒸 汽 动 力 装 置 控 制 的 特 船 蒸 决