船用柴油机中央冷却系统水温的智能控制

ADC0809 MAX232 X5045 NE555 AT89C51 P1.0~P1.7 P0.0~P0.7 P3.0~P3.1 P2.0~P2.2 P3.2~P3.5 P2.3~P2.5 P3.6~P3.7 P2.6~P2.7 8279 4N25 电机驱动CD4052

图3-26 AT89C51芯片管脚分配示意图

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第4章 系统软件介绍

4.1温度控制系统算法

4.1.1系统的整体控制

根据硬件设计的原理图可以画出系统控制框图，如图4-11所示。

r DTS（S）y(t) e(k) D(Z) 步进电动机 执行机构 △u(k) 信号处理 温 度传 感 器 c (t) 被控对象 图4-11系统控制框图

图中，TS是系统给定温度值 是以BCD码，由键盘或者上位机输入。程序担。D(Z)是本系统的温度控制算法，将由下文给出。

DTS（S）的作用就是将TS的BCD码转换成单片机可以识别的二进制码，由软件来承

由于本系统的执行机构需要的是控制量的增量，即驱动的是步进电动机，因此，控制算法D（Z）的输入是给定温度数值r与系统测量数值y(t)之间的差值，经过单片机的软件计算，输出的是控制增量△u(k)。被控对象的输出是c(t)，输入是步进电机的输出u(t)。同时，由温度传感器及信号处理模块等组成了反馈回路。我们通过对冷却水温度调节过程进行了详细的分析，很容易发现，船舶柴油机冷却水的温度控制系统还具有明显的纯滞后特性。这是由于温度传感器安装在柴油机冷却水的进口和出口处，而控制作用却是在相对较远的三通调节阀上实现的。因此，当执行机构施加了控制作用以后，冷却水的温度并不是马上发生变化，无法反映控制作用，而是要等到冷却水流过了淡水冷却器，两路水流混合后，再到达温度传感器处，被测温度的变化才能反映出控制效果。

因此，我们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。其中，L是冷却水流经管路的长度，单位是米(m)，v是冷却水流动速度，单位是米/秒(m/S)。滞后时间t的单位秒(s)。在不同船舶

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的中央冷却系统中，系统的管路长度和水流速度都是不同的，要根据具体的情况进行具体分析和计算。目前，应用在远洋船舶上的大多数模拟式冷却水温度调节器都是采用的相对简单的控制规律。比如，MR-Ⅱ型调节器采用了即调节规律(比例微分调节规律)，

由于此类调节器的调节作用中没有积分调节作用，而积分环节的作用是消除静态误差，提高系统的无差度。因此，在系统中必然会产生静态误差，因而就会出现长时间使被控对象脱离最佳工作点的情况，使得执行机构反复进行执行动作，加速了执行机构的磨损等;而另一种常见的冷却水温度调节器TELEPERM型，采用的是内调节规律(比例积分调节规律)，没有微分作用，而微分环节的作用是能够反映偏差信号的变化趋势(或者变化速率)，并且能够在偏差信号数值变得太大之前，在系统中引入一个有效的早期修正信号，从而加快系统的动作速度，减少了系统的调节时间。因此，此类调节器没有了微分作用，而且冷却水温度又是属于惯性环节较大的控制对象，使系统超调会比较大，调节时间长，汲易变成积分饱和，使系统的动态特性变差，甚至出现长时间振荡。鉴于现有的此类控制器的种种控制规律存在的问题，我们在本温度控制系统中采用了PID控制规律(比例积分微分作用)，使得系统没有静态误差，动态特性也得到良好改善。

同时由于上文中分析的冷却水温度的这种纯滞后特性的影响，我们对控制对象的描述是用一阶惯性加纯滞后环节。因此，温度控制系统的传递函数可以表达

K?e?nG(S)?1?T1S 为：

其中，K为控制对象的静态增益:T1为惯性环节时间常数;c=t，为纯滞后时间。我们知道，对于带纯滞后时间对象的反馈系统当频率高时是不稳定系统，纯滞后降低了系统的稳定性。当纯滞后时间比较小时，可以直接采用PID控制;但是，当≥T0.5时，再采用常规的PID控制，就无法取得良好的控制效果了，特别是当纯滞后时间较大时会产生系统的持续振荡。在本系统中，纯滞后时间与惯性环节时间常数的比值，远远大于所要求的0.5，这就要求我们必须选择另外一种控制算法。因此，我们选择了基于smith预估器补偿的PID控制算法。 4.1.2算法介绍

本系统采用基于smith预估器补偿的PID控制算法。下面我们分别介绍一下这两种控制算法的主要特点。

（1）PID控制算法:

PID控制算法我们已经非常熟悉，PID控制算法即比例、积分、微分控制，是目前应用最为广泛的一种控制规律。PID控制的基本算法是这样的:PID控制器

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是一种线性控制器，它是根据给定值r(t)与实际输出值C(t)构成了控制偏差，如下式:

e(t)?r(t)?c(t) (4-1)

然后将偏差的比例、积分和微分通过线性组合构成控制量，对波控对象进行控制的，其控制规律如下:

u(t)?Kp[e(t)?1de(t)]?e(t)dt?TDT1dt (4-2)

将上式(4-2)改写成传递函数形式如下:

G(s)?U(S)1?KP(1??TS)E(S)T1S (4-3)

式中: Kp—比例系数;

T1—积分时间常数;

TD—微分时间常数。

总体来说，PID控制器的各个校正环节的作用如下:

（1）比例环节:比例环节可以及时成比例地反映控制系统的偏差信号e(t)偏差数值一旦产生，控制器就会立即产生控制作用，用以减少和纠正偏差，及时性和快速性。

（2）积分环节:积分环节的作用主要是用来消除控制系统静态误差，提高系统的整体无差度。积分作用的强弱主要取决于系统的积分时间常数T1，当T1的数值越大，则系统的积分作用越弱;当T1的数值越小，则系统的积分作用越强。

（3）微分环节:微分环节能够及时反映系统偏差信号的变化趋势(或者数值变化速率)，并且能够在偏差信号变得过大之前，在控制系统中引入一个有效得早期修正信号，从而可以加快系统的动作速度，减小调节过程的时间，因而减小了系统的超调量，增加系统的稳定性。

在计算机控制系统中，使用的是数字PID控制器。即，计算机控制是一种采样控制方法，它只能根据采样时刻的偏差数值来计算控制量，因此，在式子(4.3)中的积分项和微分项下能直接进行计算，必须进行数字离散化处理之后，才能被计算机应用。因此，我们把式子(4.2)进行一系列转化:以一系列的采样时刻点kT代表连续时间t，以求和的方式代替积分运算，以求增量商值的方法来代替微

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