船用蒸汽动力装置调节/保护多目标控制问题研究

论文摘要

船用的蒸汽动力装置是船舶的主要设备,在其运行过程中,负荷变化频繁、幅度大,对系统的响应性能要求高,而其中的机炉系统控制则是蒸汽动力装置控制中的一个难点。由于其具有非线性、强耦合、参数时变、大迟延等特性,采用常规的控制策略往往不能满足系统的要求。因此锅炉与汽轮机在运行过程中,特别是大变工况过程中要兼顾船舶安全性和快速性,两者的协调控制显得尤为重要。本文在分析了机炉系统动态特性模型的基础上,对其进行控制方法研究。本文首先根据船用蒸汽动力装置复杂的气动热力过程分别建立了船舶锅炉模型和汽轮机电液控制系统非线性模型。接着进行了仿真计算,从机理上分析所得模型的正确性。由此得到的船用蒸汽动力装置非线性模型是分析机组特性、研究其控制规律、并对控制系统进行设计和仿真的基础。其次,在现有的船舶蒸汽动力装置的控制方案的基础上,本文采用了锅炉侧采用直接能量平衡(DEB)控制方法的锅炉跟随汽轮机的控制系统。接着分析了DEB控制系统的物理规律。然后通过仿真得出船用蒸汽动力装置在大范围变工况和小范围变工况时的各个参数动态响应,最后提出了船用蒸汽动力装置在大范围变工况时的安全性和快速性之间的矛盾。船用蒸汽动力装置运行时,工况经常大范围变化的快速响应与安全性之间的矛盾,决定船用蒸汽动力装置控制的特殊性。为此论文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,给出了船用蒸汽动力装置调节/保护的控制结构,并提出了一种基于Max/Min的切换规则并在此基础上设计PI控制器,最后分析了基于Max/Min的切换规则的存在的问题,给出了解决的方法。最后通过仿真验证了—基于切换控制的船用蒸汽动力装置调节/保护的控制方法能够较好的解决船用蒸汽动力装置工况大范围变化时的快速响应与安全性之间的矛盾。为满足船舶在紧急工况下的安全性和快速性的统一,根据船用汽轮机的特点—存在倒车汽轮机,提出了结合正倒车汽轮机协调控制的方法,最后通过仿真计算验证了正倒车协调方法的有效性。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题研究背景与意义
• 1.2 船用蒸汽动力装置协调控制技术研究现状
• 1.2.1 船用蒸汽动力装置协调控制模型的研究现状
• 1.2.2 船用蒸汽动力装置协调控制算法的研究现状
• 1.3 船用蒸汽动力装置控制面临的问题
• 1.4 切换控制系统研究概况
• 1.4.1 切换系统研究的发展
• 1.4.2 切换系统的分类
• 1.4.3 切换系统研究内容
• 1.5 论文的主要内容和章节安排
• 第2章 船用蒸汽动力装置数学及仿真模型建立
• 2.1 引言
• 2.2 船用锅炉非线性数学模型
• 2.2.1 炉膛模型
• 2.2.2 蒸发受热面模型
• 2.2.3 过热器模型
• 2.3 船用汽轮机电液控制系统的数学模型
• 2.3.1 电液转换器
• 2.3.2 滑阀油动机机构
• 2.3.3 蒸汽容积方程
• 2.3.4 转子螺旋桨模型方程
• 2.3.5 凸轮配汽机构
• 2.4 对象特性及仿真分析
• 2.4.1 船用蒸汽动力装置仿真模型及仿真结果
• 2.4.2 对象特性分析
• 2.5 本章小结
• 第3章 基于DEB的船用蒸汽动力装置协调控制方案及分析
• 3.1 引言
• 3.2 船用蒸汽动力装置协调的控制系统
• 3.3 DEB系统构成原理
• 3.3.1 能量信号
• 3.3.2 热量信号
• 3.3.3 工程上（DEB-400）使用的能量信号
• 3.4 DEB协调控制的分析
• 3.4.1 DEB协调控制系统的增益调度的思想
• 3.4.2 DEB系统是单向静态解耦系统
• 3.4.3 DEB系统稳定性分析
• 3.4.4 DEB协调控制系统的不足
• 3.5 基于DEB的机炉协调控制仿真
• 3.5.1 转速指令小幅度变化
• 3.5.2 转速指令大幅度变化
• 3.5.3 扰动工况的仿真
• 3.6 本章小结
• 第4章 基于切换控制船用蒸汽动力装置调节/保护多目标控制研究
• 4.1 引言
• 4.2 船用蒸汽动力装置安全运行的要求
• 4.2.1 船用蒸汽动力装置的控制任务
• 4.2.2 船用蒸汽动力装置工作安全边界
• 4.3 现有的限制船用蒸汽动力装置主汽压力波动协调控制系统
• 4.4 船用蒸汽动力装置调节/保护多目标控制的基本思想
• 4.5 船用蒸汽动力装置多回路切换控制研究
• 4.5.1 船用蒸汽动力装置多回路切换结构
• 4.5.2 船用蒸汽动力装置的Max/Min切换规则机理及分析
• 4.5.3 保护回路切换系统控制器设计
• 4.6 基于切换控制的机炉协调的仿真
• 4.6.1 转速指令大幅度变化
• 4.6.2 扰动工况的仿真
• 4.7 Max/Min切换存在的问题的解决方法
• 4.8 本章小结
• 第5章 考虑正倒车协调的调节/保护控制
• 5.1 引言
• 5.2 正倒车协调的目的
• 5.3 考虑正倒车协调时DEB结构的修正
• 5.3.1 考虑正倒车协调时的能量平衡信号
• 5.3.2 考虑正倒车协调时的热量信号
• 5.4 基于正倒车协调控制的仿真
• 5.4.1 转速指令小幅度变化
• 5.4.2 转速指令大幅度变化
• 5.5 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 致谢