基于灰色理論艦船汽輪機調速器綜合評估

楊志勇，葉中明

(武漢理工大學 能源與動力工程學院，湖北 武漢 430063)

基于灰色理論艦船汽輪機調速器綜合評估

楊志勇，葉中明

(武漢理工大學 能源與動力工程學院，湖北 武漢 430063)

文章基于集散控制系統(tǒng)的電液調速器能正確、快速、平穩(wěn)地改變汽輪機轉速，可以更好的滿足調節(jié)精度和艦船自動化的要求，根據集散控制系統(tǒng)的電液調速器技術參數運用灰色理論和層次分析法構成相關數學模型，對集散控制系統(tǒng)的電液調速器的各種性能指標進行綜合評估，并分析方案的可行性，為艦船汽輪機調速器的設計提供理論依據。

艦船汽輪機；調速器；灰色理論；評估；層次分析法

汽輪機作為主推進動力裝置具有可靠性高、單機功率大、設計尺寸小、重量輕、維護方便、壽命長和具有良好的經濟性等優(yōu)點[1]。汽輪機是一種高速旋轉的機械裝置，在實際的航行過程中，汽輪機處于變工況下工作，其能否快速、正確、平穩(wěn)的改變轉速直接關系到艦船的安全航行。早期的汽輪機采用機械式調速器來改變轉速；上世紀60年代，由于電液調節(jié)系統(tǒng)控制精度高，運行安全穩(wěn)定，操作簡單等優(yōu)點，模擬電液調節(jié)系統(tǒng)和數字電液調節(jié)系統(tǒng)等調速系統(tǒng)應運而生，且在大功率汽輪機發(fā)電機組上使用?，F代艦船動力汽輪機組的控制系統(tǒng)越來越復雜，隨著微型計算機科學技術的發(fā)展，集散控制系統(tǒng)得到廣泛發(fā)展[2]，由于集散控制系統(tǒng)可高效利用硬件功能、控制功能分級實現、可靠性高和局部的故障不會使整個系統(tǒng)癱瘓等特性，大大提高了艦船航行的可靠性。艦船動力調速器直接關系到艦船海上航行的安全，因此其穩(wěn)定性、安全性、操縱性、環(huán)保性、經濟性受到國防科工委和國際海事組織的廣泛關注。但至今還沒有專門的機構或組織采用專業(yè)的方法對艦船汽輪機調速器做出綜合評估。本文利用層次分析法和灰色理論[3]，將基于集散控制系統(tǒng)的電液調速器的定性指標轉換為定量指標進行綜合評估。

基于集散控制系統(tǒng)的艦船汽輪機電液調速器在實際的設計與運用過程中，受到人為、設備和工作環(huán)境等因素的影響，存在太多的不確定性。無論哪種方法都有其優(yōu)缺點。在對汽輪機調速器作綜合評估時，一方面考慮到設計和使用過程中每個環(huán)節(jié)對調速器的影響，區(qū)分出每個因素的評價指標，確定合理的權重，設計研發(fā)人員可在設計初期明確設計重點；另一方面評價準則和每個影響因素都存在隨機性，依據灰色評估法利用精確的數字手段處理模糊的評價對象，能對評估的對象所包含的灰色信息進行比較科學合理的量化評價，同時每個評估人員的側重點和能力的不同，導致評估結果有一定的灰度。以上原因都會造成評估結果不準確，甚至評估失敗?；趯哟畏治龇ǖ幕疑C合評估能夠更客觀、更準確的對艦船汽輪機調速器做綜合評估。

1 艦船汽輪機調速系統(tǒng)評估模型

調速系統(tǒng)直接關系到艦船航行的穩(wěn)定性，甚至安全性，基于集散控制系統(tǒng)的艦船電液調速系統(tǒng)作為一種新的調速方式，更好的滿足了艦船速度調節(jié)精度和自動化的要求。在艦船上的使用具有廣闊的市場前景。根據汽輪機調速過程中的的主要指標，建立基于集散控制系統(tǒng)的艦船電液調速系統(tǒng)綜合評估體系，包括：①可靠性指標，即艦船平穩(wěn)安全航行的保障，系統(tǒng)采用集散控制系統(tǒng)作為運算和校正控制元件，具有更高的穩(wěn)定性和快速性。②技術先進性指標，是相對機械調速系統(tǒng)、機械液壓調速系統(tǒng)以及模擬電液和數字電液調節(jié)系統(tǒng)而言具有的優(yōu)越性。目前，艦船汽輪機組容量大，調速控制過程復雜，磁電式電子元器件測量元件以及液壓機構作為執(zhí)行機構，靈敏度高(國際電工委員會的標準中規(guī)定電液調速系統(tǒng)的不靈敏度小于0.06%[2])。集散控制系統(tǒng)因控制功能分散、顯示操作集中、兼顧分級協(xié)調管理等優(yōu)點，汽輪機調速系統(tǒng)作為整體控制系統(tǒng)的一部分，更加有利于艦船自動化提高。③經濟性指標，基于集散控制系統(tǒng)的電液調速系統(tǒng)在艦船汽輪機上使用前后所需要的總的費用，包括制造費用和維護保養(yǎng)費用，由于調速系統(tǒng)使用的是集散控制系統(tǒng)的控制器、比例伺服閥等元器件，其設計費用和制造費用較高，但可靠性高而維護費用低。艦船汽輪機調速系統(tǒng)影響因子層次結構如圖1。

圖1 汽輪機調速系統(tǒng)影響因子層次結構圖

2 建立基于灰色理論艦船汽輪機調速器綜合評估的數學模型

2.1 使用層次分析法得出指標因子的權重

利用層次分析的原理，在深入調查研究的基礎上，分析調速系統(tǒng)的影響因子，確定影響因子的“父子”關系，搭建影響因子階梯層次結構模型，最底層的影響因子為評估指標，把評估指標兩兩進行比較，得出判斷矩陣A如式[4](1):

(1)

因為判斷矩陣元素是參與評估的專家對影響因子的相對重要性的主觀判斷，通常引用相對標度對判斷標準進行量化處理得出，標度含義如表1。

表1 標度含義

求出判斷矩陣A的最大特征值λmax和特征向量ni(n1,n2,…nn)，同時對矩陣A進行一致性檢驗，其檢驗值CR如式(2)、(3)。

CR=CI/RI,

(2)

CI=(λmax-n)/(n-1),

(3)

式中：CI為判斷矩陣偏離一致性指標度量值，n為判斷矩陣的階數，RI是大量判斷矩陣隨機試驗統(tǒng)計得出的平均隨機一致性指標值[5]，低階RI如表2。

表2 低階RI取值表

當CR<0.1時，說明矩陣A有良好的一致性，否則需要重新調整判斷矩陣；最后得出指標因子的相對權重wi(w1,w2,…wn)[4，6]。

2.2 評估樣本矩陣

(4)

2.3 確定評估灰類

評估灰類的確定，即是灰類評價等級G、灰色系數Xi和相應白化權函數fN(D)的確定，白化權函數一般有3種[4]。

2.4 計算灰色系數、模糊權矩陣

(5)

(6)

(7)

由灰色評估權重rn,k組建模糊權矩陣R。

2.5 計算模糊綜合判定矩陣和評價結果

由總的相對權矩陣和模糊權矩陣運算，得出模糊綜合判定矩陣，對準則層做綜合評估，評估結果為：Z=Wi×R。由需求者和評估專家確定的評估灰類等級向量G(G1、G2···Gn)，求出綜合評定結果V[7]，V=ZGT。

3 艦船汽輪機調速系統(tǒng)灰色綜合評估

3.1 通過層次分析法判斷評估指標權重

邀請使用者對艦船汽輪機目標層的指標因子特點，結合標度法則對指標因子進行重要性比較。構建的判斷矩陣A如下：

特征值λmax=6.013 8，特征向量為nn=[0.804 8 0.445 0 0.255 9 0.255 9 0.115 0 0.100 6]，根據式(2)得：CR=0.002 7<0.1，說明基于集散控制系統(tǒng)的汽輪機電液調速系統(tǒng)的指標層構成的判斷矩陣的一致性良好。歸一化后的相對權重矩陣Wi=[0.399 0.226 0.127 0.127 0.057 0.049]。

3.2 確定評估樣本矩陣

邀請3位艦船相關類專家對調速系統(tǒng)指標層進行打分，得到指標評估樣本矩陣D。

3.3 確定調速系統(tǒng)評估灰類，計算灰色評估系數和評估權重矩陣

在對基于集散控制系統(tǒng)的汽輪機電液調速系統(tǒng)綜合評估中，將評分等級分為優(yōu)秀、良好、合格和差，組成評估等級向量G(9，7，5，2)，相對應的評估灰類N為4個，分別為1、2、3、4，其灰類和白化權函數見圖2。

圖2 4個灰類和白化權函數圖

對于評估指標(穩(wěn)定性)，其4個評估灰類系數分別為：

N=1,X1，1=f1(8)+f1(7.5)+f1(9)=

2.722；N=2,X1，2=1.833；N=3,X1，3=0.167；N=4,X1，4=0。

對于評估指標(穩(wěn)定性)總評估灰類系數X1=

2.722+1.833+0.167+0=4.722。

則評估指標(穩(wěn)定性)對于4個評估灰類的評估權重分別為：

r1，1=0.576，r1，2=0.388，r1，3=0.035，r1，4=0。

同理可得指標快速性、靈敏度、自動化性、制造費用和維護費用的評估權重分別為：

r2，1=0.368，r2，2=0.450,r2，3=0.182,r2，4=0，

r3，1=0.430，r3，2=0.453，r3，3=0.116，r3，4=0，

r4，1=0.475，r4，2=0.419，r4，3=0.106，r4，4=0，

r5，1=0.239，r5，2=0.403，r5，3=0.358，r5，4=0，

r6，1=0.314，r6，2=0.482，r6，3=0.214，r6，4=0。

由灰色評估權重rn，k組建模糊權矩陣R為:

3.4 評價結果

模糊綜合評價矩陣：Z=[0.456 7 0.413 8 0.104 7 0]。

綜合評價結果：V=7.532 2，評估結果表明，基于集散控制系統(tǒng)的電液調速系統(tǒng)的評估模型具有良好的綜合性能，設計方案具有可行性。

4 結束語

針對基于集散控制系統(tǒng)的汽輪機電液調速系統(tǒng)的各指標特點，建立層次灰色模型，利于灰色理論客觀、準確的對此模型進行評估，分析得出該模型具有良好的綜合性能。評估方法也可以實現對艦船調速系統(tǒng)多方案之間進行選擇，通過比較權重的綜合評定結果，選擇最優(yōu)方案，為艦船調速系統(tǒng)的設計提供一定的理論和技術支持。但是基于灰色理論的預測評估方法對艦船調速系統(tǒng)的評估，也有一定的局限性和隨機性，如構建樣本矩陣的分數指標，以及專家對灰類的確定都有一定可變性。在實際中應及時發(fā)現和排除突發(fā)情況的影響，使評估模型與實際情況更加符合貼切。

[1] 方學智．船舶與海洋工程概論[M]．北京：清華大學出版社，2013．

[2] 郭鈺鋒，徐志強，于達仁．汽輪機調節(jié)原理[M]．北京：機械工業(yè)出版社，2010．

[3] 鄧聚龍．灰色系統(tǒng)理論教程[M]．武漢：華中科技大學出版社，2002．

[4] 姜啟源，謝金星，葉俊.數學模型(第四版)[M].北京：高等教育出版社，2011.

[5] 許樹伯．使用決策方法—層次分析法[M]．天津：天津大學出版社，1988．

[6] 陳錦標，吳廣宇，應士君.基于灰色模糊綜合評估法的大型船舶模擬操縱評價[J].上海海事大學學報，2008，29(4):1-3.

[7] 徐維翔，張全壽．從定性到定量信息系統(tǒng)項目評價方法研究[J]．系統(tǒng)工程理論與實踐，2001(3)：124-127．

The electro-hydraulic speed regulator based on a DCS controller can change a steam turbine' s speed accurately quickly and smoothly,and will meet the requirements of adjusting precision and warship automation in an even better fashion.According to the parameters of the thelector-hydraulic speed regulator based on a DCS controller and a relevant mathematical model constituted with the Grey Theory & AHP,comprehensive assessment of various performance indicatiors of the electro-hydraulic speed regulator based on a DCS controller can be made with the feasibility of the scheme analyzed,which provides the theoretical basis for designing of a warship steam turbine speed regulator.

warship steam turbine;speed regulator;Grey Theory;assessment;analytic hierarchy process

楊志勇(1969-)，男，湖北武漢人，副教授，碩士，研究方向為船舶與海洋工程； 葉中明(1990-)，男，湖北仙桃人，在讀碩士研究生，研究方向為推進控制技術及應用。

U672

10.13352/j.issn.1001-8328.2017.02.013

2016-10-12