船舶汽輪機(jī)智能控制研究

宋 澤，姜 鑫，盛 杰，董 銳，劉延峰

（1.中國船舶重工集團(tuán)有限公司第七〇三研究所，哈爾濱 150078：2.國網(wǎng)黑龍江省電力有限公司哈爾濱供電公司，哈爾濱 150016：3.哈爾濱供電公司道里供電支公司群力所，哈爾濱 150000）

作者簡(jiǎn)介： 宋澤，男，漢族，1988 年生，黑龍江雞西人，工程師，碩士研究生，研究方向?yàn)槠啓C(jī)控制。

1 國內(nèi)外船舶汽輪機(jī)發(fā)展歷程

1.1 國外船舶汽輪機(jī)的發(fā)展

國外船舶汽輪機(jī)的發(fā)展研究要較早于國內(nèi)。在很多世紀(jì)之前，國外就出現(xiàn)了很多不完善或是初具成型的機(jī)輪機(jī)原始形態(tài)。等到十九世紀(jì)末，整個(gè)世界上制造業(yè)的工業(yè)技術(shù)在不斷的進(jìn)步和提升，隨之而來的就是汽輪機(jī)的誕生。第一臺(tái)用于工業(yè)的汽輪機(jī)，是由瑞典的工程師發(fā)明的沖動(dòng)式汽輪機(jī)。在這之后由英國工程師制造了反動(dòng)式汽輪機(jī)。隨著時(shí)代的發(fā)展，到了今天，汽輪機(jī)已經(jīng)成為了各個(gè)工業(yè)領(lǐng)域必不可少的一部分。汽輪機(jī)不僅廣泛的運(yùn)用在各個(gè)領(lǐng)域，還取得了很大的發(fā)展和改進(jìn)。

1.2 我國船舶汽輪機(jī)的發(fā)展

相對(duì)于外國而言，我國的船舶汽輪機(jī)的研發(fā)起步較晚。在我國解放以前，船舶動(dòng)力機(jī)制主要以復(fù)蒸汽機(jī)為主。使用的少數(shù)汽輪機(jī)動(dòng)力裝置的船舶都是花高價(jià)從國外訂購而來。我國從二十世紀(jì)到如今的船舶蒸汽動(dòng)力研發(fā)歷程，可以大致的分為三個(gè)階段。

1.2.1 建國初期到上個(gè)世紀(jì)五十年代中期

我國在這個(gè)時(shí)期，經(jīng)濟(jì)發(fā)展力與科技研發(fā)水平都處于較低迷的狀態(tài)。在這一階段中，我國使用的船舶主要都是從前蘇聯(lián)購買使用。

1.2.2 二十世紀(jì)中期五十年到到六十年代

短暫的時(shí)間中，我國正在飛速的發(fā)展，經(jīng)濟(jì)水平與科技水平都在不斷的上升。我國在前蘇聯(lián)購置了一批蒸汽動(dòng)力裝置后，由上海的汽輪機(jī)廠進(jìn)行蒸汽動(dòng)力裝置的仿制工作，并于1956年試制成功。

1.2.3 二十世紀(jì)六十年代至今

在這段時(shí)間，我國的各項(xiàng)指標(biāo)快速增長，經(jīng)濟(jì)實(shí)力與科技水平的飛速發(fā)展。我國也研發(fā)出來一些良好的成果。六十年代，我國自行設(shè)計(jì)制造了鍋爐動(dòng)力裝置的汽輪車。1970年，我國在哈爾濱汽輪機(jī)場(chǎng)試制汽輪機(jī)成功，性能良好，逐步投入批量生產(chǎn)。1972年，我國開始測(cè)量保障船的研制，以汽輪機(jī)作為動(dòng)力裝置，其設(shè)計(jì)制造工作最終由汽輪機(jī)廠完成。

1.3 簡(jiǎn)單概括

總的來說隨著我國經(jīng)濟(jì)水平與科技、工業(yè)水平的飛速發(fā)展。雖然我國的船舶動(dòng)力裝置的研究起步較晚于其他國家，但是我國的發(fā)展?jié)摿o可估量。現(xiàn)如今，蒸汽動(dòng)力裝置也成為了我國大型船舶的主要推進(jìn)動(dòng)力裝置。

2 目前國能計(jì)算智能控制的國內(nèi)現(xiàn)狀

隨著信息通訊與計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的快速發(fā)展，計(jì)算機(jī)的普及度于應(yīng)用程度越來越廣泛。計(jì)算機(jī)也開始大批量的出現(xiàn)在人們的生活中與工作中。近些年，在計(jì)算機(jī)研究的大力支持下，新發(fā)展起來的軟技術(shù)科學(xué)，在數(shù)據(jù)分析與處理能力方面都有著超強(qiáng)的手段，能夠應(yīng)用于智能控制、非線性系統(tǒng)等領(lǐng)域。

3 船舶汽輪機(jī)的特點(diǎn)與控制系統(tǒng)

3.1 船舶汽輪機(jī)特點(diǎn)

3.1.1 其螺旋槳服從工作規(guī)律

在海上進(jìn)行航水任務(wù)，需要根據(jù)航行需要進(jìn)行速度控制與方向控制。因此，需要汽輪機(jī)帶動(dòng)螺旋槳進(jìn)行宣戰(zhàn)的同時(shí)對(duì)東船舶定向航行。

3.1.2 控制系統(tǒng)的要求

因?yàn)楹Ｉ先蝿?wù)各類狀況的突發(fā)性較強(qiáng)，需要有汽輪機(jī)強(qiáng)力的穩(wěn)定性與超強(qiáng)度控制性支撐，這樣才能保證在負(fù)荷變化范圍大的正常運(yùn)行。

3.1.3 其重量尺寸限制

由于船舶需要在海上航行，是一個(gè)會(huì)移動(dòng)的裝置。因此，其本身設(shè)備的裝置就會(huì)受到限制?？紤]到排水量與排水容積等因素限制，需要控制船舶汽輪機(jī)的重量與尺寸。

3.2 汽輪機(jī)的控制系統(tǒng)

根據(jù)汽輪機(jī)各個(gè)系統(tǒng)的功能不同，可以把船舶的汽輪機(jī)氛圍主汽輪機(jī)系統(tǒng)，負(fù)責(zé)提供船舶前進(jìn)的主推力；輔助汽輪機(jī)系統(tǒng)負(fù)責(zé)能源得到供應(yīng)。

4 船舶汽輪機(jī)控制器研究

4.1 粗糙集理論的提出

這是一種分析數(shù)據(jù)信息的數(shù)字工具，在對(duì)這類工具的使用中能夠快速的發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)中的不完備信息，并從中提取規(guī)則，挖掘隱含的知識(shí)。結(jié)合對(duì)船舶汽輪機(jī)系統(tǒng)的研究，對(duì)粗糙集理論的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行利用挖掘，從而實(shí)現(xiàn)船舶動(dòng)力系統(tǒng)的智能控制。

4.2 建立粗糙集的模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)

隨著信息時(shí)代的到來，計(jì)算機(jī)成為了家家必備的“電器”，計(jì)算機(jī)技術(shù)也得到快速的普及和廣泛的應(yīng)用。建立粗糙集的模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，對(duì)處理數(shù)據(jù)的方法進(jìn)行完善和發(fā)展，增強(qiáng)數(shù)據(jù)的處理能力及分析能力。

4.3 建立粗糙T-S 模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)

智能控制領(lǐng)域內(nèi)有兩個(gè)重要的分支：模糊理論和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的控制策略，將兩者結(jié)合，取長補(bǔ)短，從而構(gòu)成一種新的模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，用以模擬腦的智能思維系統(tǒng)。

5.4 粗糙集船舶汽輪機(jī)模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制器的設(shè)計(jì)

針對(duì)以上出現(xiàn)的船舶輪機(jī)控制系統(tǒng)在融合使用中的發(fā)現(xiàn)，其調(diào)速系統(tǒng)存在著超高的控制難點(diǎn)。因此，需要將上述的粗糙集理論引入到粗糙集船舶汽輪機(jī)模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制器的設(shè)計(jì)智能知識(shí)庫中去，對(duì)各種不確定的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析與處理，在此過程中構(gòu)建出一種全新的智能控制系統(tǒng)。

6 對(duì)船舶汽輪機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的控制仿真分析

6.1 對(duì)汽輪機(jī)調(diào)速系統(tǒng)進(jìn)行建模

根據(jù)建模方法對(duì)汽輪機(jī)系統(tǒng)建立簡(jiǎn)化內(nèi)部系統(tǒng)的簡(jiǎn)易模型，通過計(jì)算驗(yàn)證其運(yùn)行規(guī)律，并在多種情況下進(jìn)行測(cè)算，為進(jìn)一步對(duì)汽輪機(jī)的智能控制研究方法做好準(zhǔn)備。

6.2 分析船舶汽輪機(jī)控制的難點(diǎn)

由于船舶汽輪機(jī)控制系統(tǒng)的變化較為頻繁，在海上運(yùn)行中突發(fā)情況較多，且參數(shù)變化的幅度較大。要分析并針對(duì)船舶汽輪機(jī)控制的難點(diǎn)進(jìn)行測(cè)算，逐漸實(shí)行只能控制。

6.3 確定外界的不確定因素干擾

在進(jìn)行模型計(jì)算預(yù)演時(shí)，要充分的考慮到各類外界會(huì)導(dǎo)致的不確定因素干擾。針對(duì)此種情況，在船舶汽輪機(jī)控制器中加入自適應(yīng)控制項(xiàng)與魯棒控制項(xiàng)，增強(qiáng)系統(tǒng)的抗干擾能力。