柴油机高温冷却水温度控制系统的设计与仿真.pdf

收稿日期：2023-01-17作者简介：李慧（1994），女，江苏镇江人，中船动力镇江有限公司助理工程师，研究方向为柴油机电气设计。摘要：在柴油机高温冷却水的温度处于设定值和上、下限值区间时，对三通恒温阀口随水温状态的动作进行逻辑分析，并通过 Proteus V7.8软件进行仿真验证。当水温在设定值和上、下限值区间时，针对柴油机高温冷却水系统，将基于改进粒子群优化的 PID（比例积分微分控制，proportional plus integralplus derivative control，简称 PID）算法与传统 PID 算法进行温度控制仿真试验并对比，给出具体的控制系统设计方案，实现对三通恒温阀开度的控制，从而改变柴油机冷却水系统出机高温水进入淡水冷却器的旁通量，进一步调节高温冷却水的进机温度，最终实现高温冷却水出机温度稳定。关键词：高温冷却水系统；三通恒温阀；Proteus；PLC控制中图分类号：U664.814文献标志码：A文章编号：2096-0425（2023）02-0016-05船用柴油机因燃油燃烧会释放热量，这些热量会通过汽缸、汽缸盖和活塞等部件进行散热，为使这些受热部件能处在合适的温度状态，就需要使用柴油机冷却水系统对这些受热部件进行降温。因此，冷却水温度的变化对柴油机的工作性能、运行寿命等有着重要影响，实际应用中常通过三通恒温阀的动作来控制冷却水温度，故本文对三通恒温阀调节冷却水温度的所有控制状态进行逻辑分析，并通过 ProteusV7.8软件对控制动作进行仿真验证。当三通恒温阀的进口、旁通口、冷却口 3个阀口都处于打开状态时，需要调节阀旁通口和冷却口的开度来控制流入高温水泵的流量，以进一步调节高温水和低温水的掺兑比例，通常采用 PID（比例积分微分控制，proportional plus integral plus derivative control，简称 PID）算法来调节阀口开度。本文分别采用基于改进粒子群优化的 PID算法和传统 PID算法对柴油机高温冷却水系统的温度控制器进行仿真模型的建立、设计与对比，从而获得更优的控制算法。该柴油机高温冷却水温度控制系统采用西门子 PLC（可编程逻辑控制器，programmable logic controller，简称 PLC）实现实际应用。1系统控制动作的逻辑分析柴油机高温冷却水系统用于冷却柴油机的汽缸套、汽缸盖和活塞等受热部件，系统的结构包括高温冷却水泵（两台，互为备用）、膨胀水箱、淡水冷却器、三通恒温阀及主机等，结构简图见图 1。1高温冷却水在对柴油机高温受热部件冷却后，自身温度会升高，体积受热膨胀，膨胀的水和冷却水系统内的空气将流向膨胀水箱并自动排气。高温冷却水返回到三通恒温阀进口1，当水温低于三通恒温阀感温元件的设定下限值 70 时，三通恒温阀的进口 1与旁通口 2打开并连通，三通恒温阀冷却口 3关闭，高温冷却水就会从进口1进去，并从旁通口2小循环至高温冷却水泵吸口。当水温到达三通恒温阀感温元件的设定上限值 85 时，三通恒温阀进口1与三通恒温阀冷却口3就会打开并完全连柴油机高温冷却水温度控制系统的设计与仿真柴油机高温冷却水温度控制系统的设计与仿真李慧，段 后 东，严欢（中船动力镇江有限公司，镇江 212001）图 1柴油机高温冷却水系统结构简图三通恒温阀膨胀水箱高温冷却水泵123主机淡水冷却器高温冷却水泵江苏工程职业技术学院学报Journal of Jiangsu College of Engineering and Technology第23卷 第 2 期2 0 2 3 年 6 月DOI：10.19315/j.issn.2096-0425.2023.02.004Vol.23，No.2Jun.2 0 2 3通，三通恒温阀旁通口2关闭，高温冷却水经淡水冷却器冷却后大循环进入高温冷却水泵吸口。当水温到达三通恒温阀内感温元件的设定值80 时，三通恒温阀的进口1与旁通口2、冷却口3同时打开并接通，高温冷却水就会分两路进入高温冷却水泵吸口，一路经恒温阀冷却口3到淡水冷却器，然后流至冷却水泵吸口；另一路经旁通口2流至冷却水泵吸口，三通恒温阀会根据高温冷却水温度来调节两条水路的流量。2控制动作的 Proteus仿真设计依据上述逻辑分析，运用 Proteus软件对高温冷却水系统控制动作进行仿真，主要包括水温比较电路、三通恒温阀控制电路、阀口打开显示电路的仿真设计。2.1水温比较电路仿真设计在水温比较电路中，以 0 5 V 的正弦信号表示 0 120 的高温冷却水温度的电信号，柴油机高温冷却水温下限值 70、水温设定值 80、上限值 85 ，这 3组状态的水温所对应的电信号电压值分别为 2.9 V、3.3 V、3.6 V，将这 3组电信号与 05 V的正弦信号进行比较，得到 3 路输出信号，将信号送至控制电路。高温冷却水系统水温比较电路仿真图见图 2。高温冷却水系统水温比较电路输出信号波形图见图 3。2.2三通恒温阀控制电路仿真设计控制电路中，用 3个电机表示高温冷却水系统中恒温三通阀进口 1、旁通口 2、冷却口 3 的动作状态。当温度低于 70 时，表示进口 1、旁通口 2 的电机运行（共 2 个电机运行）；当温度到80 时，表示进口 1、旁通口 2、冷却口 3 的电机运行（3 个电机都运行）；当温度为 85 时，表示进口 1、冷却口 3的电机运行（共 2个电机运行）。高温冷却水系统三通阀控制电路仿真图见图 4。高温冷却水系统控制电路三通阀运行仿真波形随温度变化情况见图 5，当三通阀口打开时，波形输出显示高电平；当三通阀口关闭时，波形输出显示低电平。三通恒温阀口有 3个状态，当水温低于 70 时，第一条、第二条及第三条方波为 110（即三通恒温阀进口 1与旁通口 2打开并连通，冷却口 3关闭）；当水温至80 时，第一条、第二条及第三条方波为 111（即三通恒温阀进口 1、旁通口 2、冷却口 3接通）；当水温升至85 以上，第一条、第二条及第三条方波为101（即三通恒温阀进口1与冷却口3连通，旁通口2关闭）。d水温85 （电信号电压值3.6 V）时输出的方波信号a波形为 0 5 V的正弦信号b水温70 （电信号电压值 2.9 V）时输出的方波信号c水温80 （电信号电压值3.3 V）时输出的方波信号注：b、c、d图的波形输出显示均为高电平。图 3高温冷却水系统水温比较电路输出信号波形图+88.8Volts-+88.8Volts-+88.8Volts-+88.8Volts-+88.8Volts-+88.8Volts-(+)+88.8Volts-+88.8Volts-+88.8Volts-R21 kU3 ALM3938132458%RV11 kR31 kU4 ALM3938132467%RV21 kR41 kU5 ALM3938132471%RV31 kABCD图 2高温冷却水系统水温比较电路仿真图RP212345678RESPACK-78910U7 C74LS125ABCD654U7 B74LS125321U7 A74LS1252174LS323U2 A15474LS086U5 B&5474LS326U2 B15474LS086U3 B&5474LS086U6 B&5474LS086U4 B&U1 BU1 A314274LS0474LS04图 4高温冷却水系统三通阀控制电路仿真图李慧，等：柴油机高温冷却水温度控制系统的设计与仿真第 2期171712345678123456781234567812345678712634571263457126345131211109151413121110915141312111091514ABCDLTBILE/STBQAQBQCQDQEQFQGABCDLTBILE/STBQAQBQCQDQEQFQGABCDLTBILE/STBQAQBQCQDQEQFQGRP5RP4RP7RP9RESPACK-7RESPACK-7RESPACK-7RESPACK-7451145114511U2U3U4图 6高温冷却水系统三通阀显示电路仿真图2.3三通恒温阀显示电路仿真设计显示电路中，3 个数码管分别表示三通恒温阀进口 1、旁通口 2 和冷却口 3。当三通恒温阀口打开时，数码管就会显示对应的阀口号。高温冷却水系统三通阀显示电路仿真图见图 6。三通恒温阀口随温度变化进行动作。打开阀口，显示对应数码；关闭阀口，显示0。当水温低于70 时，三通恒温阀进口 1与旁通口 2打开并连通，冷却口 3关闭；打开阀口对应的数码管就会显示对应数字1、2、0。当水温升至80 时，三通恒温阀进口1、旁通口 2、冷却口 3 接通；打开阀口对应的数码管就会显示对应数字 1、2、3。当水温升至 85 以上时，三通恒温阀进口 1 与冷却口 3 连通，旁通口 2关闭；打开阀口对应的数码管就会显示对应数字1、0、3。高温冷却水系统显示电路三通阀口随温度变化3种情况下的运行仿真见图7。3温度控制器的仿真与设计高温冷却水由高温冷却水泵流入柴油机缸套进行冷却，然后经三通恒温阀、淡水冷却器、高温冷却水泵，进行下一次冷却循环，最后流入柴油机缸套。水温在 80 至上限值 85 时，通过调节三通阀旁通口 2和冷却口 3的开度来控制流进高温水泵的流量，以调节高温水和低温水的掺兑比例，直至高温冷却水达到合适的进机温度，这样高温冷却水对柴油机缸套进行下个循环冷却时，就能保证出机水温稳定，从而达成调节高温冷却水温度的目的。柴油机高温冷却水系统的温度控制一般采用传统的 PID算法，本文基于改进粒子群优化的 PID算法对控制器的参数进行优化，以保证高温冷却水出机温度稳定。将采用基于传统 PID 算法和基于改进粒子群优化的 PID算法的高温冷却水系统温度控制器进行仿真对比，当高温冷却水温度在设定温度值和温度上、下限值区间时，通过调节三通阀的开度，高温水和低温水进行掺兑直至高温冷却水达到合适的进机温度，这样高温冷却水对主机进行下个循环冷却时，就能保证出图 7显示电路三通阀口运行仿真图a水温低于 70 b水温为 80 c水温在 85 以上a三通恒温阀进口 1电机工作状态b三通恒温阀旁通口 2电机工作状态c三通恒温阀冷却口 3电机工作状态图 5高温冷却水系统控制电路三通阀运行仿真波形1818江苏工程职业技术学院学报2023年机水温稳定。2通过研究船舶柴油机高温冷却水出机温度随温度调节阀开度变化的响应曲线可以得到冷却水出机温度随三通阀阀门位置变化的近似传递函数：G（s）=17.133152.5s+1e-7.05t，由此传递函数可得到控制对象增益值 K 为 17.133，滞后时间 为 7.05 s，时间常数 T 为 152.5，据此可计算出 PID 相关参数：比例调节系数 Kp（Kp=1.2TK =1.515），积分时间常数 Ti（Ti=2=14.1），微分时间常数 Td（Td=0.5=3.525）。33.1基于传统 PID算法的高温冷却水系统在 MATLAB/Simulink平台上搭建基于传统 PID算法的高温冷却水系统仿真模型，如图 8所示。设置控制器参数：Kp=1.515，Ki=KpTi=0.107，Kd=KpTd=5.341。高温冷却水温度响应曲线如图 9所示。3由图 9可以看出在传统PID算法下，高温冷却水温度能够响应并跟踪到温度设定值80，但响应时间长并存在超调现象。3.2基于改进粒子群优化的 PID算法的高温冷却水系统采用改进粒子群算法对 PID 控制器的参数进行优化，搭建基于改进粒子群优化的 PID 算法的高温冷却水系统仿真，如图 10所示，4温度响应曲线如图 11所示。由图 11可以看出在改进粒子群优化的 PID 算法下，温度控制达到稳定的响应时间缩短，并且超调现象得以改善，故柴油机高温冷却水系统选择基于改进粒子群优化的 PID算法要优于传统 PID算法。4系统实际应用选用西门子 PLC，使用博途 V14 软件进行编程及相关参数的设置，将高温冷却水温度控制系统应用于实际，结构框图见图 12