船舶柴油機(jī)調(diào)速器系統(tǒng)仿真及故障診斷智能系統(tǒng)

王世振

摘? ?要：伴隨著船舶行業(yè)的發(fā)展，推船舶推動系統(tǒng)的動力性、經(jīng)濟(jì)性和安全性也隨之提出了更高的要求。為了更好地滿足這一要求，必須要全面提升船舶柴油機(jī)調(diào)速器系統(tǒng)的穩(wěn)定性，借助仿真技術(shù)，對船舶運行中可能存在的故障進(jìn)行檢測，進(jìn)而保障船舶的順利航行。本文立足于船舶柴油機(jī)調(diào)速器系統(tǒng)，對仿真技術(shù)在故障診斷中的具體應(yīng)用進(jìn)行了詳細(xì)的研究和分析。

關(guān)鍵詞：船舶? 柴油機(jī)調(diào)速器? 仿真技術(shù)? 故障診斷? 智能系統(tǒng)

中圖分類號：TK424? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號：1674-098X（2020）06（c）-0081-02

船舶柴油機(jī)是一個復(fù)雜的系統(tǒng)，具有多系統(tǒng)性、非線性，其運行環(huán)境相對比較惡劣。柴油機(jī)的調(diào)速器則負(fù)責(zé)將船舶的轉(zhuǎn)速范圍維持在規(guī)定的范圍之內(nèi)，進(jìn)而保障船舶正常運行。在船舶運行的過程中，柴油機(jī)調(diào)速器極容易受到運行環(huán)境、海況和工礦等不同要求的制約，傳統(tǒng)的控制模式下，極容易導(dǎo)致船舶柴油機(jī)在運行的過程中，產(chǎn)生多種問題。因此，在信息技術(shù)背景下，必須要充分借助仿真技術(shù)，構(gòu)建一個仿真診斷系統(tǒng)，對船舶柴油機(jī)調(diào)速器運行中可能出現(xiàn)的故障進(jìn)行診斷。

1? 船舶柴油機(jī)調(diào)速器結(jié)構(gòu)與功能分析

柴油機(jī)調(diào)速器是船舶運行的動力系統(tǒng)，主要是對船舶柴油機(jī)的轉(zhuǎn)速進(jìn)行控制，進(jìn)而對其轉(zhuǎn)速和噴油量進(jìn)行改變，最終使得柴油機(jī)在規(guī)定的范圍內(nèi)進(jìn)行轉(zhuǎn)速。就船舶柴油機(jī)調(diào)速器結(jié)構(gòu)來說，按照調(diào)速器執(zhí)行的機(jī)構(gòu)不同，可將其劃分為機(jī)械式、液壓和電子調(diào)速器三種。其中，電子調(diào)速器主要有模擬電子調(diào)速器和數(shù)字電子調(diào)速器兩種，屬于電子控制系統(tǒng)。與其他的調(diào)速器不同，電子調(diào)速器無需使用機(jī)械機(jī)構(gòu)，并且在調(diào)控的時候，動作十分靈敏、反應(yīng)速度非常快，并且具有安裝簡單和方便，便于對其他控制系統(tǒng)的接口進(jìn)行控制，進(jìn)而實現(xiàn)船舶柴油機(jī)的自動化控制。

船舶柴油機(jī)電子調(diào)速器主要是由三個部分所組成，即：轉(zhuǎn)速控制器、電子驅(qū)動單元、電動執(zhí)行器，主要是對船舶柴油機(jī)進(jìn)行精準(zhǔn)、快速和穩(wěn)定的控制，保障柴油機(jī)規(guī)范的供油，并保障其正常運行[1]。

1.1 轉(zhuǎn)速控制器

主要是對柴油機(jī)的轉(zhuǎn)速進(jìn)行檢測，結(jié)合傳播柴油機(jī)的運行情況，對其轉(zhuǎn)速進(jìn)行控制和調(diào)節(jié)。而在這一部分中，微處理器則是其核心，對低速柴油機(jī)的運行特點進(jìn)行了充分地考慮，并且在調(diào)節(jié)的時候，對其轉(zhuǎn)速的穩(wěn)定性進(jìn)行了充分地關(guān)注;

在船舶柴油機(jī)中，通過轉(zhuǎn)速控制，可以充分結(jié)合船舶運行的實際情況，在既定操作模式下，對柴油機(jī)的主機(jī)轉(zhuǎn)速進(jìn)行有效的調(diào)節(jié)和控制，進(jìn)而保障船舶的正常運行。具體來說，其功能主要包括：工作方法選用、轉(zhuǎn)速和供油限制、故障和轉(zhuǎn)速檢測、轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)、共有補(bǔ)償、VIT和汽缸潤滑控制等。

1.2 電子驅(qū)動單元

這一部分是船舶柴油機(jī)電子調(diào)速器中的中間環(huán)節(jié)，主要是對對轉(zhuǎn)速控制器所傳送過來的油門開度設(shè)定值的命令進(jìn)行接收，只有經(jīng)過線性變化、功率放大等，將這一信號輸出，并進(jìn)行執(zhí)行。同時，這一單元還對船舶柴油機(jī)中電動執(zhí)行器相關(guān)的轉(zhuǎn)角輸角變化的反饋信號進(jìn)行接收;

在船舶柴油機(jī)的電子調(diào)速器運行中，電子驅(qū)動單元作為一個重要的中間環(huán)節(jié)，在柴油機(jī)運行的時候，主要包括狀態(tài)監(jiān)視、無差調(diào)節(jié)、品質(zhì)調(diào)節(jié)和功率放大等功能，將電子調(diào)速器控制在規(guī)范的速度內(nèi)，保障船舶的正常運行。

1.3 電動執(zhí)行器

這一部分主要由驅(qū)動電機(jī)、減速機(jī)構(gòu)共同組成。其中，減速機(jī)構(gòu)則是通過傳統(tǒng)機(jī)構(gòu)、供油離合器對主機(jī)油門的開度進(jìn)行控制;驅(qū)動電機(jī)則要制定一些反饋信息。在在船舶柴油機(jī)的電子調(diào)速器系統(tǒng)中，電動執(zhí)行器實質(zhì)上就是一個帶有內(nèi)置式制動器的伺服電動機(jī)，主要是安裝在高壓油泵油門齒條的側(cè)邊，最終對油門的齒條進(jìn)行驅(qū)動[2]。

2? 船舶柴油機(jī)調(diào)速器系統(tǒng)仿真

船舶柴油機(jī)調(diào)速器系統(tǒng)仿真就是以船舶電子調(diào)速器作為系統(tǒng)原型，將現(xiàn)代系統(tǒng)仿真理論建立相關(guān)的模型，并在計算機(jī)上進(jìn)行模擬運行?？梢哉f，這一仿真系統(tǒng)是建立在控制理論、相似理論、信息處理技術(shù)、計算機(jī)技術(shù)等理論基礎(chǔ)之上，并且以計算機(jī)、其他的專用物理效應(yīng)設(shè)備作為工具，借助系統(tǒng)模型進(jìn)行實驗。之后，由相關(guān)的專家，根據(jù)自己已有知識經(jīng)驗，憑借數(shù)結(jié)果進(jìn)行分析，進(jìn)而得出相關(guān)的結(jié)論。

具體來說，仿真系統(tǒng)主要包括三個基本的元素，即：系統(tǒng)、系統(tǒng)模型、計算機(jī)。并且這三個基本的元素，是通過模型建立、仿真模型建立、仿真試驗三項活動將其聯(lián)系起來的，具體如圖1所示。

在本次研究中，船舶柴油機(jī)調(diào)速器中的仿真系統(tǒng)中，主要包括系統(tǒng)建模、計算機(jī)模型建立、仿真運行三個模塊。其中，系統(tǒng)建模主要是從柴油機(jī)調(diào)速器中構(gòu)建一個系統(tǒng)模型，即：建立模型結(jié)構(gòu)、提供數(shù)據(jù);計算機(jī)模型建立的任務(wù)則是將系統(tǒng)模型進(jìn)行抽象，使其成為數(shù)學(xué)公式、邏輯流程圖，并對其進(jìn)行模型驗證。同時，這一版塊的任務(wù)還負(fù)責(zé)將抽象的公式和流程圖進(jìn)行轉(zhuǎn)換，使其成為計算機(jī)語言描述模型，進(jìn)而建立一個仿真模型;仿真運行這一模塊的任務(wù)則是將模型的行為與實際系統(tǒng)的行為進(jìn)行比較，并對模型程序?qū)崿F(xiàn)的準(zhǔn)確性、計算機(jī)產(chǎn)生數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性進(jìn)行驗證[3]。

3? 船舶柴油機(jī)調(diào)速器系統(tǒng)仿真與故障診斷

船舶在運行的時候，為了保障其正常運行，必須要保障調(diào)速器的正常調(diào)控，以免其在運行的時候出現(xiàn)故障。具體來說，在借助船舶柴油機(jī)調(diào)速器系統(tǒng)仿真系統(tǒng)，對故障進(jìn)行診斷的時候，可充分借助故障樹分析法對故障進(jìn)行分析。

故障樹分析法是一種非常重要的分析方法，具有極強(qiáng)的可靠性和安全性，并且在許多領(lǐng)域中已經(jīng)得到了廣泛的應(yīng)用。這一仿真系統(tǒng)的分析方法，兼顧了規(guī)則、定量模型診斷的優(yōu)點，有效解決了故障樹分析法智能診斷中面臨的瓶頸問題。

具體來說，在借助故障樹分析法對故障進(jìn)行分析的時候，應(yīng)注意：（1）構(gòu)建一個故障樹。在構(gòu)建故障樹之前，應(yīng)先對產(chǎn)品設(shè)計、運行、維修等相關(guān)資料進(jìn)行收集和分析;之后明確故障的事件，將頂事件確定下來;并合理確定系統(tǒng)的邊界條件、建樹;（2）故障樹中使用的符號。在借助故障樹對故障進(jìn)行分析的時候，必須要對故障樹的符號進(jìn)行確定，包括：頂事件、中間事件、底事件、邏輯“與門”、邏輯“或門”等，通過這些故障樹的符號，可以對故障方向的邏輯分析過程進(jìn)行明確。

在對船舶柴油機(jī)調(diào)速器故障進(jìn)行診斷的時候，可充分借助故障樹分析方法，對調(diào)速器的狀態(tài)進(jìn)行評估，并借助聯(lián)絡(luò)矩陣方法、節(jié)點遍歷方法等模式進(jìn)行計算，并由相關(guān)的專家根據(jù)計算的數(shù)據(jù)，對其進(jìn)行分析。在此基礎(chǔ)上還要結(jié)合故障發(fā)生的可能性，對其進(jìn)行排列，指導(dǎo)輪機(jī)管理人員對所發(fā)生的故障進(jìn)行排除，進(jìn)而提升故障分析的準(zhǔn)確性。同時，在這一系統(tǒng)中，還可以結(jié)合用戶的信息反饋，對故障專家知識庫中最小路集分析的參數(shù)進(jìn)行修正，并對系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)進(jìn)行更新，進(jìn)而使得后期的故障分析更加精準(zhǔn)[4]。

4? 結(jié)語

綜上所述，柴油機(jī)調(diào)速器是船舶運行的動力系統(tǒng)，主要負(fù)責(zé)對柴油機(jī)的轉(zhuǎn)速進(jìn)行控制，進(jìn)而對其轉(zhuǎn)速和噴油量進(jìn)行控制，最終保持柴油機(jī)正常運行，給船舶的正常航行提供有利的條件。船舶柴油機(jī)調(diào)速器仿真系統(tǒng)與故障診斷在實際應(yīng)用中具有十分重要的價值，是保障船舶正常航行的必要條件。因此，必須要充分借助現(xiàn)代信息技術(shù)，積極構(gòu)建一個船舶柴油機(jī)調(diào)速器仿真系統(tǒng)，并借助這一仿真系統(tǒng)，對調(diào)速器運行中出現(xiàn)的故障進(jìn)行分析，并對其進(jìn)行針對性地解決，最終保障船舶的正常航行。

參考文獻(xiàn)

[1] 唐新飛. 船用柴油機(jī)故障檢測與診斷方法研究[D].武漢理工大學(xué)，2018.

[2] 王寶生.基于數(shù)據(jù)挖掘的船舶主機(jī)故障遠(yuǎn)程診斷系統(tǒng)設(shè)計[J].珠江水運，2019（17）.

[3] 金江善，董曉露， 秦慈偉，等.基于概率神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的船用柴油機(jī)共軌系統(tǒng)限流閥故障診斷研究[J].內(nèi)燃機(jī)工程， 2018， 39（3）：81-87.

[4] 張陽.船用中速柴油機(jī)故障建模仿真研究[J].中國修船， 2019（5）：5-7.