船舶辅锅炉仿真系统的数学建模与软件设计

摘要

随着船舶技术水平的不断发展，对船舶管理人员的技术要求也越来越高，提高船舶管理人员的操作、管理能力已经成为航海界的共识。船舶辅锅炉是船舶重要的辅机之一，也是实现自动化控制最早的设备之一。如何安全、有效的操作船舶辅锅炉具有非常重要的意义。因此，对船舶辅锅炉系统进行数学建模和软件仿真是非常必要的。
　　 本课题主要仿真对象是5250系列的全集装箱船上的一台燃油辅锅炉和一台废气锅炉。首先分析了辅锅炉系统的工作过程及动态特性，介绍辅锅炉系统的组成，列出了辅锅炉系统的详细技术参数。在此基础上进行合理简化和必要的假设，将船舶辅锅炉系统划分为燃烧、汽包、燃油加热器等系统。然后根据各个系统和部件的工作原理，应用质量、能量守恒定律和热力学、传热学、流体力学等基本理论，采用混合建模的方法，建立船舶辅锅炉系统的数学模型。
　　 分析辅锅炉控制系统的特性，提出控制系统的任务，即控制锅炉水位，锅炉汽包压力和锅炉燃油温度。根据已建的船舶辅锅炉数学模型，分别设计锅炉水位、锅炉汽包压力和锅炉燃油温度PID控制算法，并对其进行了实时的联合控制仿真。仿真结果表明各个动态过程基本符合实际辅锅炉动态响应过程，所建数学模型合理有效。为了提高锅炉水位控制系统的可靠性和安全性，设计并实现了锅炉汽包水位的串级广义预测控制。
　　 结合已建立的数学模型和设计的控制算法，使用VC++开发语言完成辅锅炉仿真系统的主界面、水系统界面、燃油系统界而、蒸汽系统界面、控制面板界面、曲线界面及相关元件界面的设计与开发。系统中实时显示汽包压力、锅炉燃油温度、锅炉水位的值，开关阀、按钮、旋钮都可进行操作，指示灯显示相应的工作状态。模拟辅锅炉实际运行工况，对辅锅炉仿真系统进行一系列操作，即锅炉水系统操作、废气锅炉加热操作、辅锅炉加热操作。操作结果表明该系统能够全面、逼真地反映辅锅炉系统的工作情况和实际动态过程。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 选题的背景及意义

1．2 相关领域研究动态

1．3 研究工作的目的与任务

第2章 船舶辅锅炉的数学建模

2．1 辅锅炉的特点

2．2 建模方法

2．3 仿真对象简介

2．4 炉膛模型

2．4．1 炉膛内的工质遵循质量守恒定律

2．4．2 炉膛内的工质遵循能量守恒定律

2．5 汽包模型

2．5．1 液相区质量守恒

2．5．2 汽相区质量守恒

2．5．3 汽包总能量守恒

2．5．4 汽包水位

2．5．5 饱和水蒸汽参数

2．6 燃油加热器模型

2．6．1 热量衡算方程

2．6．2 传热速率方程

2．6．3 重油出口温度

第3章 船舶辅锅炉的控制仿真

3．1 辅锅炉控制系统的任务

3．2 仿真界面

3．3 汽包水位PID控制及仿真

3．4 汽包蒸汽压力PID控制及仿真

3．5 燃油温度PID控制及仿真

3．6 汽包水位-蒸汽压力-燃油温度的联合控制仿真

3．7 汽包水位的串级广义预测控制设计

第4章 船舶辅锅炉仿真系统的软件设计

4．1 辅锅炉仿真系统界面设计

4．1．1 辅锅炉主界面

4．1．2 辅锅炉水系统界面

4．1．3 辅锅炉燃油系统界面

4．1．4 辅锅炉蒸汽系统界面

4．1．5 辅锅炉控制面板界面

4．1．6 辅锅炉各元件的操作界面

4．1．7 辅锅炉蒸汽压力控制器界面

4．2 辅锅炉仿真系统操作

4．2．1 锅炉水系统操作

4．2．2 废气锅炉加热操作

4．2．3 辅锅炉加热操作

第5章 总结

参考文献

致谢