摘要：船舶的工况在进行很大程度范围变化的时候，蒸汽动力装置的积极响应和它的安全性之间有一定的冲突，这就决定了船舶蒸汽动力装置在控制方面的特殊性。所以，结合一些船舶蒸汽动力装置安全要求，来论述船舶蒸汽动力装置的调节保护的方法，进而来构想出一种控制机构，并且根据一些最大最小的切换方法来在控制技术上对其设计一些控制器，最后再通过实验来进行仿真验证，解决他们之间的矛盾。
关键词：船舶；蒸汽动力装置；切换控制；问题分析
前言：传播性能的主要控制指标，其中一个就是船舶的机动性，它在一定程度上决定了船舶使用的年限。而船舶动力装置因为要满足各种海况条件下的航行要求，所以它的负荷变化范围也是非常大的。在运行过程中，主汽轮机可以由最大速度直接降为最低速度，或者是停车状态，或者从最小速度升到最大速度，这就要求机组再从一个范围工作时能够迅速的过渡到另一个范围，持续时间要很短，不发生一些其他状况，从而对动力装置的机动性和时效性提出了更高的要求。
一.目前船舶工作的一些问题
现在船舶的工作环境是非常特殊的，对船舶的动力装置要求也比较严格，要求他们的工作机组在超负荷以及半负荷的情况下，在进行工况转换的过渡过程中，在航行引起故障的过程中，以及甚至出现机组破坏的情况下，动力装置均能够很好的来应对这些问题，并且在任何情况下都不产生其他的故障损失而使得船舶停止工作。而这些安全性的限制，又给船舶设计的动力装置带来了许多问题，而快速性和安全性的两个指标，也构成了传播蒸汽动力装置相互矛盾的主要方面。而在现阶段，船舶动力装置的控制系统设计思路基本上是与陆地上的一些发电机是类似的，就是通过一些控制引流装置，或者是一些交叉的环节，来满足在不同过渡过程中机组参数的范围波动，提高他们的响应速度，满足各种载荷的要求。但是在实际过程中发现，在机组进行正常运行的时候，以上的方案是基本能够满足条件的要求的。而当载荷出现非常大的变化时，这时候机组就会出现一些故障，比如冒黑烟白烟、涡轮系统进行振动，这时候就严重影响了船舶在运行过程中的安全性。而引起以上问题的原因，就是因为船舶动力装置，既要满足两个安全性要求，也要满足两个矛盾的要求，这在很大程度上对它的设计加强了约束，从而不得不按照一些在最坏情况下的指标来进行设计，但是这样的话，它的安全性又得不到保障。所以这就使得设计要求更加很难满足。因此，在设计时必须要根据船舶蒸汽动力装置的一些特点，来研究出一些新的方法，以此来满足船舶在运行过程中载荷大幅度变化的情况。
二.传播蒸汽动力装置面向调节/保护的多回路控制思想
机组在运行过程中是有安全的边界的，其主要包括的方面有：压气机喘振边界、最高温度边界、最大转速边界，这些构成了机组进行安全运行的范围，所以在运行过程中机组不能超过这些安全边界。
为了使得船舶机组的两个性能都得到实现，而现在的一些船舶动力装置只能在一些特定的工况下进行运行，这就需要机组按照一定的运行模式来进行控制整个过程，当运行进入安全边界时，而整个装置要以安全性为主，对一些其他的指标控制不是很重要，而如果机组在安全边界范围内时，就会调节为正常的运行模式，来保证他的快速性。这就是基于多模式切换控制的传播蒸汽动力装置设计的思路。
下船舶蒸汽动力装置控制保护多目标控制的原理：转速和主汽压力的回落是整个装置主要的回落，而它的设计目标就是以快速性为主，而其它的是处于正常状态，在主机的载荷幅度变化大时，被控制的拆数要在安全边界之前来投入工作。
由于船舶蒸汽动力装置可以使得控制回路有一定的安全性，也可以使得转速回路提高速度而减少约束，这时就使得设计问题极大的简化，从而在保证安全的基础下，快速性也得到了一定的提升。对于船舶动力装置来说，快速性和机动性都是它的两大性能。
而这种船舶蒸汽动力装置协调/保护控制系统的设计方法，也可以在根本上总结成一个带约束的模型进行多回路控制的转换问题。
三.基于Max/Min切换规则的船舶蒸汽动力装置协调/保护控制系统设计
切换规则的不同会导致船舶蒸汽动力装置系统的稳定性和安全性等各项功能指标。而将最大最小切换规则应用于工程技术中，也会有一些优点：第一，在进行切换时，其区域和空间的界限非常明确，不存在重复的现象；第二，切换方式也有很大的不同，能够对各个过程进行可以好的控制；第三，而切换规则在工程上也可以很好的实现。而具体的控制系统切换规则为：压力上限值和转速给定信号分别传给保护控制器和转速控制器然后传到MAX，压力下限值传给保护控制器，之后与上面的混合传到MIN，最后在进行传出。
四.仿真结果及其分析
为了验证以上提出的控制思想的设计效果，下面将以蒸汽动力装置为研究对象，通过仿真验证来验证它的基本性能。
4.1被控信号的过渡过程响应
在仿真机组中对它的主汽控制压力设置为正常工作的90%到100%之内。机组在大工况对保护系统的切换控制分析的变化为：转速信号的过渡过程为先下降在不变，主汽力信号的过渡过程为先上升下降。
我们根据这两个信号的变化范围可以得出，在螺旋桨的跟踪响应几乎没有差别的情况下，DEB很难将锅炉中的主汽压力控制在一定的安全范围内。但是通过对他们简单的回路切换，能够使得机组在安全边界范围之内来更好地进行控制，在超出保护范围之后，使用控制器也可以减小他们的超量，解决了动力装置中快速性和安全性两者之间的矛盾。
4.2控制信号的切换过程分析
采用最大最小切换规则的船舶蒸汽动力装置，为了能够使控制系统更好的平稳且不出问题的进行运行，一般是采用PI/PID的控制器。在刚开始运行的时候，在调节的过程中，它的转速没有发生改变，各种机组的压力也没有发生改变，而不参与工作的压力，保护回路的机器也处于饱满的状态，并且与转速控制线相隔很远，这样就不会影响到转速调节回路的正常工作和运转。而仿真控制中控制信号的切换过程为：锅炉的压力上升或者是减小，而超过了压力的限制线。这时候压力保护的控制器就会输出信号，对最大最小进行一定的选择，来切入压力的保护控制系统，从而对整个机组进行很好的掌控，也同时能够降低开关阀门的速度，以便能够很好地记录压力的变化范围。当压力进行调节之后，进入了安全范围之内时，而进入最大最小选择器的转速和压力的保护控制信号，又再一次进行选择控制器来更好地掌握机组的变化，这时候的压力控制信号就会因为积分的作用来使控制线与它进行一定的距离隔离，这时候就能保证下一个回路的正常运行。以此来实现调节保护/控制回路的输入和输出，达到平稳运行的目标。
结语：对于船舶蒸汽动力装置协调保护控制系统的设计，对两个性能的要求进行有效的分离，并采用相应的办法来进行实施，由独立的保护控制回路来解决，确保安全的任务，降低对它的安全性要求而带来的一些问题约束，也是解决它本身两个矛盾的重要途径。
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作者简介：李攸（1989-06-30），男，汉族，籍贯：黑龙江省哈尔滨市，当前职称：工程师，学历：硕士研究生，研究方向：汽轮机控制