船舶蒸汽鍋爐的性能模擬分析-譯文

1、船舶蒸汽鍋爐的性能模擬分析Joko DVORNIK, Enco TIRELI, Srdjan DVORNIK摘要：本文目標(biāo)是調(diào)查船蒸汽鍋爐性能動(dòng)態(tài)展示成功應(yīng)用的系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)仿真建模。船蒸汽鍋爐是一個(gè)復(fù)雜的非線性系統(tǒng),研究需要作為一個(gè)整體系統(tǒng)包含有一定數(shù)量的子系統(tǒng)和元素,這是因果反饋回路相連,內(nèi)部系統(tǒng)和相關(guān)環(huán)境。文中將目前的科學(xué)的研究方法的有效應(yīng)用為研究復(fù)雜動(dòng)態(tài)系統(tǒng)稱(chēng)為定性和定量相結(jié)合的仿真系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)方法,它將允許生產(chǎn)和使用的更高的數(shù)量和種類(lèi)的仿真模型的觀測(cè)的元素,并最終讓持續(xù)的計(jì)算機(jī)仿真,這將有助于掌握新形成的動(dòng)力學(xué)性能的非線性特征的蒸汽鍋爐在船舶設(shè)計(jì)過(guò)程和教育。船用蒸汽鍋爐將會(huì)出現(xiàn)在心理語(yǔ)言、

2、結(jié)構(gòu)、數(shù)學(xué)計(jì)算機(jī)模型下的POWERSIM仿真語(yǔ)言中。關(guān)鍵詞：船舶蒸汽鍋爐 仿真模型 動(dòng)態(tài)系統(tǒng) 連續(xù)和離散仿真簡(jiǎn)介 本文的目的是表明動(dòng)態(tài)建模系統(tǒng)在研究復(fù)雜的非線性船舶推進(jìn)系統(tǒng)的應(yīng)用效率。船舶鍋爐系統(tǒng)是一個(gè)復(fù)雜的非線性系統(tǒng),需要作為一個(gè)整體系統(tǒng)地觀察,它包含有一定數(shù)量的子系統(tǒng)和元素,然后由因果關(guān)系(UPV)聯(lián)系在一起反饋回路(KPD),而且兩者都在推進(jìn)系統(tǒng)和相關(guān)的環(huán)境中。本文的基本假設(shè)是作者深信這艘船蒸汽鍋爐是一個(gè)非線性和非常復(fù)雜的技術(shù)系統(tǒng),內(nèi)部有明顯的多重因果聯(lián)系和反饋回路并控制了相關(guān)的變量。此外,額外的假設(shè)是,這些明顯的表現(xiàn)如此復(fù)雜,只有應(yīng)用相關(guān)的動(dòng)態(tài)建模系統(tǒng)的科學(xué)方法才能最終造成一個(gè)更高層次

3、的見(jiàn)解的過(guò)渡的動(dòng)態(tài)現(xiàn)象的表現(xiàn)觀察系統(tǒng),通過(guò)模擬效果和實(shí)際數(shù)據(jù)比較它將會(huì)在理論和實(shí)際當(dāng)中得到確認(rèn)。為深入了解的非線性船系統(tǒng)的行為動(dòng)態(tài),迄今為止使用的間接方法,已經(jīng)不能滿足現(xiàn)實(shí)需要。他們一直在用是基于經(jīng)典的,主要是拉普拉斯變換、瞬態(tài)功能、穩(wěn)定性判據(jù)等線性化方法。作為一門(mén)學(xué)科，盡管系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)已經(jīng)存在數(shù)十年，它仍是現(xiàn)代數(shù)字計(jì)算機(jī)高性能速度，提升了仿真模型的準(zhǔn)確度?，F(xiàn)在這已允許實(shí)用且簡(jiǎn)單的應(yīng)用計(jì)算機(jī)仿真更高層次的非線性動(dòng)力系統(tǒng)的微分方程（模型包括成千上萬(wàn)),即十分復(fù)雜的系統(tǒng)。在過(guò)去的幾年中動(dòng)態(tài)仿真系統(tǒng)已被應(yīng)用在很大程度上在研究行為各種各樣的復(fù)雜動(dòng)力學(xué)系統(tǒng)。作者認(rèn)為,系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)是一個(gè)進(jìn)行調(diào)查動(dòng)態(tài)復(fù)雜行為引

4、擎系統(tǒng)、子系統(tǒng)、元素出色的科學(xué)工具。系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)是一門(mén)科學(xué)學(xué)科作為基礎(chǔ)一般系統(tǒng)理論和管理理論，實(shí)際上是一個(gè)數(shù)學(xué)計(jì)算機(jī)仿真的方法工具。鑒于船舶系統(tǒng)的高度復(fù)雜性,本文介紹了應(yīng)用科學(xué)方法研究復(fù)雜動(dòng)態(tài)系統(tǒng)的功效稱(chēng)為:定性和定量相結(jié)合的系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)仿真方法(系統(tǒng)學(xué)動(dòng)力學(xué)建模方法-麻省理工學(xué)院) ,這也使得設(shè)計(jì)和使用許多種類(lèi)的仿真模型觀察現(xiàn)實(shí),最終使用快速和準(zhǔn)確模擬數(shù)字計(jì)算機(jī)確保連續(xù)仿真。這對(duì)于在非線性動(dòng)力學(xué)性質(zhì)的鍋爐系統(tǒng)在設(shè)計(jì)過(guò)程和教育得到新見(jiàn)解見(jiàn)解有很大貢獻(xiàn)。 仿真模型，在現(xiàn)代數(shù)字計(jì)算機(jī)的系統(tǒng)動(dòng)態(tài)分析和集約使用的支持下，是最適合和成功的研究非線性自然、技術(shù)、組織系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能科學(xué)方法。到目前為止，在教育和設(shè)

5、計(jì)實(shí)踐中，系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)分析，作為一個(gè)相對(duì)較新的科學(xué)學(xué)科，被證明一貫是科學(xué)研究眾多系統(tǒng)和進(jìn)程的管理，行為，靈敏度和靈活性等一系列問(wèn)題的有效工具。船舶蒸汽鍋爐的仿真建模船舶蒸汽鍋爐的數(shù)學(xué)模型 研究船舶蒸汽鍋爐的熱動(dòng)特性可能表現(xiàn)為船用鍋爐被視為由以下供熱單元組成的供熱裝置：鍋爐的金屬部分，節(jié)熱器，鍋爐和管道里大量的水，大量飽和的過(guò)熱的蒸氣，水蒸氣過(guò)熱器。 鍋爐也許被看作同樣的裝置，一種熱量收集器，即同樣的熱力容器。這種熱存儲(chǔ)器（容器）的平衡方程決定了鍋爐中的水量平衡方程式。為了作出鍋爐的動(dòng)態(tài)性能方程式，有必要僅僅觀察鍋爐的蒸氣管道部分（如圖1）。圖1.蒸汽鍋爐自然循環(huán)演示以下是有關(guān)蒸汽管道內(nèi)容：加到燃

6、油鍋爐里燃料的熱力為QGkJh1，加到鍋爐里水的熱力為QPVkJh1，從鍋爐排出的蒸汽的熱力為QPkJh1。根據(jù)下式，船舶蒸汽鍋爐系統(tǒng)動(dòng)態(tài)模型被定義為顯式微分方程：（1） 鍋爐蒸汽壓力的動(dòng)力學(xué)（2） 鍋爐水位的動(dòng)力學(xué)方程其中øK表示鍋爐蒸汽壓力的相對(duì)狀態(tài)，øY鍋爐水位的相關(guān)狀態(tài)，Ta1S鍋爐蒸汽壓力時(shí)間常數(shù)，Ta2S鍋爐水位時(shí)間常數(shù)，k蒸汽鍋爐的自我調(diào)節(jié)系數(shù)，G燃油閥的相對(duì)位置變化，P蒸汽外排閥門(mén)的相對(duì)位置變化，V給水閥門(mén)的相對(duì)變化，dø/dt鍋爐蒸汽壓力相對(duì)增量的變化速度，dP/dt蒸汽排放閥相對(duì)位置的變化速度，a1，2，3鍋爐蒸汽壓力系數(shù)，以及b1，2，3，4

7、蒸汽鍋爐水位系數(shù)。船舶蒸汽鍋爐的系統(tǒng)動(dòng)態(tài)描述在此基礎(chǔ)上的數(shù)學(xué)模型,或船蒸汽鍋爐的顯式方程基礎(chǔ)上,決定船舶鍋爐智能描述模型是可能的：如果船舶鍋爐的壓力相關(guān)增量變量øK增大，相應(yīng)的djK/dt的變化速度也會(huì)變快，這將會(huì)帶來(lái)某些消極影響；如果蒸汽壓力相對(duì)增量døK/dt的變化速度變大，鍋爐蒸汽壓力的相對(duì)增量將增加，它是所有狀態(tài)變化的整體或總結(jié)，也將產(chǎn)生消極影響。在所觀察到的因果關(guān)系（KPD）中，只有兩個(gè)因果（UPV）聯(lián)系，其負(fù)面價(jià)值的總和為1，所以總的因果KPD符號(hào)為負(fù)，這意味著自我調(diào)整，從而導(dǎo)致?tīng)顟B(tài)的任何改變靜止?fàn)顟B(tài)：如果蒸汽鍋爐蒸汽壓力自我調(diào)節(jié)系數(shù)k增加，蒸汽壓力相對(duì)增量的變

8、化速度將降低，從而給出了否定的因果關(guān)系；如果鍋爐蒸汽壓力的時(shí)間常數(shù)增加，鍋爐蒸汽壓力相對(duì)增量的狀態(tài)變化的速度將降低，給出了否定的因果關(guān)系。如果燃料供應(yīng)閥門(mén)相對(duì)變化的位置G增加，其中假定為單位時(shí)間內(nèi)的燃料供應(yīng)，鍋爐蒸汽壓力相對(duì)狀態(tài)變化的增加速度將døK/dt增加，其中給出了積極的因果關(guān)系。如果輔助系數(shù)a1增加，鍋爐蒸汽壓力相對(duì)增量的變化速度將增加，這給了積極的因果鏈接；如果進(jìn)水閥門(mén)的位置相對(duì)變化的速度增加，鍋爐蒸汽壓力的增加相對(duì)狀態(tài)的變化將增加，這給出了一個(gè)積極的因果聯(lián)系；如果輔助系數(shù)a2增加，鍋爐蒸汽壓力相對(duì)增量的狀態(tài)變化的速度將降低，給出了消極的因果鏈接；如果蒸汽排放閥增加的相對(duì)變

9、化，鍋爐蒸汽壓力相對(duì)增量的狀態(tài)變化的速度將降低，這給出了消極的因果鏈接；如果輔助系數(shù)a3增加，鍋爐蒸汽壓力的速度相對(duì)狀態(tài)的變化將減少，這給出了負(fù)面的因果關(guān)系；如果鍋爐蒸汽排放閥的位置相對(duì)變化速度增加，鍋爐蒸汽壓力相對(duì)增量的狀態(tài)的變化速度døK/dt會(huì)減少，給出了負(fù)面的因果關(guān)系；如果鍋爐蒸汽排放閥增加的位置的相對(duì)變化增加，鍋爐蒸汽排放閥位置的相對(duì)變化的變化速度會(huì)增加，這給了積極的因果鏈接。在船舶蒸汽鍋爐的顯式方程或數(shù)學(xué)模型的基礎(chǔ)上，有可能確定船用鍋爐的智能描述模型：蒸汽鍋爐的動(dòng)態(tài)性能與水位的自然循環(huán)過(guò)程中不會(huì)有自我調(diào)節(jié)屬性，因?yàn)闆](méi)有內(nèi)部負(fù)的因果連結(jié)（UPV）；如果蒸汽鍋爐水位Ta2增加

10、時(shí)間常數(shù)，鍋爐水位的相對(duì)增量的狀態(tài)變化速度døY/dt會(huì)降低，給出了否定的因果鏈接；如果進(jìn)水閥門(mén)位置的相對(duì)變化V增加，蒸汽鍋爐水位的相對(duì)增量的變化速度døY/dt會(huì)增加，這給了積極的因果連結(jié)；如果輔助系數(shù)b1增大，蒸汽鍋爐水位的速度相對(duì)狀態(tài)變化增量døY/dt將減少，從而給出了否定的因果鏈接；如果輔助系數(shù)b2增加， 鍋爐水位狀態(tài)變化速度的相對(duì)增量døY/dt將減少，從而給出了一個(gè)負(fù)面因果聯(lián)系；如果蒸汽壓力的相對(duì)增量的變化速度døK/dt增加，鍋爐水位的相對(duì)增量的狀態(tài)變化速度døY/dt將減少，其中給出了消極的因果關(guān)系環(huán)節(jié)；如果蒸汽排放

11、閥位置相對(duì)變化增加，鍋爐水位的相對(duì)增量的狀態(tài)變化的速度將降低，這給出了消極的因果關(guān)系環(huán)節(jié)；如果輔助系數(shù)b3的狀態(tài)變化的速度增加，鍋爐水位的相對(duì)增量døY/dt將減少，從而給出了消極的因果關(guān)系環(huán)節(jié)；如果鍋爐蒸汽排放閥相對(duì)位置的變化速度dP/dt；增加，鍋爐水位的相對(duì)增量的狀態(tài)變化的速度døY/dt將下降，得出了消極的因果關(guān)系；如果輔助系數(shù)b4增加，速度的狀態(tài)的變化鍋爐水位的相對(duì)增量døY/dt將減少，其中給出了反面的因果關(guān)系。船舶蒸汽鍋爐結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)模型 根據(jù)9-13，在所述金屬模型的基礎(chǔ)上，它有可能產(chǎn)生船舶蒸汽鍋爐的結(jié)構(gòu)性關(guān)系圖，如圖2，3，4所示。在所觀測(cè)系

12、統(tǒng)有反饋環(huán)路(KPD1)。KPD1():FIK=>()DFIK=>(+)DFIK=>(+)FIK；它具有自我調(diào)節(jié)的動(dòng)態(tài)特性，因?yàn)樨?fù)標(biāo)志的總和是一個(gè)奇數(shù)。圖2.船舶蒸汽鍋爐蒸汽壓力的結(jié)構(gòu)模型：FIK（øK）鍋爐中蒸汽壓力的相對(duì)狀態(tài),TAL(Ta1)蒸汽壓力時(shí)間常數(shù)，K（k）蒸汽鍋爐的自我調(diào)節(jié)系數(shù)，MIG（G）燃油閥的位置相對(duì)變化，MIV（V）給水閥門(mén)的相對(duì)變化MIP（P）蒸汽排放閥位置的相對(duì)變化，DFIK（dK/dt）鍋爐蒸汽壓力相對(duì)增量的變化速度，DMIP（dP/dt）蒸汽排放閥的位置相對(duì)變化速度，A1-3（a1,2,3）蒸汽鍋爐蒸汽壓力系數(shù)。 圖3.船舶蒸汽鍋爐水

13、位結(jié)構(gòu)模型：FIK（K）在鍋爐蒸汽壓力的相對(duì)狀態(tài)，TA2（Ta2）蒸汽鍋爐水位的時(shí)間常數(shù)，MIV（V）給水閥門(mén)的相對(duì)變化，MIP（P）蒸汽排放閥位置的相對(duì)變化，DFIYDT（dY/dt）鍋爐水位相對(duì)增量的變化的速度，DFIK（dK/dt）鍋爐蒸汽壓力相對(duì)增量的變化速度，DMIP（dP/dt）蒸汽排放閥的位置相對(duì)變化的速度，B1-4（b1，2，3，4）蒸汽鍋爐水位的系數(shù)。 圖4.船舶蒸汽鍋爐的總體結(jié)構(gòu)模型：在觀測(cè)系統(tǒng)沒(méi)有一個(gè)反饋環(huán)路KPD，因?yàn)樽匀谎h(huán)的動(dòng)態(tài)過(guò)程與蒸汽鍋爐的性能水位不具備自我調(diào)節(jié)的屬性。船舶蒸汽鍋爐系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)流程圖 根據(jù)14，在所生產(chǎn)的理論和結(jié)構(gòu)模型的基礎(chǔ)上，POWERSIM模擬

14、船舶蒸汽鍋爐的流程圖仿真語(yǔ)言在圖5。圖5.內(nèi)置PID調(diào)速器的船舶蒸汽鍋爐流程圖：負(fù)載條件下船舶鍋爐的動(dòng)態(tài)性能調(diào)查 在仿真軟件包之一，最常見(jiàn)的是DYNAMO15或POWERSIM14，定性和定量的系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)仿真模型已經(jīng)制作，系統(tǒng)的所有可能的操作模式，將在實(shí)驗(yàn)室模擬。這工個(gè)程之后，設(shè)計(jì)師或?qū)W生已經(jīng)進(jìn)行了足夠數(shù)量的實(shí)驗(yàn)，使用啟發(fā)式優(yōu)化方法，優(yōu)化系統(tǒng)中的任何參數(shù)可能會(huì)被執(zhí)行，洞察系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能，假設(shè)模型是有效的。在提出的方案中，是有兩個(gè)內(nèi)置PID調(diào)速器的船舶蒸汽壓力和水位模型。（1） 蒸汽耗量由50秒的脈沖函數(shù)持續(xù)時(shí)間決定，意思是從200250秒開(kāi)始，MIP= 0=0，F(xiàn)IY，F(xiàn)IK= 0.9999，

15、初始時(shí)間= 0。（2） 燃料供給MIG作為PID調(diào)節(jié)器的出口，在它的入口處蒸汽壓力有差異，相應(yīng)地，供水MIV是其他PID調(diào)速器的出口，入口也有差異（1 FIY）。（3） 船舶蒸汽鍋爐的標(biāo)稱(chēng)值相同的其他參數(shù)圖形仿真結(jié)果如圖6所示： 圖6.在蒸汽鍋爐的蒸汽壓力相對(duì)狀態(tài)圖7.燃油閥的位置相對(duì)變化圖8.在蒸汽鍋爐水位的相對(duì)狀態(tài)圖9.進(jìn)水閥門(mén)和相對(duì)變化位置的相對(duì)變化-蒸汽排放閥的位置（在我們的網(wǎng)站上看到彩色圖像）此外，使用這種連續(xù)模擬模型方法的用戶有機(jī)會(huì)獲得新的動(dòng)力系統(tǒng)性能信息。該方法也很重要，因?yàn)樗恢皇侵赣?jì)算機(jī)模擬，也明確決定精神，結(jié)構(gòu)和數(shù)學(xué)建模系統(tǒng)的元素。本文的貢獻(xiàn)如下:l 新的見(jiàn)解已變

16、成一個(gè)復(fù)雜船舶鍋爐系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能。所有相關(guān)的因果關(guān)系已定義以及相關(guān)的反饋循環(huán)內(nèi)的船舶蒸汽鍋爐主導(dǎo)；l 船舶蒸汽鍋爐動(dòng)態(tài)仿真模型的設(shè)計(jì)，保證了診斷，條件預(yù)報(bào)，更高質(zhì)量的決定作為一個(gè)整體，目的是在船舶營(yíng)運(yùn)的安全管理；l 在復(fù)雜的、天然的或技術(shù)性的系統(tǒng)仿真建模領(lǐng)域，對(duì)現(xiàn)在和未來(lái)大型船舶和電工技術(shù)工程師的教育過(guò)程（有貢獻(xiàn)）。l 使得學(xué)生，技術(shù)員和工程師，在任何時(shí)刻把船舶蒸汽鍋爐的動(dòng)態(tài)性能看作一個(gè)整體。l 使得新的船舶推進(jìn)系統(tǒng)和流程的設(shè)計(jì)人員在設(shè)計(jì)階段應(yīng)用系統(tǒng)動(dòng)態(tài)仿真建模的科學(xué)方法獲得必要信息，避免去等待實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果。l 為船舶推進(jìn)系統(tǒng)作為一個(gè)整體的動(dòng)態(tài)性能和作為長(zhǎng)期發(fā)展項(xiàng)目的船舶“智能”控制系統(tǒng) 的進(jìn)

17、一步研究奠定基礎(chǔ)。 在本文中，我們?cè)谡{(diào)研非線性特性系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能時(shí)提出了一個(gè)船舶動(dòng)態(tài)建模的有效應(yīng)用方法，旨在在瞬時(shí)現(xiàn)象發(fā)生、工作條件和開(kāi)發(fā)負(fù)荷改變時(shí)有一個(gè)更完全的性能研究。本文闡述了船舶蒸汽鍋爐,即基于部分來(lái)自2(pages26-31)的數(shù)學(xué)模型，我們?nèi)〉昧硕ㄐ院投肯嘟Y(jié)合的仿真模型。最終模型已用建立微分方程證明,而且確實(shí)使它成為一個(gè)非常復(fù)雜的技術(shù)系統(tǒng)有相關(guān)因果關(guān)系我們所定義的控制集和反饋環(huán),。關(guān)于動(dòng)態(tài)觀測(cè)系統(tǒng)性能也進(jìn)行了模擬。基于我們長(zhǎng)期在動(dòng)力學(xué)模擬方法的應(yīng)用和長(zhǎng)期的經(jīng)驗(yàn)，在這個(gè)簡(jiǎn)短的介紹中我們提供給的每個(gè)需要它的專(zhuān)家：獲得關(guān)于探索復(fù)雜系統(tǒng)的簡(jiǎn)單科學(xué)方法額外知識(shí)的可能性。它意味著：“不要使用所謂黑箱方法去仿真復(fù)雜系統(tǒng)的行為動(dòng)態(tài)，因?yàn)閺?fù)雜的系統(tǒng)教育和設(shè)計(jì)實(shí)踐證實(shí)，使用所謂的白盒方法可以更好的仿真，例如,系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)方法”最后，我們可能會(huì)引用中國(guó)諺語(yǔ)說(shuō)：“當(dāng)我聽(tīng)到我忘了。當(dāng)我看到我記得。當(dāng)我工作，我明白了?！边@種智慧可以改寫(xiě)成系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)的概念，作為我們的結(jié)論總結(jié)：“當(dāng)我聽(tīng)到動(dòng)態(tài)進(jìn)程的智能模型，我忘了”?！爱?dāng)我看到結(jié)構(gòu)模型和動(dòng)態(tài)過(guò)程的