基于模糊控制理論的艙室通風散熱系統設計

王雨嬌

(江蘇海事職業技術學院，江蘇 南京 211199)

0 引言

艙室通常是船上所有艙室的總稱，可分為主機艙，副機艙，彈藥艙，貨艙，工作艙，生活艙等。在主機艙內部，橫梁將船體分成許多不同的艙室，它們被稱為尖艙、錨鏈艙、貨艙、機艙、尾艙和壓載艙等[1]。艙室內乘客以及工作人員的呼吸作用、電力運行設備會在不同程度上產生熱量，而由于船員大多數時候都呆在艙室里，所以艙室的環境直接影響著他們的身體和精神狀態，并間接地影響著他們的工作，因此有必要對艙室進行定期定量的通風、散熱。

通風就是利用自然或機械的方式，讓風不受阻礙地通過，進入室內或密閉的環境，從而產生衛生、安全等適宜的空氣環境。經常透氣能改善室內的環境，對身體健康有好處。而散熱指的是將相對密閉環境中的熱量分散到廣闊環境中，降低區域環境中的熱量集中程度，從而降低環境溫度。當前艙室區域大范圍使用的通風散熱系統主要包括：基于GPRS 技術的通風散熱系統和基于變頻器的通風散熱系統，然而在實際運行過程中，現有的通風散熱系統無法達到預期效果，主要體現在散熱速度慢、艙室溫度過高等方面，為此引入模糊控制理論。

模糊控制是采用由模糊數學語言描述的控制律來操縱系統工作的控制方式。與傳統控制方法相比，其控制效果、魯棒性和適應性更好?；谀：刂频纳鲜鰞烖c，使其更適合于封閉環境的控制，因此，在密閉環境中進行模糊控制是目前的一個重要方向。將模糊控制理論應用到艙室通風散熱系統的優化設計，能夠快速實現艙室溫度與空氣流量的控制與調節。

1 艙室通風散熱系統設計

此次優化設計的艙室通風散熱系統采用控制制冷器、鼓風機等執行元件的工作狀態與參數，實現艙室內的通風和散熱，在模糊控制理論的支持下生成作用在執行元件上的控制指令，保證艙室溫度與目標溫度一致。

1.1 構建艙室散熱數學模型

艙室內除了生活人員外，變壓器、空調等設備在工作過程中也會產生熱量，并直接將熱量擴散到艙室環境中[2]。根據氣流和換熱的基本原理，推導出了計算艙室中氣流及換熱的質量、動量和能量方程[3]。根據能量守恒定律，即單位時間內進入船艙的能量減去單位時間內由船艙流出的能量應等于船艙內能量蓄存量的變化率，則可以得出艙室內熱力系統模型的構建結果，艙室通風散熱的數學模型構建結果如圖1 所示。

1.2 裝設艙室傳感器與通風散熱執行器

艙室通風散熱系統中裝設的傳感器為溫度傳感器，采集艙室內的實時溫度，以此作為艙室散熱通風系統的啟動項，通風散熱功能的執行設備為通風機和制冷機，根據艙室的實際需要選擇合適的設備型號，并對設備的組成結構進行調整[4]。艙室通風機選用的是旋軸流式通風機，其工作過程是：電機在驅動裝置-傳動軸帶動葉輪開始旋轉時，葉輪之間的氣流被葉輪的作用力所驅動，以獲得能量，然后氣體沿導葉調整好的方向由擴壓器排放[5]。同時，在葉輪進口處產生一個負壓，以克服井巷內的通風阻力，將外部空氣從軸向流向葉輪，實現了艙室內外的空氣交換。在2 個防爆電機軸上，對旋軸流風機的2 個葉輪并排設置，其旋轉方向和機翼形葉片的扭轉方向是反向的。為了防止驅動電機與排氣通道內的氣體發生接觸，一般采用防爆型，并將其安裝于主風缸內的密閉容器內，同時在氣缸內裝有扁管，扁管與外界大氣相通可以散出熱量。最終將艙室溫度傳感器以及通風散熱執行器設備進行連接，具體的連接情況如圖2 所示。

圖2 艙室傳感器與通風散熱執行器連接圖Fig.2 Connection between cabin sensor and ventilation and heat dissipation actuator

1.3 計算艙室通風量與散熱量

利用裝設的傳感器設備，獲取實時艙室環境中的溫度數據采集結果，記為Tcabin(t)。根據艙室內的空氣流通規律，得出艙室散熱量的計算結果為：

式中：Ttarget為艙室環境的控制目標；Scabin為艙室總面積。

另外艙室通風需求量的計算公式如下：

式中：Qcabin為當前艙室環境中的全熱及濕熱余熱量；TReturn和Tsupply分別為回風和送風溫度；c表示的是艙室空氣定壓比熱。

1.4 改裝艙室通風散熱模糊控制器

艙室通風散熱模糊控制器是驅動通風散熱執行器的核心部件，由于優化設計的艙室通風散熱系統應用了模糊控制理論，因此需要在傳統系統的基礎上對控制器進行模糊化改裝，改裝后的艙室通風散熱模糊控制器結構如圖3 所示?？梢钥闯?，改裝的艙室通風散熱模糊控制器由輸入輸出接口、推理機、模糊化處理模塊、模糊推理模塊、去模糊化模塊等多個部分組成，其中模糊化模塊用來對外部輸入數據進行模糊處理，把輸入數據轉換成模塊控制器所需的輸入量，即把準確地址轉換成模糊性。輸入的準確數值通常是輸入參數，系統輸出量，系統狀態等[6]。在模糊化中，為消除噪聲的影響，有時必須先過濾輸入數據，然后將輸入數據經過比例轉換，使之歸屬于各自的論域。最后經過模糊化，最終完成輸入的準確轉換為模糊性，從而達到用模糊集合表達輸入的目的。推理機的功能是利用輸入的模糊地址和知識庫進行模糊推理，并對其進行求解，得到模糊控制量，實現模糊推理。解模糊化模塊把由模糊推理得出的模糊控制地址轉化成準確的控制目標。該方法主要包括2 個部分：一是對模糊進行解模糊，將其轉化為論域范圍中的精確量；二是將轉換后的精確量轉換成實際的控制量。將模糊理論與傳統的PID 控制器相結合，完成艙室通風散熱模糊控制器的改裝工作。

圖3 艙室通風散熱模糊控制器結構圖Fig.3 Structural diagram of cabin ventilation and heat dissipation fuzzy controller

1.5 利用模糊控制理論生成艙室通風散熱控制指令

艙室通風散熱模糊控制器在執行過程中的運行參數可以表示為：

式中：Kp，Ki和Kd分別表示比例系數、積分系數和微分系數；Kp0，Ki0和Kd0對應的是系數的初始值，而?Kp，?Ki和?Kd分別為模糊自適應控制器的輸出值。將傳感器的實時采集結果與控制目標輸入到改裝的控制器中，輸出的控制規律為：

其中?Q為偏差值。

在實際的運行過程中，確定每個輸入和輸出變量的變化類型時，必須根據實際情況來決定比例因素和量化因素。在量化論域中，對于每一個變量，都要定義一個模糊的子集。首先要確定模糊子集的數量，然后確定其所包含的語言變量，選擇相應的隸屬函數。經過多次試驗、資料搜集，或參考專家的實踐經驗，對其進行分析、整理、歸納，總結出一套可以用模糊規則。通過對輸出量和輸入量的排序，得到一張模糊控制表。該方法可以對系統的誤差和誤差進行分析，并將其輸入到模糊控制規則中，從而得到一套新的PID 參數，而最終的輸出量是在模糊控制理論下通過PID 算法獲得的控制指令。

1.6 實現艙室通風散熱功能

由于艙室通風散熱控制指令需要執行在通風機以及制冷機中，因此需要將控制指令轉換成執行元件的工作參數，以通風機為例，其轉速與產生通風量之間的關系為：

式中：PFan和Lblade分別為通風機的有效工作功率和葉片長度。

將通風控制量代入到式(5)中，即可得出對應通風機轉速的求解結果，并替換控制指令中的控制參數。按照上述方式完成控制指令的轉換，保證控制指令能夠直接作用在通風散熱執行元件上并成功驅動。同理通過調節擋風板開度量、動葉角度等方式，實現艙室通風散熱功能。在系統運行過程中實時監測艙室環境中的溫度與空氣密度變化，若艙室環境參數達到預設控制目標，則控制程序中斷。

2 系統的性能測試與分析

2.1 配置艙室測試環境

借助Matlab2016a 軟件進行系統測試，選擇某雜貨-集裝箱兩用船作為研究背景，該船包含機艙、貨艙、壓載艙以及深艙等多個艙室，機艙環境面積為25 m2，貨艙、壓載艙和深艙的環境面積分別為36.5 m2，22.4 m2和18.9 m2。機艙內包含發電機、鍋爐、舵機、壓縮機等設備，在工作狀態下均可能產生不同程度的熱量。貨艙、壓載艙以及深艙內布設基本的生活設施，并保證艙室內所有設備的正常使用。在系統測試之前，對選擇的艙室環境進行編號，獲取艙室測試環境的基本結構信息。

2.2 設置艙室初始環境參數與控制目標

設置艙室環境中生活的人員數量，艙室內各個元件的工作參數，得出艙室內各個位置上溫度的理論值，以此作為艙室環境的初始溫度。系統測試實驗中機艙環境初始溫度的設置如圖4 所示。

圖4 機艙初始溫度分布圖Fig.4 Initial temperature distribution of engine room

另外，默認選擇的所有艙室均處于封閉環境，由此可以得出艙室初始空氣密度數據，根據艙室的所屬類型以及使用需求，設置對應的控制目標，具體的艙室環境參數與控制目標的設置情況如表1 所示。以表1 中設置的艙室初始參數作為艙室通風散熱系統的輸入項，以控制目標作為艙室通風散熱系統運行的目標項，并以此作為系統通風散熱功能運行效果的對比標準。

表1 艙室初始環境參數與控制目標設置表Tab.1 Setting table of cabin initial environmental parameters and control objectives

2.3 系統測試過程與結果分析

為實現對系統艙室通風效果的量化分析，設置通風量產生誤差和環境空氣密度控制誤差作為實驗的2 個測試指標，將初始艙室環境數據輸入到艙室通風散熱系統中，通過系統運行得出艙室通風散熱系統的運行結果。提取3 種艙室通風散熱系統的運行數據，利用艙室中的傳感器設備獲取環境參數，得出反映系統通風效果的測試結果，如表2 所示。計算得出對比系統通風量產生誤差的平均值分別為5.17 cmm 和4.67 cmm，優化設計系統的平均通風量產生誤差為1.00 cmm，另外對比系統環境空氣密度控制誤差的平均值分別為0.008 kg/m3和0.007 kg/m3，而優化設計系統的平均環境空氣密度控制誤差為0.002 kg/m3。

表2 系統艙室通風效果測試數據表Tab.2 Data sheet for ventilation effect test of system cabin

2.4 艙室散熱效果測試

分別啟動3 個艙室通風散熱系統，經20 min 后利用傳感器設備獲取艙室內各個位置的實際溫度數據，得出系統散熱效果的測試結果，圖5 為優化設計系統的散熱測試結果。同理可以得出對比系統的測試結果，經過對比發現，應用優化設計的艙室通風散熱系統能夠將環境溫度控制在區間[24℃,26℃]內，更接近設置的溫度控制目標。提取所有溫度數據，經過公式（12）的計算，得出對比系統的平均溫度控制誤差分別為2.1℃和2.7℃，優化設計系統的平均溫度控制誤差為0.3℃。

圖5 艙室散熱效果測試對比結果Fig.5 Comparison results of cabin heat dissipation effect test

3 結語

在現有艙室通風散熱系統的基礎上，利用模糊控制理論使得控制決策更方便和快速，同時有效克服系統固有的非線性、多耦合及多干擾等困難，更好地完成控制目標并保證系統運行穩定。從實驗結果可以看出，優化設計的基于模糊控制理論的艙室通風散熱系統能夠準確的完成控制目標，達到良好的通風與散熱效果。