基于灰色理論艦船汽輪機(jī)調(diào)速器綜合評估

楊志勇，葉中明

(武漢理工大學(xué) 能源與動力工程學(xué)院，湖北 武漢 430063)

基于灰色理論艦船汽輪機(jī)調(diào)速器綜合評估

楊志勇，葉中明

(武漢理工大學(xué) 能源與動力工程學(xué)院，湖北 武漢 430063)

文章基于集散控制系統(tǒng)的電液調(diào)速器能正確、快速、平穩(wěn)地改變汽輪機(jī)轉(zhuǎn)速，可以更好的滿足調(diào)節(jié)精度和艦船自動化的要求，根據(jù)集散控制系統(tǒng)的電液調(diào)速器技術(shù)參數(shù)運用灰色理論和層次分析法構(gòu)成相關(guān)數(shù)學(xué)模型，對集散控制系統(tǒng)的電液調(diào)速器的各種性能指標(biāo)進(jìn)行綜合評估，并分析方案的可行性，為艦船汽輪機(jī)調(diào)速器的設(shè)計提供理論依據(jù)。

艦船汽輪機(jī)；調(diào)速器；灰色理論；評估；層次分析法

汽輪機(jī)作為主推進(jìn)動力裝置具有可靠性高、單機(jī)功率大、設(shè)計尺寸小、重量輕、維護(hù)方便、壽命長和具有良好的經(jīng)濟(jì)性等優(yōu)點[1]。汽輪機(jī)是一種高速旋轉(zhuǎn)的機(jī)械裝置，在實際的航行過程中，汽輪機(jī)處于變工況下工作，其能否快速、正確、平穩(wěn)的改變轉(zhuǎn)速直接關(guān)系到艦船的安全航行。早期的汽輪機(jī)采用機(jī)械式調(diào)速器來改變轉(zhuǎn)速；上世紀(jì)60年代，由于電液調(diào)節(jié)系統(tǒng)控制精度高，運行安全穩(wěn)定，操作簡單等優(yōu)點，模擬電液調(diào)節(jié)系統(tǒng)和數(shù)字電液調(diào)節(jié)系統(tǒng)等調(diào)速系統(tǒng)應(yīng)運而生，且在大功率汽輪機(jī)發(fā)電機(jī)組上使用。現(xiàn)代艦船動力汽輪機(jī)組的控制系統(tǒng)越來越復(fù)雜，隨著微型計算機(jī)科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，集散控制系統(tǒng)得到廣泛發(fā)展[2]，由于集散控制系統(tǒng)可高效利用硬件功能、控制功能分級實現(xiàn)、可靠性高和局部的故障不會使整個系統(tǒng)癱瘓等特性，大大提高了艦船航行的可靠性。艦船動力調(diào)速器直接關(guān)系到艦船海上航行的安全，因此其穩(wěn)定性、安全性、操縱性、環(huán)保性、經(jīng)濟(jì)性受到國防科工委和國際海事組織的廣泛關(guān)注。但至今還沒有專門的機(jī)構(gòu)或組織采用專業(yè)的方法對艦船汽輪機(jī)調(diào)速器做出綜合評估。本文利用層次分析法和灰色理論[3]，將基于集散控制系統(tǒng)的電液調(diào)速器的定性指標(biāo)轉(zhuǎn)換為定量指標(biāo)進(jìn)行綜合評估。

基于集散控制系統(tǒng)的艦船汽輪機(jī)電液調(diào)速器在實際的設(shè)計與運用過程中，受到人為、設(shè)備和工作環(huán)境等因素的影響，存在太多的不確定性。無論哪種方法都有其優(yōu)缺點。在對汽輪機(jī)調(diào)速器作綜合評估時，一方面考慮到設(shè)計和使用過程中每個環(huán)節(jié)對調(diào)速器的影響，區(qū)分出每個因素的評價指標(biāo)，確定合理的權(quán)重，設(shè)計研發(fā)人員可在設(shè)計初期明確設(shè)計重點；另一方面評價準(zhǔn)則和每個影響因素都存在隨機(jī)性，依據(jù)灰色評估法利用精確的數(shù)字手段處理模糊的評價對象，能對評估的對象所包含的灰色信息進(jìn)行比較科學(xué)合理的量化評價，同時每個評估人員的側(cè)重點和能力的不同，導(dǎo)致評估結(jié)果有一定的灰度。以上原因都會造成評估結(jié)果不準(zhǔn)確，甚至評估失敗。基于層次分析法的灰色綜合評估能夠更客觀、更準(zhǔn)確的對艦船汽輪機(jī)調(diào)速器做綜合評估。

1 艦船汽輪機(jī)調(diào)速系統(tǒng)評估模型

調(diào)速系統(tǒng)直接關(guān)系到艦船航行的穩(wěn)定性，甚至安全性，基于集散控制系統(tǒng)的艦船電液調(diào)速系統(tǒng)作為一種新的調(diào)速方式，更好的滿足了艦船速度調(diào)節(jié)精度和自動化的要求。在艦船上的使用具有廣闊的市場前景。根據(jù)汽輪機(jī)調(diào)速過程中的的主要指標(biāo)，建立基于集散控制系統(tǒng)的艦船電液調(diào)速系統(tǒng)綜合評估體系，包括：①可靠性指標(biāo)，即艦船平穩(wěn)安全航行的保障，系統(tǒng)采用集散控制系統(tǒng)作為運算和校正控制元件，具有更高的穩(wěn)定性和快速性。②技術(shù)先進(jìn)性指標(biāo)，是相對機(jī)械調(diào)速系統(tǒng)、機(jī)械液壓調(diào)速系統(tǒng)以及模擬電液和數(shù)字電液調(diào)節(jié)系統(tǒng)而言具有的優(yōu)越性。目前，艦船汽輪機(jī)組容量大，調(diào)速控制過程復(fù)雜，磁電式電子元器件測量元件以及液壓機(jī)構(gòu)作為執(zhí)行機(jī)構(gòu)，靈敏度高(國際電工委員會的標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定電液調(diào)速系統(tǒng)的不靈敏度小于0.06%[2])。集散控制系統(tǒng)因控制功能分散、顯示操作集中、兼顧分級協(xié)調(diào)管理等優(yōu)點，汽輪機(jī)調(diào)速系統(tǒng)作為整體控制系統(tǒng)的一部分，更加有利于艦船自動化提高。③經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)，基于集散控制系統(tǒng)的電液調(diào)速系統(tǒng)在艦船汽輪機(jī)上使用前后所需要的總的費用，包括制造費用和維護(hù)保養(yǎng)費用，由于調(diào)速系統(tǒng)使用的是集散控制系統(tǒng)的控制器、比例伺服閥等元器件，其設(shè)計費用和制造費用較高，但可靠性高而維護(hù)費用低。艦船汽輪機(jī)調(diào)速系統(tǒng)影響因子層次結(jié)構(gòu)如圖1。

圖1 汽輪機(jī)調(diào)速系統(tǒng)影響因子層次結(jié)構(gòu)圖

2 建立基于灰色理論艦船汽輪機(jī)調(diào)速器綜合評估的數(shù)學(xué)模型

2.1 使用層次分析法得出指標(biāo)因子的權(quán)重

利用層次分析的原理，在深入調(diào)查研究的基礎(chǔ)上，分析調(diào)速系統(tǒng)的影響因子，確定影響因子的“父子”關(guān)系，搭建影響因子階梯層次結(jié)構(gòu)模型，最底層的影響因子為評估指標(biāo)，把評估指標(biāo)兩兩進(jìn)行比較，得出判斷矩陣A如式[4](1):

(1)

因為判斷矩陣元素是參與評估的專家對影響因子的相對重要性的主觀判斷，通常引用相對標(biāo)度對判斷標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行量化處理得出，標(biāo)度含義如表1。

表1 標(biāo)度含義

求出判斷矩陣A的最大特征值λmax和特征向量ni(n1,n2,…nn)，同時對矩陣A進(jìn)行一致性檢驗，其檢驗值CR如式(2)、(3)。

CR=CI/RI,

(2)

CI=(λmax-n)/(n-1),

(3)

式中：CI為判斷矩陣偏離一致性指標(biāo)度量值，n為判斷矩陣的階數(shù)，RI是大量判斷矩陣隨機(jī)試驗統(tǒng)計得出的平均隨機(jī)一致性指標(biāo)值[5]，低階RI如表2。

表2 低階RI取值表

當(dāng)CR<0.1時，說明矩陣A有良好的一致性，否則需要重新調(diào)整判斷矩陣；最后得出指標(biāo)因子的相對權(quán)重wi(w1,w2,…wn)[4，6]。

2.2 評估樣本矩陣

(4)

2.3 確定評估灰類

評估灰類的確定，即是灰類評價等級G、灰色系數(shù)Xi和相應(yīng)白化權(quán)函數(shù)fN(D)的確定，白化權(quán)函數(shù)一般有3種[4]。

2.4 計算灰色系數(shù)、模糊權(quán)矩陣

(5)

(6)

(7)

由灰色評估權(quán)重rn,k組建模糊權(quán)矩陣R。

2.5 計算模糊綜合判定矩陣和評價結(jié)果

由總的相對權(quán)矩陣和模糊權(quán)矩陣運算，得出模糊綜合判定矩陣，對準(zhǔn)則層做綜合評估，評估結(jié)果為：Z=Wi×R。由需求者和評估專家確定的評估灰類等級向量G(G1、G2···Gn)，求出綜合評定結(jié)果V[7]，V=ZGT。

3 艦船汽輪機(jī)調(diào)速系統(tǒng)灰色綜合評估

3.1 通過層次分析法判斷評估指標(biāo)權(quán)重

邀請使用者對艦船汽輪機(jī)目標(biāo)層的指標(biāo)因子特點，結(jié)合標(biāo)度法則對指標(biāo)因子進(jìn)行重要性比較。構(gòu)建的判斷矩陣A如下：

特征值λmax=6.013 8，特征向量為nn=[0.804 8 0.445 0 0.255 9 0.255 9 0.115 0 0.100 6]，根據(jù)式(2)得：CR=0.002 7<0.1，說明基于集散控制系統(tǒng)的汽輪機(jī)電液調(diào)速系統(tǒng)的指標(biāo)層構(gòu)成的判斷矩陣的一致性良好。歸一化后的相對權(quán)重矩陣Wi=[0.399 0.226 0.127 0.127 0.057 0.049]。

3.2 確定評估樣本矩陣

邀請3位艦船相關(guān)類專家對調(diào)速系統(tǒng)指標(biāo)層進(jìn)行打分，得到指標(biāo)評估樣本矩陣D。

3.3 確定調(diào)速系統(tǒng)評估灰類，計算灰色評估系數(shù)和評估權(quán)重矩陣

在對基于集散控制系統(tǒng)的汽輪機(jī)電液調(diào)速系統(tǒng)綜合評估中，將評分等級分為優(yōu)秀、良好、合格和差，組成評估等級向量G(9，7，5，2)，相對應(yīng)的評估灰類N為4個，分別為1、2、3、4，其灰類和白化權(quán)函數(shù)見圖2。

圖2 4個灰類和白化權(quán)函數(shù)圖

對于評估指標(biāo)(穩(wěn)定性)，其4個評估灰類系數(shù)分別為：

N=1,X1，1=f1(8)+f1(7.5)+f1(9)=

2.722；N=2,X1，2=1.833；N=3,X1，3=0.167；N=4,X1，4=0。

對于評估指標(biāo)(穩(wěn)定性)總評估灰類系數(shù)X1=

2.722+1.833+0.167+0=4.722。

則評估指標(biāo)(穩(wěn)定性)對于4個評估灰類的評估權(quán)重分別為：

r1，1=0.576，r1，2=0.388，r1，3=0.035，r1，4=0。

同理可得指標(biāo)快速性、靈敏度、自動化性、制造費用和維護(hù)費用的評估權(quán)重分別為：

r2，1=0.368，r2，2=0.450,r2，3=0.182,r2，4=0，

r3，1=0.430，r3，2=0.453，r3，3=0.116，r3，4=0，

r4，1=0.475，r4，2=0.419，r4，3=0.106，r4，4=0，

r5，1=0.239，r5，2=0.403，r5，3=0.358，r5，4=0，

r6，1=0.314，r6，2=0.482，r6，3=0.214，r6，4=0。

由灰色評估權(quán)重rn，k組建模糊權(quán)矩陣R為:

3.4 評價結(jié)果

模糊綜合評價矩陣：Z=[0.456 7 0.413 8 0.104 7 0]。

綜合評價結(jié)果：V=7.532 2，評估結(jié)果表明，基于集散控制系統(tǒng)的電液調(diào)速系統(tǒng)的評估模型具有良好的綜合性能，設(shè)計方案具有可行性。

4 結(jié)束語

針對基于集散控制系統(tǒng)的汽輪機(jī)電液調(diào)速系統(tǒng)的各指標(biāo)特點，建立層次灰色模型，利于灰色理論客觀、準(zhǔn)確的對此模型進(jìn)行評估，分析得出該模型具有良好的綜合性能。評估方法也可以實現(xiàn)對艦船調(diào)速系統(tǒng)多方案之間進(jìn)行選擇，通過比較權(quán)重的綜合評定結(jié)果，選擇最優(yōu)方案，為艦船調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計提供一定的理論和技術(shù)支持。但是基于灰色理論的預(yù)測評估方法對艦船調(diào)速系統(tǒng)的評估，也有一定的局限性和隨機(jī)性，如構(gòu)建樣本矩陣的分?jǐn)?shù)指標(biāo)，以及專家對灰類的確定都有一定可變性。在實際中應(yīng)及時發(fā)現(xiàn)和排除突發(fā)情況的影響，使評估模型與實際情況更加符合貼切。

[1] 方學(xué)智．船舶與海洋工程概論[M]．北京：清華大學(xué)出版社，2013．

[2] 郭鈺鋒，徐志強，于達(dá)仁．汽輪機(jī)調(diào)節(jié)原理[M]．北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2010．

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The electro-hydraulic speed regulator based on a DCS controller can change a steam turbine' s speed accurately quickly and smoothly,and will meet the requirements of adjusting precision and warship automation in an even better fashion.According to the parameters of the thelector-hydraulic speed regulator based on a DCS controller and a relevant mathematical model constituted with the Grey Theory & AHP,comprehensive assessment of various performance indicatiors of the electro-hydraulic speed regulator based on a DCS controller can be made with the feasibility of the scheme analyzed,which provides the theoretical basis for designing of a warship steam turbine speed regulator.

warship steam turbine;speed regulator;Grey Theory;assessment;analytic hierarchy process

楊志勇(1969-)，男，湖北武漢人，副教授，碩士，研究方向為船舶與海洋工程； 葉中明(1990-)，男，湖北仙桃人，在讀碩士研究生，研究方向為推進(jìn)控制技術(shù)及應(yīng)用。

U672

10.13352/j.issn.1001-8328.2017.02.013

2016-10-12