課程(名稱.編號)簡索

領導藝術.綜合管理        人力資源.企業培訓        職務能力培訓系統班        銷售實戰.市場行銷        職場技能.個人成長        Office白領辦公達人        財經金融.投資理財        語言學習.出國留學        中國大陸證照培訓        資格考試.考証培訓        文化.生活.興趣.保健        生產管理.採購物流        移動開發        前端開發        後端開發        數據庫.服務器        網頁平面設計        雲計算.大數據        網絡營銷推廣        自然學科        工程技術學科

經濟管理學科

醫.藥.農.林學科

法律 學科

計算機工程學科

哲學.歷史學科

文學.藝術學科

教育社會學科

外語 學科

醫藥農林        哲學歷史        文學藝術        工程技術        基礎科學        經管法學

課程內容包含15個部分，即反饋控制系統的基本概念、調節器基本作用規律、傳感器和變送器、執行機構、船舶冷卻水溫度自動控制系統、燃油粘度自動控制系統、分油機自動控制系統、船用燃油輔鍋爐的自動控制系統、閥門遙控及液艙遙測系統、主機遙控系統基礎知識、船舶低速柴油主機氣動操縱系統、AC C20主機遙控系統、監視與報警系統概述和AUTOCHIEF-500監測報警系統、自動化電站。

Marine Engineering Automation is a major course which focuses on the basic control theory, components, structure, working principle, management points and fault analysis methods of typical automatic control systems.
The main content of this course consists of 15 parts, i.e. basic concepts of feedback control system, basic regulating rules, transducer and transmitter, actuators, temperature control in main engine high temperature freshwater cooling system, viscosity control of main engine fuel supply system, control system of oil purifier, control system of oil-type auxiliary boiler, valve remote control and level remote measuring system, basic concepts of main engine remote control system, pneumatic maneuvering system of main engine, AC-C20 main engine remote control system, outline of engine room monitoring and alarming system and AUTOCHIEF-500 monitoring and alarming system,automatic electrical power management system.

課程定位和目標

輪機自動化與控制是輪機工程學科的四個主要研究方向之一，長期以來為輪機學科的發展做了卓越的貢獻。輪機自動化網絡課程建設遵循高校人才培養規律，重點體現網絡教學的特點，適應學生自主學習的需要，強化學生自主學習能力的培養。該網絡課程建設與教研相結合，通過教學和科研活動，促進網絡課程建設，實現資源共享。通過輪機自動化網絡課程建設的開展和實施能夠對其他專業的分佈以及對教學工作起到一定的示範作用。

反饋控制系統的概念
反饋控制系統屬於人們通常所說的自動控制系統中的一個分支。所謂自動控制,是指在沒有人直接參與的情況下,利用外加的設備或裝置,使機器設備或生產過程的某個工作狀態或參數自動地按照預定的規律運行。這些外加的設備或裝置稱為自動控制裝置，它們和控制對像一起形成自動控制系統。例如，船舶機艙的輔鍋爐自動控制、分油機自動控制、起貨機自動控制和柴油主機遙控等都是自動控制技術在船上的典型應用。 反饋控制系統專門研究機器設備或生產過程的參數自動控制，其目標是把機器設備或生產過程各種運行參數，如溫度、壓力、液位、粘度和轉速等控制在所希望的最佳值上。在「自動控制原理」課程中，也習慣地將參數控制系統稱為過程控制系統或自動控制系統。 自動控制作為一門工程科學已廣泛地應用於工農業生產、交通運輸以及國防建設中，從簡單的家用電器到複雜的機器人，從船舶操縱到宇宙航行都離不開自動控制。特別是隨著計算機技術的迅猛發展，自動控制技術的應用已經非常普及。 隨著生產的發展，自動控制理論經歷了從經典控制理論到現代控制理論這兩個發展階段。根據自動控制技術發展的不同階段，自動控制理論一般可分為「經典控制理論」和「現代控制理論」兩大部分。 經典控制理論的內容主要以傳遞函數為基礎，研究單輸入、單輸出一類自動控制系統的分析和設計問題。由於發展較早，現已成熟。在工程上，相當成功地解決了大量實際問題，因此它是研究自動控制系統的重要理論基礎。 現代控制理論的內容主要以狀態空間法為基礎，研究多輸入、多輸出、定常數或變參數、線性或非線性一類自動控制系統的分析和設計問題。隨著現代科學技術的發展，還出現了最優控制、模糊控制、系統辯識、自適應控制等一些新的控制方式。因此它也是研究龐大的系統工程和模仿人類的智能控制等方面必不可少的理論基礎。 由於自動控制技術所涉及的內容相對廣泛，這裡主要介紹反饋控制系統的基本概念、組成環節、控制作用規律和機艙典型應用實例。


調節器基本作用規律
在反饋控制系統中，調節器是最重要的組成單元。當控制對像確定後，反映控制對像特性的各種參數也是既定的，因此調節器就對控制系統的動態過程品質起著決定性的影響。調節器的輸入是被控量的偏差值e(t),調節器的輸出是控制量p(t)，用於改變執行機構的位置（如調節閥的開度），最終作用於控制對象。 調節器的作用規律是指輸出量p(t)與輸入量e(t)之間的函數關係，即p(t)=f[e(t)] ,也就是說給調節器施加一個輸入信號後，其輸出量按何種方式進行變化。根據調節器輸出的變化方向，調節器有兩種類型，一是隨著測量值的增加，調節器的輸出也增加，稱為正作用式調節器；另一種是隨著測量值的增加，調節器的輸出減小，稱為反作用式調節器。 在船舶機艙中廣泛應用的調節器作用規律有：雙位作用規律、比例（P）作用規律、比例積分（PI）作用規律、比例微分（PD）作用規律、比例積分微分（PID）作用規律等五種。這些作用規律中，除了雙位作用規律之外，都還有作用強度的問題，例如比例係數的大小衡量著比例作用的強弱，積分時間的大小反映積分作用的強弱，微分時間的大小決定著微分作用的強弱。


傳感器與變送器
測量單元是反饋控制系統的重要組成部分，它對被控量的實際值進行測量，並輸出測量信號送至調節器和顯示儀表。測量單元通常由各種各樣的測量傳感器和信號變送器組成，傳感器的作用是將被測量的物理量變化轉化為位移變化、壓力變化或電阻、電容、電感和電壓等電參數的變化，而變送器則把這些變化進一步轉換為標準的氣信號或者電信號。在船舶機艙中，傳感器的類型多種多樣，其原理也各不相同，將在監視與報警系統中介紹，而變送器工作原理則是相同的，因此這裡只介紹變送器的工作原理。 傳感器由物理量敏感元件和相應的轉換電路組成，它將機艙中各種設備的運行狀態和物理量轉換成便於監視報警裝置進行輸入和處理的標準信號，是監視報警系統賴以工作的重要組成部分。按照不同的分類方法，傳感器的種類很多。這裡僅從傳感器的用途出發，介紹船舶機艙最常見的幾種傳感器及其信號轉換電路。


執行機構
在自動控制系統中，執行機構的輸入是調節器輸出的控制信號，執行機構的輸出直接改變流入控制對象的物質或能量的流量，用以克服擾動，消除偏差，使被控量恢復到給定值或給定值附近。執行機構按其所使用的能源形式可分為氣動、電動和液壓三大類。在船舶機艙中，液壓執行機構主要用於變距漿的槳葉角控制和柴油機油門拉桿的位置控制等，這裡只介紹比較通用的氣動和電動執行機構。


船舶冷卻水溫度自動控制系統
一般船舶冷卻系統用淡水強製冷卻受熱部統件，然後用海水強製冷卻淡水和其它載熱工質（如增壓空氣、滑油、製冷劑等）。在系統佈置上淡水冷卻屬閉式循環，海水冷卻屬開式，兩者組成的冷卻系統稱為閉式冷卻系統。該系統管路複雜，熱交換器眾多，機艙佈置困難，檢修不方便，近幾年新造的大型船舶已越來越少的採用這種冷卻系統。自上世紀70年代開始出現了一種新型的冷卻系統，即中央冷卻系統。這種冷卻系統的基本特點是由高溫淡水、低溫淡水、海水三個分系統組成：閉式的高溫淡水（約80C～85C）用於冷卻主柴油機、氣缸蓋、廢氣渦輪增壓器；低溫淡水（約30℃～45℃）用於冷卻高溫淡水、發電柴油機氣缸套、增壓空氣、活塞冷卻油、柴油機系統滑油、空氣壓縮機、船舶空調冷凝器、船舶伙食裝置冷凝器、蒸汽冷凝器；受熱後的低溫淡水在一個中央冷卻器中由開式的海水系統進行冷卻。因此，可保證只使用一個用海水作為冷卻液的冷卻器。 該系統較傳統的閉式冷卻系統有以下明顯優點：（1）海水管系及熱交換器少，減少海水腐蝕、機艙艙底水量和維修工作量；（2）高溫、低溫兩路淡水分別冷卻不同受熱部件，便於控制溫度，便於保持柴油機氣缸冷卻水溫度穩定，使柴油機保持最佳冷卻狀態運轉；（3）淡水系統管路清潔，腐蝕小，維修工作量小，工作可靠。 該系統也存在以下缺點：（1）附加管路阻力損失增加泵耗功，泵功率要求大；（2）仍存在海水管系和大功率主海水泵，初投資大，海水管路仍存在腐蝕，維修工作量較大，工作可靠性受到影響。在近代建造的現代化大型船舶中，大多採用中央冷卻系統，但在中、小型船舶中仍然有相當的一部份採用傳統的閉式冷卻系。因此，下面介紹這兩種冷卻系統的典型溫度自動控制系統的組成、工作原理、參數調整方法及管理要點。


燃油粘度自動控制系統
目前所有大型船舶柴油主機和部分發電用柴油輔機幾乎都燃用重油，目的是為了進一步降低營運成本，這種油在常溫下粘度很高，在管路中難以輸送，更不能直接噴入氣缸進行燃燒。所以必須預先加熱，使其粘度降低到規定的範圍內。表面上來看，粘度控制好像是一個溫度控制問題，這對某一固定品種的燃油來說是對的，因某一種燃油的粘度與溫度之間都有一一對應的關係。但是，對不同品種的燃油，在溫度相同的條件下，其粘度差異很大，如果對燃油採用溫度控制，為把燃油粘度控制在最佳噴射粘度上，對不同品種的燃油必須重新整定燃油溫度的給定值，其工作甚繁。特別是對不同品種燃油混合在一起（從世界各港口裝載燃油，油艙中的燃油常是不同品種的混合油），更難確定最佳噴射粘度所對應的溫度值。因此，在燃油進入高壓油泵以前，一般不採用溫度控制而是採用粘度控制。它以燃油粘度為被控量，根據燃油粘度的偏差值，控制加熱器蒸汽調節閥的開度，或電加熱器的接觸器，使燃油粘度保持恆定。 燃油粘度控制系統的類型與其它控制系統相比較為數並不多，目前在船上較為普遍採用的有NAKAKITA型和VAF型燃油粘度控制系統。進入20世紀90年代後，VISCOCHIEF型等用單片機組成的燃油粘度控制系統越來越多的應用在船上，它們對常規的燃油粘度控制系統有了較大的改進。由於篇幅有限，本章僅介紹NAKAKITA型和VISCOCHIEF型兩種燃油粘度控制系統。


分油機自動控制系統
分油機包括如下部件：分油機本體、輔助系統及控制單元。輔助系統主要包括供油及加熱控制單元。分油機的控制系統包括監控單元和各種傳感器，在監控單元上可以實現分油機運行的時序控制，報警和故障診斷，參數整定等功能。


船用燃油輔鍋爐的自動控制系統
鍋爐是船舶動力裝置最早實現自動控制的設備之一。它包括水位的自動控制，蒸汽壓力的自動控制，鍋爐點火及燃燒的時序控制和自動安全保護等。 在蒸汽動力裝置中，船用鍋爐稱為主鍋爐，它所產生的蒸汽用來驅動船舶主機，如汽輪機等，它的蒸發量較大，蒸汽壓力較高，對水位和蒸汽壓力要求比較嚴格。水位和蒸汽壓力不准許有較大的波動。對鍋爐一般都採用帶有積分作用的調節器所組成的定值控制系統加以控制。在內燃機動力裝置中所使用的鍋爐稱為輔鍋爐。其中，大型油船輔鍋爐所產生的蒸汽要加熱貨油；驅動貨油泵及其它甲板機械，其蒸發量和蒸汽壓力都比較大，它的工作特點接近主鍋爐。柴油機貨船輔鍋爐所產生的蒸汽僅用於加熱柴油機所需用的燃油、滑油及船員生活。它的蒸發量小（一般小於5t/h），蒸汽壓力低（一般低於1.0MPa），對水位和蒸汽壓力的波動要求不嚴格，一般採用雙位控制。 通過前面的介紹可以看出，柴油機貨船輔鍋爐和柴油機油船輔鍋爐的工作特點是很不相同的。本章將分別介紹柴油機貨船和柴油機油船輔鍋爐水位和蒸汽壓力的控制特點，中間還要介紹柴油機貨船輔鍋爐的燃燒時序控制系統。


閥門遙控及液艙遙測系統
根據國際規範的要求和船舶自動化程度的提高，伴隨先進自動化技術的船舶閥門遙控及液艙遙測系統已經在各類型新造船舶中得到廣泛應用。閥門遙控系統主要用於監控船舶壓載水系統、艙底水系統以及貨油裝卸系統等管路上的遙控閥門狀態，而液艙遙測系統則主要用於監測船舶各壓載艙、淡水艙液位以及船舶吃水狀態，對於新造液貨船舶，包括原油船、成品油船、化學品船等，為了達到密閉裝卸的要求，液艙遙測系統不僅需要監測液艙內的液位，還要隨時監測艙內的溫度、氣體壓力、液貨密度、重量等參數，以確保船舶裝卸與航行的安全和液貨質量。 閥門遙控系統的閥門驅動方式一般有電動、液壓、氣動三種。在機艙艙底、管隧等潮濕環境和油船上的危險區域，一般不採用電動方式。氣動裝置結構簡單、造價低，即使漏洩也不污染環境，可以利用船上壓縮空氣系統的氣源，比較適用於中小型船舶。但是由於氣源壓力有限，驅動器體積較大，氣動遙控閥工作時有衝擊性，難以保持中間開度，空氣中的水分會造成氣動元件銹蝕，根據船舶建造規範，油船油艙內不能使用氣動驅動器，因此，目前船舶閥門遙控系統主要採用液壓方式。 液艙遙測系統根據船舶液艙傳感器採集到的電信號，來滿足所有液艙參數的測量要求。目前用於液位測量的方法主要有壓力傳感器式和雷達式。為了減少安裝於液艙中傳感器的數量，可以根據需要選用集測量溫度、壓力以及液位等參數於一體的多功能傳感器構成完整的液艙遙測系統。


主機遙控系統基礎知識
目前，大型船舶的推進裝置主要有柴油機推進和電力推進兩類。採用柴油機推進時，直接驅動螺旋槳的柴油機稱為主柴油機。主柴油機一般可以在機旁、集控室和駕駛台三個操作部位進行操作和控制。當離開機旁，在集控室或駕駛台操作時，無法通過機旁操縱機構直接操縱主機，這就需要在操縱部位與主機之間設置一套能夠對其進行遠距離操縱的控制系統，稱為主機遙控系統。隨著柴油機製造技術的發展，近年來在船上已經開始採用無凸輪軸的電噴式柴油主機（也稱為智能柴油主機），其控制系統與常規的凸輪軸式柴油機有較大區別。本節主要針對傳統的凸輪軸式柴油機介紹主機遙控系統的基本概念，電噴式主機的控制系統參見其他章節。 對於大型低速柴油主機，主機遙控可分為自動遙控和手動遙控兩種方式。在駕駛台操作時通常採用自動遙控方式，此時，遙控系統能根據駕駛員發出的車令信號按照主機要求的操作步驟和要求自動地進行起動、停車、換向和加減速控制，直至主機運行狀態達到車令要求。而在集中控制室操作時，考慮到操縱主機的是輪機員，通常採用手動遙控方式。此時，輪機員根據駕駛台車令，按照操作步驟和要求通過主機氣動操縱系統對主機進行手動操作。有些遙控系統也可以提供集控室自動遙控功能，但為了降低造船成本，一般不予採用。 通過主機遙控系統應能對主機進行起動、停車、換向等邏輯控制和對主機的轉速進行閉環控制，同時還應該對主機的轉速和負荷進行必要的限制，並具有必要的安全保護功能。主機遙控系統不僅能改善輪機人員的工作條件，改善船舶的操縱性能，而且還能提高船舶航行的安全性，以及主機工作的可靠性和經濟性，是輪機自動化的重要組成部分，也是現代化船舶實現無人機艙必不可少的條件之一。


船舶柴油主機氣動操縱系統
主機氣動操縱系統是主機遙控系統的重要組成部分，主機的起動、換向和停車，甚至轉速設定信號的傳遞，最終都是依賴氣動操縱系統來完成的。主機氣動操縱系統都是由主機生產廠家隨主機配套提供的，因此對於不同的船舶主機，其氣動操縱系統不盡相同。


AUTOCHIEF-Ⅳ主機遙控系統
AUTOCHIEF-Ⅳ是為在駕駛台遙控低速二沖程柴油機而專門設計的自動遙控系統，目前廣泛應用於我國的遠洋船舶上。它的前代產品是由集成電路實現的，而AUTOCHIEF-Ⅳ是採用微機控制的遙控系統，具有功能豐富、維護方便和安全性強等特點。


機艙監視與報警系統概述
機艙監視與報警系統是輪機自動化的一個重要內容，它的功能是準確可靠地監測機艙內各種動力設備的運行狀態及其參數，一旦運行設備發生故障，自動發出聲、光報警信號。根據自動化程度的不同，有些系統還具有報警記錄打印，參數和狀態的定時或召喚打印以及參數的分組顯示等功能。


DATACHIEF-C20監視與報警系統
目前，船舶機艙監視與報警系統基本上都採用計算機實現。根據計算機監控系統的結構特點，船舶機艙監視報警系統可分集中型系統、集散型系統和全分佈式系統。集中型系統採用單台計算機的結構形式，可靠性較差，一旦計算機發生故障，則整個系統完全癱瘓。集散型系統採用集中和分散相結合的系統結構，將監視任務合理地分散成由多台微機進行分別監視的子系統，各個子系統與上層計算機進行通訊連接，以便集中管理和信息共享。進入20世紀90年代後，隨著現場總線技術的不斷完善，在新造船舶中，越來越多地採用現場總線作為各個子系統的內部控制網絡，上層網絡採用局域網，形成全分佈式的網絡型監控系統。本章以KONGSBERG公司的DataChief C20（簡稱DC C20）系統為例介紹網絡型監控系統的結構和功能特點。