基于灰色理论舰船汽轮机调速器综合评估

杨志勇，叶中明

(武汉理工大学 能源与动力工程学院，湖北 武汉 430063)

基于灰色理论舰船汽轮机调速器综合评估

杨志勇，叶中明

(武汉理工大学 能源与动力工程学院，湖北 武汉 430063)

文章基于集散控制系统的电液调速器能正确、快速、平稳地改变汽轮机转速，可以更好的满足调节精度和舰船自动化的要求，根据集散控制系统的电液调速器技术参数运用灰色理论和层次分析法构成相关数学模型，对集散控制系统的电液调速器的各种性能指标进行综合评估，并分析方案的可行性，为舰船汽轮机调速器的设计提供理论依据。

舰船汽轮机；调速器；灰色理论；评估；层次分析法

汽轮机作为主推进动力装置具有可靠性高、单机功率大、设计尺寸小、重量轻、维护方便、寿命长和具有良好的经济性等优点[1]。汽轮机是一种高速旋转的机械装置，在实际的航行过程中，汽轮机处于变工况下工作，其能否快速、正确、平稳的改变转速直接关系到舰船的安全航行。早期的汽轮机采用机械式调速器来改变转速；上世纪60年代，由于电液调节系统控制精度高，运行安全稳定，操作简单等优点，模拟电液调节系统和数字电液调节系统等调速系统应运而生，且在大功率汽轮机发电机组上使用。现代舰船动力汽轮机组的控制系统越来越复杂，随着微型计算机科学技术的发展，集散控制系统得到广泛发展[2]，由于集散控制系统可高效利用硬件功能、控制功能分级实现、可靠性高和局部的故障不会使整个系统瘫痪等特性，大大提高了舰船航行的可靠性。舰船动力调速器直接关系到舰船海上航行的安全，因此其稳定性、安全性、操纵性、环保性、经济性受到国防科工委和国际海事组织的广泛关注。但至今还没有专门的机构或组织采用专业的方法对舰船汽轮机调速器做出综合评估。本文利用层次分析法和灰色理论[3]，将基于集散控制系统的电液调速器的定性指标转换为定量指标进行综合评估。

基于集散控制系统的舰船汽轮机电液调速器在实际的设计与运用过程中，受到人为、设备和工作环境等因素的影响，存在太多的不确定性。无论哪种方法都有其优缺点。在对汽轮机调速器作综合评估时，一方面考虑到设计和使用过程中每个环节对调速器的影响，区分出每个因素的评价指标，确定合理的权重，设计研发人员可在设计初期明确设计重点；另一方面评价准则和每个影响因素都存在随机性，依据灰色评估法利用精确的数字手段处理模糊的评价对象，能对评估的对象所包含的灰色信息进行比较科学合理的量化评价，同时每个评估人员的侧重点和能力的不同，导致评估结果有一定的灰度。以上原因都会造成评估结果不准确，甚至评估失败。基于层次分析法的灰色综合评估能够更客观、更准确的对舰船汽轮机调速器做综合评估。

1 舰船汽轮机调速系统评估模型

调速系统直接关系到舰船航行的稳定性，甚至安全性，基于集散控制系统的舰船电液调速系统作为一种新的调速方式，更好的满足了舰船速度调节精度和自动化的要求。在舰船上的使用具有广阔的市场前景。根据汽轮机调速过程中的的主要指标，建立基于集散控制系统的舰船电液调速系统综合评估体系，包括：①可靠性指标，即舰船平稳安全航行的保障，系统采用集散控制系统作为运算和校正控制元件，具有更高的稳定性和快速性。②技术先进性指标，是相对机械调速系统、机械液压调速系统以及模拟电液和数字电液调节系统而言具有的优越性。目前，舰船汽轮机组容量大，调速控制过程复杂，磁电式电子元器件测量元件以及液压机构作为执行机构，灵敏度高(国际电工委员会的标准中规定电液调速系统的不灵敏度小于0.06%[2])。集散控制系统因控制功能分散、显示操作集中、兼顾分级协调管理等优点，汽轮机调速系统作为整体控制系统的一部分，更加有利于舰船自动化提高。③经济性指标，基于集散控制系统的电液调速系统在舰船汽轮机上使用前后所需要的总的费用，包括制造费用和维护保养费用，由于调速系统使用的是集散控制系统的控制器、比例伺服阀等元器件，其设计费用和制造费用较高，但可靠性高而维护费用低。舰船汽轮机调速系统影响因子层次结构如图1。

图1 汽轮机调速系统影响因子层次结构图

2 建立基于灰色理论舰船汽轮机调速器综合评估的数学模型

2.1 使用层次分析法得出指标因子的权重

利用层次分析的原理，在深入调查研究的基础上，分析调速系统的影响因子，确定影响因子的“父子”关系，搭建影响因子阶梯层次结构模型，最底层的影响因子为评估指标，把评估指标两两进行比较，得出判断矩阵A如式[4](1):

(1)

因为判断矩阵元素是参与评估的专家对影响因子的相对重要性的主观判断，通常引用相对标度对判断标准进行量化处理得出，标度含义如表1。

表1 标度含义

求出判断矩阵A的最大特征值λmax和特征向量ni(n1,n2,…nn)，同时对矩阵A进行一致性检验，其检验值CR如式(2)、(3)。

CR=CI/RI,

(2)

CI=(λmax-n)/(n-1),

(3)

式中：CI为判断矩阵偏离一致性指标度量值，n为判断矩阵的阶数，RI是大量判断矩阵随机试验统计得出的平均随机一致性指标值[5]，低阶RI如表2。

表2 低阶RI取值表

当CR<0.1时，说明矩阵A有良好的一致性，否则需要重新调整判断矩阵；最后得出指标因子的相对权重wi(w1,w2,…wn)[4，6]。

2.2 评估样本矩阵

(4)

2.3 确定评估灰类

评估灰类的确定，即是灰类评价等级G、灰色系数Xi和相应白化权函数fN(D)的确定，白化权函数一般有3种[4]。

2.4 计算灰色系数、模糊权矩阵

(5)

(6)

(7)

由灰色评估权重rn,k组建模糊权矩阵R。

2.5 计算模糊综合判定矩阵和评价结果

由总的相对权矩阵和模糊权矩阵运算，得出模糊综合判定矩阵，对准则层做综合评估，评估结果为：Z=Wi×R。由需求者和评估专家确定的评估灰类等级向量G(G1、G2···Gn)，求出综合评定结果V[7]，V=ZGT。

3 舰船汽轮机调速系统灰色综合评估

3.1 通过层次分析法判断评估指标权重

邀请使用者对舰船汽轮机目标层的指标因子特点，结合标度法则对指标因子进行重要性比较。构建的判断矩阵A如下：

特征值λmax=6.013 8，特征向量为nn=[0.804 8 0.445 0 0.255 9 0.255 9 0.115 0 0.100 6]，根据式(2)得：CR=0.002 7<0.1，说明基于集散控制系统的汽轮机电液调速系统的指标层构成的判断矩阵的一致性良好。归一化后的相对权重矩阵Wi=[0.399 0.226 0.127 0.127 0.057 0.049]。

3.2 确定评估样本矩阵

邀请3位舰船相关类专家对调速系统指标层进行打分，得到指标评估样本矩阵D。

3.3 确定调速系统评估灰类，计算灰色评估系数和评估权重矩阵

在对基于集散控制系统的汽轮机电液调速系统综合评估中，将评分等级分为优秀、良好、合格和差，组成评估等级向量G(9，7，5，2)，相对应的评估灰类N为4个，分别为1、2、3、4，其灰类和白化权函数见图2。

图2 4个灰类和白化权函数图

对于评估指标(稳定性)，其4个评估灰类系数分别为：

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。

对于评估指标(稳定性)总评估灰类系数X1=

2.722+1.833+0.167+0=4.722。

则评估指标(稳定性)对于4个评估灰类的评估权重分别为：

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

同理可得指标快速性、灵敏度、自动化性、制造费用和维护费用的评估权重分别为：

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。

由灰色评估权重rn，k组建模糊权矩阵R为:

3.4 评价结果

模糊综合评价矩阵：Z=[0.456 7 0.413 8 0.104 7 0]。

综合评价结果：V=7.532 2，评估结果表明，基于集散控制系统的电液调速系统的评估模型具有良好的综合性能，设计方案具有可行性。

4 结束语

针对基于集散控制系统的汽轮机电液调速系统的各指标特点，建立层次灰色模型，利于灰色理论客观、准确的对此模型进行评估，分析得出该模型具有良好的综合性能。评估方法也可以实现对舰船调速系统多方案之间进行选择，通过比较权重的综合评定结果，选择最优方案，为舰船调速系统的设计提供一定的理论和技术支持。但是基于灰色理论的预测评估方法对舰船调速系统的评估，也有一定的局限性和随机性，如构建样本矩阵的分数指标，以及专家对灰类的确定都有一定可变性。在实际中应及时发现和排除突发情况的影响，使评估模型与实际情况更加符合贴切。

[1] 方学智．船舶与海洋工程概论[M]．北京：清华大学出版社，2013．

[2] 郭钰锋，徐志强，于达仁．汽轮机调节原理[M]．北京：机械工业出版社，2010．

[3] 邓聚龙．灰色系统理论教程[M]．武汉：华中科技大学出版社，2002．

[4] 姜启源，谢金星，叶俊.数学模型(第四版)[M].北京：高等教育出版社，2011.

[5] 许树伯．使用决策方法—层次分析法[M]．天津：天津大学出版社，1988．

[6] 陈锦标，吴广宇，应士君.基于灰色模糊综合评估法的大型船舶模拟操纵评价[J].上海海事大学学报，2008，29(4):1-3.

[7] 徐维翔，张全寿．从定性到定量信息系统项目评价方法研究[J]．系统工程理论与实践，2001(3)：124-127．

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

杨志勇(1969-)，男，湖北武汉人，副教授，硕士，研究方向为船舶与海洋工程； 叶中明(1990-)，男，湖北仙桃人，在读硕士研究生，研究方向为推进控制技术及应用。

U672

10.13352/j.issn.1001-8328.2017.02.013

2016-10-12