0 引　言

船舶主机是船舶航行的核心动力源，其运行温度的稳定性直接关联动力性能、燃油经济性与设备使用寿命。主机关键部件需维持85～95℃的最优工作区间，温度过高会导致润滑油失效、部件热疲劳损伤，温度过低则造成燃烧不充分，使燃油消耗率上升3%～5%，同时增加非计划维修概率^[1]。船舶主机冷水温度控制系统作为核心温控单元，通过调节冷却水流速与换热效率，实现不同工况下主机温度的动态平衡，不仅保障主机自身稳定运行，还协同涡轮增压、燃油喷射等辅助系统提升整体动力链效率，是船舶安全航行与低成本运营的重要保障。

海洋航行环境的复杂性为控制系统带来多重严苛挑战。外部环境温度跨度从极地−2℃到热带35℃以上，导致换热负荷剧烈波动；盐雾、电磁干扰易造成传感器漂移、信号传输失真；主机启停切换、风浪中负载突变等工况，会使冷却需求在秒级内急剧变化，叠加设备老化、管路结垢引发的参数漂移，传统控制系统难以兼顾响应速度与鲁棒性。而LABVIEW作为图形化编程平台，可无缝对接NIcRIO控制器、DAQmx数据采集卡等硬件，支持多工业通信协议，且内置信号处理与仿真工具箱，能快速实现算法部署、数据可视化与抗干扰处理，为复杂环境下的精准温控提供了适配性技术支撑。

国内外相关研究已取得一定进展，船舶主机温度控制从传统PID控制逐步向模糊PID、神经网络等智能算法演进，虽提升了部分动态性能，但仍存在非线性适配不足、多源干扰抑制能力薄弱等问题^[2]；LABVIEW在船舶领域多应用于数据采集、运行监控，少数研究涉及算法实现，但缺乏建模算法和硬件的一体化设计，未能充分发挥其硬件兼容性与快速集成优势^{[3 - 4]}。现有方案难以满足海洋复杂环境下的高精度、高可靠性控制需求，因此，基于LABVIEW开发兼具强鲁棒性与自适应能力的船舶主机冷水温度控制系统，通过一体化设计解决非线性适配、抗干扰与智能化不足等问题，对提升船舶动力系统稳定性与运营经济性具有重要实用价值。

1 船舶主机冷水系统特性分析与数学建模

船舶主机冷水系统主要由冷却水泵、板式换热器、PT100温度传感器、电动调节阀及膨胀水箱构成，通过冷水循环吸收主机缸套热量，经换热器与海水换热降温，再通过调节阀门开度与水泵转速匹配冷却需求，实现主机温度动态控制。该系统存在显著非线性与干扰特性：换热器传热系数和温度差变化、水泵流量、压力及阀门流量呈非线性关系，主机负荷波动与海洋环境温度变化导致系统参数时变，同时面临外部环境温度冲击、电磁干扰、设备老化及测量噪声等多源干扰，增加了精准控制难度^[5]。

1.1 基于机理分析的数学建模

以换热器传热过程与冷水循环动力学为核心，建立系统机理模型。

传热速率方程根据牛顿冷却定律，主机缸套向冷却水的传热速率为：

$ Q=KA\Delta {T}_{m} 。$

(1)

式中：Q为传热功率；K为换热器总传热系数；A为传热面积；$ \Delta {T}_{m} $为对数平均温差。

冷却水能量平衡方程忽略系统散热损失，冷却水在循环过程中的能量平衡关系为：

$ \rho {c}_{p}V\frac{{\rm{d}}{T}_{h2}}{{\rm{d}}t}=Q-\rho {c}_{p}{q}_{v}({T}_{h2}-{T}_{h1}) 。$

(2)

式中：ρ为冷却水密度；c_p为冷却水定压比热容；V为系统冷却水管路容积；q_v为冷却水泵体积流量；T_h1、T_h2分别为主机缸套冷却水进出口温度；$ {{\rm{d}}{T}_{h2}}/{{\rm{d}}t} $为冷却水出口温度变化率。

阀门流量方程电动调节阀的流量特性满足非线性关系：

$ {q}_{v}={K}_{v}f(\mu )\sqrt{\frac{\Delta P}{\rho }} 。$

(3)

式中：K_v为阀门流量系数；$ \mu $为阀门开度（0～1）；$ f(\mu ) $为阀门流量特性函数。

联立上述方程，消去中间变量Q和q_v，以阀门开度$ \mu $输入、冷却水出口温度T_h2为输出，整理得到系统非线性微分方程：

$ \frac{{\rm{d}}{T}_{h2}}{{\rm{d}}t}=\frac{KA\Delta {T}_{m}}{\rho {c}_{p}V}-\frac{{K}_{v}f(\mu )\sqrt{\frac{\Delta P}{\rho }}}{\rho {c}_{p}V}({T}_{h2}-{T}_{h1}) 。$

(4)

该线性化处理的合理性主要体现在两方面。一是慢时变与恒定参数特性使系统非线性项在短时间尺度内变化平缓，满足“小扰动”假设，通过泰勒展开将非线性方程在系统稳态工作点附近展开后，高阶小项对模型精度的影响可忽略；二是工程实践中主机常运行于稳定负荷区间，如船舶巡航、作业等典型工况，T_h1波动幅度极小（通常≤±1℃），非线性项的线性近似误差控制在5%以内，符合工业建模精度要求。

由于海洋环境中海水温度T_c1缓慢变化，可视为慢时变参数；主机负荷稳定时缸套进口温度T_h1近似恒定，对模型进行局部线性化处理，令$ a=\displaystyle\frac{KA\Delta {T}_{m}}{\rho {c}_{p}V} $、$ b=\displaystyle\frac{{K}_{v}f(\mu )\sqrt{\displaystyle\frac{\Delta P}{\rho }}}{\rho {c}_{p}V} $，则模型简化为：

$ \frac{{\rm{d}}{T}_{h2}}{{\rm{d}}t}=a-b({T}_{h2}-{T}_{h1})。$

(5)

1.2 系统辨识实验与模型优化

为了实现模型的优化，设计阶跃响应与工况突变实验获取系统输入输出数据。

1）阶跃响应实验。固定主机负荷与海水温度，将阀门开度从30%阶跃至70%，采样频率10 Hz，记录冷却水出口温度T_h2动态响应；

2）工况突变实验。模拟主机负荷从50%突增至100%，记录温度传感器与流量传感器的同步数据，时长120 s。

采用线性ARX模型拟合系统动态特性，模型结构为^[6]：

$ A({z}^{-1})y(t)=B({z}^{-1})u(t)+e(t) 。$

(6)

式中：y(t)为输出变量；u(t)为输入变量；e(t)为白噪声扰动；$ A({z}^{-1})=1+{a}_{1}{z}^{-1}+\ldots +{a}_{n}{z}^{-n} $、$ B({z}^{-1})= {b}_{1}{z}^{-1}+\ldots + {b}_{m}{z}^{-m} $为滞后算子多项式，n、m分别为模型自回归阶次与输入阶次。

通过AIC准则确定模型阶次n=2、m=1，利用最小二乘法估计参数，得到最终离散化模型：

$y\left( t \right) = 1.82y\left( {t - 1} \right) - 0.76y\left( {t - 2} \right) + 0.31u\left( {t - 1} \right) + e\left( t \right) 。$

(7)

1.3 改进型温度控制算法设计

传统PID控制基于线性系统假设，在船舶主机冷水系统的非线性、时变特性下，参数整定后难以自适应工况波动与环境干扰，易出现超调量大、鲁棒性不足的缺陷。针对船舶冷水系统的非线性、时变及多干扰特性，引入模糊逻辑对PID参数进行在线自适应调整，使控制器能根据温度偏差e与偏差变化率e_c的实时变化，动态优化控制参数，提升系统的自适应能力与抗干扰性能。

1）模糊化处理

定义输入变量（温度偏差e、偏差变化率e_c）与输出变量（$ \Delta {K}_{p} $、$ \Delta {K}_{i} $$ \Delta {K}_{d} $）的模糊论域与模糊子集。以e为例，论域设为[−6, 6]，模糊子集为{NB, NM, NS, ZO, PS, PM, PB}（负大、负中、负小、零、正小、正中、正大），采用三角形隶属度函数实现模糊化。

2）模糊规则设计

基于船舶系统控制经验，设计多组模糊规则，如表1所示，遵循“偏差主导、变化率协同”的设计逻辑，其中“偏差（e）主导”体现为控制输出主要由冷却水出口温度与设定值的偏差等级决定，“偏差变化率（ec）协同”体现为在相同偏差等级下，通过偏差变化趋势（如偏差增大或减小）微调控制输出，以避免超调或响应滞后。具体而言，e代表冷却水出口温度偏差（负偏差NB表示温度远低于设定值，正偏差PB表示温度远高于设定值），e_c代表偏差变化率（NB表示偏差快速增大，PB表示偏差快速减小）；当e为极端等级（NB/PB）时，无论e_c如何，均优先采用最大幅度调整（PB/NB）以快速纠偏，凸显偏差主导性；当e为中等/轻微等级（NM/NS/PS/PM）时，控制输出会结合e_c动态调整，如e=NS（小负偏差）且e_c=NB（偏差快速增大）时输出PM（中幅正调），而e=NS且e_c=PB（偏差快速减小）时输出ZO（无调整），体现变化率的协同修正作用。

根据船舶主机冷水系统的非线性与变工况特性，偏差较大（NB/PB）时采用显著调整（PB/NB）以快速抑制偏差，偏差较小时（NS/PS）采用微调（PS/NS），稳态时（ZO）保持参数不变（ZO），在保证控制精度与鲁棒性的前提下，简化了工程实现流程，适配LABVIEW平台的编程特性与船舶现场应用需求。

2 基于LABVIEW的软件系统开发 2.1 系统模块设计

基于LABVIEW的船舶主机冷水温度控制系统采用闭环控制架构，系统整体由数据采集模块、模糊PID控制模块、人机交互模块、数据存储与分析模块四部分组成，各模块通过LABVIEW的模块化编程实现数据存储与分析模块无缝集成，其结构如图1所示。

1）数据采集模块

作为系统的感知层，负责实时获取冷水系统的关键状态数据。通过LABVIEW的DAQmx模块与硬件接口NI 9213数据采集卡通信，采集Pt100温度传感器输出的冷却水温度信号，同时采集电动调节阀开度、冷却水泵转速等反馈信号。采集过程中，通过内置的数字滤波算法去除测量噪声，并对信号进行标度变换，最终输出精准的实时温度值，为后续控制计算提供数据支撑。

2）模糊PID控制模块

作为系统的“控制核心”，实现温度的自适应精准调节。该模块以LABVIEW的Fuzzy Logic Toolkit为基础，具体流程如图2所示。通过计算偏差以及模糊化处理，将得到的比例增益修正量与初始PID参数中的比例增益进行叠加，生成实时的比例增益参数；结合积分增益和微分增益，通过 PID 控制算法计算出控制量，包括电动调节阀的开度百分比以及冷却水泵的转速指令，经D/A转换后发送至执行机构，实现对冷水系统的温度调节。

3）人机交互模块

人机交互模块通过LABVIEW可视化编程提供直观的操作与状态监控功能。实时监控界面借助波形图表动态呈现冷却水温度、设定值及控制量的变化曲线，通过数值显示控件实时反馈当前温度、PID参数、阀门开度等关键数据，参数设置界面配备交互控件，支持用户在线修改模糊规则库、PID初始参数、采样频率等核心配置，修改后的数据自动存储至系统配置文件，可在下次启动时直接调用；报警界面集成报警控件，当温度超出预设阈值时，立即触发声光报警机制，并同步显示故障类型及对应处理建议，有效提升系统运行的安全性与可维护性。

4）数据存储与分析模块

通过LABVIEW的Database Connectivity Toolkit 与SQLite数据库建立稳定连接，将实时温度、PID控制参数、控制量、报警信息等数据按时间戳精准存储至数据库表中。同时设计专业化历史数据查询界面，支持用户按时间范围、参数类型进行数据检索，结合 LABVIEW的报表生成功能，可将检索结果导出为趋势报表或统计分析图表，为系统控制精度、抗干扰能力等性能指标的评估与后续优化提供坚实的数据支撑

2.2 系统测试

为了验证系统性能，搭建系统测试平台，包括仿真与实物测试平台。

仿真测试采用Matlab/Simulink-LABVIEW 联合环境，Simulink搭建冷水系统动力学模型，LABVIEW实现模糊PID控制算法，通过TCP/IP协议实现数据交互，协同验证算法性能；

实物测试平台以缩尺冷水循环系统为核心，包含冷却水泵、板式换热器、电动调节阀，搭配主机模拟负载与环境模拟装置。主机模拟负载采用电加热方式模拟主机放热，环境模拟装置通过温控箱模拟海洋温度波动，全面还原实际航行工况。测试仪器选用精度±0.1℃的高精度温度计、用于采集信号波形的示波器及存储实时数据的数据记录仪，确保测试数据的准确性与可靠性。

1）静态测试

设置95℃和90℃两个静态目标温度，仿真结果如图3所示，系统首先控制温度到95℃，然后稳定一段时间后控制温度到90℃，通过观察曲线可知，表明系统具有极高的静态控制精度，能稳定维持主机冷却水在设定的最佳工作温度。

2）动态测试

动态测试包括了阶跃响应测试以及斜坡响应测试。阶跃响应测试结果如图4所示，系统能快速将水温从100℃降至85℃，下降迅速且无明显超调，调节时间短。这主要得益于模糊PID控制器的参数自适应机制：当阶跃扰动导致温度偏差e较大时，控制器通过模糊化处理将e映射为“正大（PB）”模糊量，调用模糊规则表中对应的规则，输出显著增大的比例增益修正量，使比例增益快速提升，增强控制作用强度，从而实现快速降温，同时，规则中匹配的微分增益修正量微调，有效抑制了降温过程中的超调趋势，最终展现出较好的快速响应能力和稳定性。

斜坡响应测试结果如图5所示，系统将温度从100℃控制到85℃，系统能精确跟踪预设的降温速率，实际温度与设定斜坡曲线的偏差极小。这是因为在斜坡工况下，温度偏差e和偏差变化率e_c均呈平缓变化趋势，模糊PID控制器依据规则表中“小偏差、小变化率”对应的策略，输出零（ZO）或微调（PS/NS）级别的参数修正量，避免了参数的剧烈波动导致的跟踪偏差，确保了控制量输出的平滑性，使系统对连续变化的工况具有优秀的跟随性能。

3 结　语

船舶主机冷水系统的稳定运行是保障主机功率输出与航行安全的核心，开展其精准控制技术研究对提升船舶动力系统可靠性与经济性具有重要意义，研究成果可广泛应用于各类商船、渔船及工程船舶的主机冷却系统升级改造与新船控制系统设计中。

1）针对船舶主机冷水系统的非线性与多干扰特性，采用机理分析与系统辨识相结合的方法构建数学模型，有效提升了模型对实际系统动态特性的表征精度，为控制算法设计提供了可靠基础。

2）设计的模糊PID控制算法通过动态优化控制参数，解决了传统PID在系统时变工况下鲁棒性不足的问题，结合LABVIEW开发的软件系统实现了控制功能的模块化与可视化，提升了系统的工程实用性。

3）仿真与实物测试验证表明，所设计的控制系统在静态精度、动态响应及抗干扰能力上均表现优异，能够满足船舶主机冷水温度的精准控制需求，为船舶动力系统冷却控制提供了有效技术方案。