船舶环境舒适度的好坏如何评价(方法).docx

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1、针对传统船舶有线的通信方式需铺设大量的电缆,抗干扰性差、维修难度大,以及舒适度评价系统需要广泛采集全船舱室温湿度的问题，选用传输距离远、抗干扰性强的1.oRa技术搭建船舶舱室的环境数据无线感知系统。以各他室为数据采集节点，运用传感器采集相关环境参数，根据他室类型设出若干独立网关，采用1.oRa技术将节点数据无线发送至相应网关，进而利用WiFi将各网关收集的数据发送至上层控制系统，最终在环境舒适度评价模型中进行预计平均热感觉指标的计算与评价。目前，国内外对船舶能室微气候环境的研究处F起步阶段，如：有学者通过对实船热环境的系统研究和船员对热环境的评价及满意度调隹，针对不同情况提出预计平均热感觉指标

2、(PrediCtCdmCanVogPMV)的修正方程；有学者计算不同环境条件下的PMV-预测不满意百分比(PrediCtedPerCemageOfdiSSatiSfied.PPD)值及系统热负荷，分析了船舶他空湿湿度对其热舒适性和能耗的影响：有学者采用振动加速度指标，针对船舶震动、噪声舒适度提出基于烦恼模型的评价方法。适元的舱室环境可以提高船员的工作效率，也能够为乘客提供更舒适的乘坐体验。与陆地环境不同,船舶由于空间限制，舱室内往往紧密布置大量设备.通风不畅，冷热变化迅速“船的舱室的热环境受多方面因素的影响，包括船舶内外的温湿度、压力、风速、振动、噪声等。传统船舶舱室的环境数据传输主要通过现场

3、总线、船舶电力线载波技术等有线传输方式。由于采集结构比杂、布线困难，该方式采集数据的可花性、抗干扰性差，工作人员主要依据历史数据评价他室微气候环境的舒适度。此外,有线数据传输方式也存在造价富、施工难度大、维修难度大等间网。而利用无线数据传输技术，将信息传感设备实时采集到的船舶环境数据发送至服务蹲中进行环境舒适度评价，可以形成个高效的网络，极大地节省人力物力成本，方便管理和控制。针对上述问题，东南大学等单位的研究人员提出基于1.oRa技术的船舶环境舒适度评价系统，设置终端节点实时监测舱室环境参数，从而及时反馈舒适度信息。随着无线数据传输方式的快速发展，无线传输与船舶通信系统结合使得船展环境数据传

4、辘系统无线化,智能化，建立实时变化的舒适度评价系统已成为必然趋势。1环境舒适度评价系统环境舒适度评价系统将有助于构建船舶舱室良好的微气候环境，为船员、旅客提供舒适的工作与生活环境“人体在皮肤平均温度和最佳排汗率都满足舒适度要求时处于热舒适的状态。在已知环境温度的情况下，可以根据戈夫-格雷奇公式计算饱和水蒸气分压力。PMV是由人体所做的机械功、人体能量代谢率、服装热阻、环境温度、平均辐射温度、风速、水蒸气分压力这7个参数计算而来的。其中，人体所做的机械功、人体能做代谢率和服装热阻需要根据舱室的功能以及人员在舱室内的生活状态来确定；环境温度、平均辐射温度和风速可由每个舱室的终端节点采集；水蒸气分质

5、力则要根据相对湿度和环境温度进行计算。最后得出的PMV值根据表I判断“nr(,i3210-I-3热感觉执暖和稍暖和舒适梢凉快凉快冷表IPMV七点式生理感觉标尺研究人员基于船舶的每个舱室构建终端节点，如图1所示，传感冷测量环境温度、相对湿度、平均粕射温度和风速，利用1.ORa技术将终端节点测量到的环境数据无线传输给网关，网关打包接收到的环境数据并发送到上展控制系统，从而构建全船无线数据传输系统,顶层控制系统对接收到的环境数据进行计算分析和环境舒适度评价。顶层控制系统图1基于1.oRa技术的船舶环境舒适度评价系统2船舶舱室节点数据采桀为实时计算船舶各能室的PMVtfi,需要终端节点测量环境温度、相

6、对湿度、平均辐射温度和风速4个参数。环境温度较高时，人体会感到燥热和出汗：环境温度较低时,人体会感到寒冷。依据国家标准GB/TI340992,选择船舶起居处设计湿度为24-C,可根据季节、气象条件和地区差异与变化作3%的调整。相对湿度是水蒸气分压力与同一温度卜饱和水蒸气分压力的比值，相对湿度过低时，人体表而皮肤容易干燥皱裂：相对湿度较高时,人体表而的汗液不容易挥发，会造成闷热感和不适感,因此，相对湿度设置为50%,可根据季节、气象条件和地区差异与变化作5%的调整，此时人体舒适感较好。船舶各舱室终端节点的温湿度传感器选用DHT1.1.温湿度一体化模块，其由1个电H1.式测温元件和1个负温度系数(

7、negativetemperaturecoefficient.NTC)测祝元件组成，精度湿度5%RH.温度2C,址程湿度20%90%RH,温度Oc50,C,可以满足船舶环境的温湿度测取要求。DHT1.1.与ARM的电气连接如图2所示，由于在终端节点中两者之间的距离小于20m,数据连接线上使用上拉电阻，其作用是传感器待机时保持DATA口为高电平。VCCARMDATAGND5kVCCDATADHT1.1.GND图2DHTI1与ARM的电气连接DATA口处理ARM和DHT1.1.之间的通信和同步，采用单总线、双向传输的通信方式，每次通信约需要4ms,其数据格式见表2.校验和在数据传输正确时，为前四者

8、之和的末8位，校验正确后DHTI1.符数据发出。数据类型湿度抠数数据湿度小数数据温度竣数数据温度小数数据校验和数据大小bit88888表2DHT11数据传输格式平均辐射湿度是指船的他室内部各表面对人体有热辐射作用的平均温度，各表面的温度和人与表面间的相对位置关系影响人体和各表面的辐射热交换，实际船舶舱室内各衣面温度并不相同，可以采用黑球温度计测量平均辐射温度。风速是指空气流动的速度，影响室内空气的更新速度和人体的对流换热。对于船舶长期封闭的他空环境来说，室内空气流通可以及时带走机湍运转产生的空气污染物和船员排出的二氧化碳，有利于构建更适宜的舱室环境。由于本文主要研尢的是船舶舱室内部的热舒适环境

9、，舱室内风速取O1.ms3数据无线传输系统3. I1.oRa技术1.oRa技术是美国Scmrtcch企业研发的物理层技术，其窄带扩频技术提升了抗干扰能力。作为目前主流的几种无线数据传输方式之一，1.ORa技术具有功耗低、成本低、置盖通用广、抗干扰能力强等优点，适用于传输距离较长且传输数据量较小的工作环境.1.ORa模块可快速布设于船舶中，从而完善船舶的通信系统，甚至在船舶本身的通信系统故障时快速接入完成通信功能。在运营商信号较弱的码头、海上等场景，1.oRa技术优势明显，可以为船舶提供优侦的网络服务，I1.投入成本较低、布设和维修难度较低,功耗较小，可在新旧船舶中广泛应用.大多数的网络采用网状

10、拓扑，其优点是网络规模扩张快，但其节点之间转发消息迂回滞后，系统架构更杂，功耗也较大。1.oRa技术采用星状拓朴，网关星状连接终端节点，但终端节点并不绑定惟一网关，终端节点的上行数据可发送给多个网关，因此减少了信息传递的迂回通道，可以提信息传辘的效率.因此，研究人员基于1.oRa技术构建无线传感网络，采集船舶船室的环境参数。选用型号为ATK-1.ORA-O1.的1.ORa模块，其工作频率为410441MHz,步进信道为IMHz,共32个信道，发送AT指令即可配置串口速率、发射功率、空中速率、工作模式等模块参数.1.oRa模块与ARM的电气连接如图3所示。GPIHMDOJ1VIV1.UzVGPI

11、O/IND4AUXTXDRXDARMAIk-1.ORA-OIRXDM495I21ISMWSHiH0M*Hs0JH1.tBf1.IM；，分别M人的修K1与女化学；MM和M,分力比例HA.也分II1.tA分Qtt,tmzttAUK”U1.inA,.AIA,:.*M.K三*.*M,I凡M.式中:A.A.8A.型传统的FWIfCk.可以通过女乂qt倍力也佚4：u.a*J.IhBd1.*M1.1.1.ttMBMV值的控）费率不高.011A过反试总裁办.稣后透过rii敢虐H一H育事蜕的信nft.1.2船舶空谢温度控制系统模型船船能室的热舒适调节系统其实是一种热力学系统.用参数模型对船舶空调温度控制系统进行

12、简化分析，建立船舶空谓热舒适控制系统的数学模型。由于船舶空调热舒适控制系统是基于空气传递热能的热力学系统，假设船舶舱室温度均匀分布且与室外环境无热量交换，则认为其是个绝热系统。假设船舶空调是采用变频调节压缩机的方式进行舱至温度调节的，室外湿度保持恒定。为计算方便时船舶空调温度控制系统做如下假设:在不同频率运转条件下制冷压缩机的制冷系数（COCffiCiCntOfPCMormance,CoP）不变，制冷系统冷负荷负载不变，热交换系数不变。根据以上假设.针对船舶实际情况，对PMv-Ppixprcdictcdperccntagcdissatisficd，预测不满意百分比）模型中的服装热阻值和人体新陈

13、代谢量进行修正，得到更加适用于船舶舱室热舒适评价的指标PMV*,并计算得到船舶空调温度控制系统的传递函数为根据船舶舱室热舒适条件卜.被控参数的选并研究，忽略影响船舶舱室热舒适评价指标PMV*的因素中与人体相关的因素（如服装热附和人体新陈代谢）和与环境相关的不可控因素（如平均辐射温度）,剩余的可控因素按影响大小排序:空气温度、空气流速、空气相对湿度。海面上空气的相对湿度大、环境史杂多变，要精确控制比较困难，对比基于MAT1.AB的仿真结果，相对湿度在温度较高时影响较大，因此将相对湿度控制在满足人体舒适耍求的范围内（如30%60%,可根据不同的航行区域进行选择）.由于船舶在海上航行时环境气候不断变

14、化，而能室内空气流动受外界影响较大，难以准确测量和控制风速（低风速对舒适度的影响较低），此外，船舶多采用定风任控制，若改造成变风量控制则会增加成本，因此选择恒定风速02ms0对于船船舱室的舒适度控制，将其转化为对舱空空气温度的控制，间接实现船舶舱室的热舒适控制。2、模糊P1.D控制潺的设计本文设计种通过模糊控制方法实时调节P1.D控制参数的自适应控制系统。设定好船舶空调P1.D控制系统的控制参数Kp（）、Kio和KdO,再根据模糊控制得到PID控制参数的修正值AKp、AKi和Kd,两者相加算出最终的PID控制卷数Kp、Ki和Kdo根据船舶空调舒适度控制的原理，采用PMV*神经网络预测方法输出的

15、温度值与空气湿度实际值的偏差e和偏差变化率ec作为模糊推理的两个输入量，经过模糊规则推理输出P1.D控制参数变化HAKp、Ki和AKd,得到一个结构为2输入3输出的模树推理系统。利用MAT1.ABTooIbox中Fuzzy1.ogic构建模糊控制器系统文件，其中，选取输入变量偏差e的基本论域为-6,6,偏差变化率ec的基本论域为-0.3,0.3,设置模糊控制器的输入变量偏差e和偏差变化率CC的模糊论域为-3,3,则址化因子kcW3=2,kcc=30.3=10三为使仿其过程更加清晰，将模糊控制器的输出（AKp、Ki和AKd）的模糊论域设置为3,30AKP的基本论域为-0.3.0.3,则量化因子k

16、p=O3/3=0.1;AKi的基本论域为-0.06.0.06,则fit化因子ki=O.06/3=0.02;AKd的基本论域为-3,31则量化因子kd=33=1.循舶空调模糊P1.D控制系统的论域转化见表表I论域转化表r必，K4展本论域I-6.61I-0.3.0.31I-0.3.0.31I-0.06.0.061I-3.31蟆网论域1-3.31I-3.31I-3.311-3.31I-3.31量化因子2IO0.I0.021根据以上所设的模糊论域，采用NB,NM.NS,ZO.PS,PM,PB语言变量集表示模糊控制输入和输出的模糊集，这7个语言变量分别对应于负大、负中、负小、零、正小、正中和正大。模糊控

17、制的隶属函数通常有三角形、梯形、高斯型和正态分布型等，股根据专家或操作人员的经验进行选择。考虑到三角形隶属函数运算简单，计算量小，控制效果较好，在船舶空调系统中易卜硬件实现，故采用三角形隶属函数。在制定模糊控制规则前，必须先了解P1.D控制参数Kp、Ki和Kd对系统偏差e和偏差变化率ec的影响，比例系数Kp影响系统响应速度，增加比例系数可以减少系统的净态误差，但如果KP过大，控制系统会振荡，影响控制效果.积分系数Ki也大，消除系统的静态误差就越快，但是当积分系数过大时系统的程定性会降低。微分系数Kd可以减少超调量并减少调节时间，但微分系数过大，反而会增加系统的调节.时间导致系统抗干扰能力下降。

18、根据上述PID控制参数对系统控制效果的影响，可以得到控制参数Kp、Ki和Kd的自整定原理：(1)若系统实际输出值与设定值之间的偏差c较大，则需采用较大的比例系数Kp提升系统响应速度，同时为避免积分饱和，应采用较小微分系数Kd限制积分作用。(2)当系统偏差e和偏差变化率ec中等时，比例系数Kp、积分系数Ki应取较小的适中值，以减小超调量。此时，微分系数Kd对系统的响应速度影响较大,应取适当的值。(3)当系统偏差e较小时，系统稳定性差，比例系数KP和积分系数Ki应适当增大，而微分系数Kd应取适当的值，提高抗干扰能力，避免系统在设定值附近振荡。根据各参数的自整定原理，得出zMP,AKi和AKd的模糊

19、控制规则表,见表24。表2K,懵翔控制娓则确定了系统输入和输出后，根据模糊控制规则表，在模糊规则编辑器中输入表24中的模糊控制规则，构造一个2输入3输出的模糊系统。3、船舶空调热舒适控制系统仿真采用MAT1.AB中的Simu1.ink工具箱对船舶空调热舒适控制系统进行仿真比较，分别模拟传统P1.D控制、模糊控制和模糊P1.D控制的控制效果。由于船舶空调控制系统非常发杂，难以抽象出具体的模型。仿真只是为了研究该理论的可行性，因此选择式(2)为仿真模型,选择阶跃信号作为初始绐定值进行对比测试,传统PID控制参数是通过经验方法得到的，经过多次测试，当在本案例中设置KP=0.37、Ki=O.023和K

20、d=1.5时，传统P1.D控制具有良好的响应曲线。采用模糊控制的方法对系统进行仿真，得到模糊P1.D控制的仿真框图，见图2。Step1.SteP2图2模糊P1.1.)控制仿真框图根据仿或框图设计模糊P1.D控制模块，见图3,图2模糊P1.D控制仿其框图图2中:S1.CP衣示阶跃信号:Add表示加法运算:fuzzyPID为模糊PID控制器;1.n和OUt分中表示输入端1.1.和输出端口:TranSferFCn表示传递函数模型JransponDeIay表示信号按给定进行延时处理;SCope为示波器“MI-IDKM4%图3中:FUzZy1.OgiCContrOner表示模糊逻辑控制SkConsian

21、t表示输入的3个控制法参数常数信号:Gain表示3个控制器参数分别做比例运算,经过多次测试得出，控制参数修正值AKp、AKi、AKd分别为0.0080.(XK)5和0.O1.时系统最优。4、三种控制方案的仿真结果和分析传统的P1.D控制、模糊控制和模糊PID控制的仿真是利用M2.1.AB提供的Simu1.ink工具箱完成的I,在仿真中，设置阶跃信号目标温度为26C作为系统的输入，设置仿真时间为100Os，并且控制参数的初始值是相同的.仿其结果见图时间/图4控制效果比较时比输出结果（见图4）可知:在PID控制中，系统的超调地为40.38%,系统稳定时间为650s：在模糊控制中，模糊控制可以消除超

22、调量，系统稳定时间为400s,但系统的稳态误差值过大，没法达到设定的参数（模糊控制的稳态值为26.2C,与设定的26C有0.2C的稳态误差）;在模糊PID控制中，其温度上升时间比PID控制的短，在150s时到达峰值，系统的超调量为38%,相较PID控制降低了2.3%,系统稳定时间为400s,比PID控制缩短了38.4%,充分显示了模糊PID控制的优越性（能够吸收PID控制和模糊控制的优点,提高控制效果）。为进一步比较系统的动态能力，同时在系统稳定后200（K增加IC的阶跃信号，改变温度后的仿我结果见图5。PID4tD模拗拄制-模糊PID控制O100O20（）03（XM）40时间/3图5温度调整

23、效果比较从图5可以看出:当控制系统温度动态变化时，模糊PID控制较好地抑制了干扰，振幅比PID控制的低，模糊PID控制重新达到稳定的时间为100s,PID控制则为200s,表明模糊PID控制的动态调控能力更强;相较而言，模糊控制依然有较大的稳态误差，这是因为模糊控制属r有差控图5温度调整效果比较制,程定的温度值与设定值之间会存在一定的误差，而模糊PID控制和P1.D控制均引入了积分控制，能提高桎态精度，因此从抗干扰方面可以看出模糊PID控制的效果优于模格控制和传统的P1.D控制的效果。对照文献吕红丽.Mamdani模糊控制系统的结构分析理论研究及其在暖通空调中的应用).济南:山东大学，2007

24、.的试验结果，如图6所示。时间/s图6模糊PID控制与P1.D控制性能比较将P1.D模制控制和传统P1.D控制W用于HVAC实验室系统的空气处理机组的温度控制中，对比两种控制的响应曲线，得到与传统P1.D控制相比，模糊P1.D控制跟踪迅速、超调时间短、稳定性好、具有较强的鲁棒性的结论，这与本文仿真结果较为一致。对于船舶空调热舒适控制系统，由于船舶航行于宏杂的环境中，舱室内热舒适温度随着外界环境变化需不断调整，在船帕空调中采用模糊PID控制可以精确、快速地使船舶船室达到热舒适的状态。5、结束语本文根据修正的PMV指标，选择间接控制船舶舱室温度的方式，构建船舶他室的热舒适环境模型，设计了一种模糊P1.D控制涔对船的舱室进行温度控制，采用MAT1.AB对传统PID控制、模糊控制和模糊PID控制进行对比，并对3种控制的控制效果进行对比。对比曲线表明，模糊P1.D控制的超调量为38%,仿真曲线收敛时长为400s，控制误差可以稳定在0.5%以下，相比于传统PID控制和模糊控制，对具有非线性和滞后性的船帕空调热舒适控制系统有更好的科格性和稳态精度，能够达到船舶船室人体舒适的要求，为船舶空调控制策略的选择提供了一定的借鉴意义。由于本文的仿真是在其他条件处于秘态的情况下进行的，实际情况要比杂得多，因而建模时考虑更全面的因素是今后先进控制方式在船舶空调上应用研究的重点。