一种船舶中央冷却器换热板片振动控制系统

技术领域

本发明涉及换热板片振动控制技术领域，尤其涉及一种船舶中央冷却器换热板片振动控制系统。

背景技术

在船舶中央冷却器系统中，换热板片是至关重要的组件之一，然而，由于外部环境和船舶的运动等因素，这些换热板片可能会受到振动的影响，过度的振动不仅可能导致换热板片的磨损、损坏或失效，还可能对整个冷却器系统和船舶的其他关键部件产生不利影响，此外，持续的振动还可能导致冷却效率的下降，增加能耗，进而影响船舶的整体运行效率和安全性。

目前市场上存在的振动控制方案往往只对振动进行被动调节，这些方案对于突发的或持续的振动源可能反应不够迅速，而且，大多数的解决方案仅仅依赖于硬件上的物理调节，缺乏对实时数据的动态分析能力，使得其对于复杂的振动问题应对不足。

因此，存在一种迫切需求，即开发一种能够实时检测振动、预测未来的振动状态并根据实际情况动态调节的高效振动控制系统。

发明内容

基于上述目的，本发明提供了一种船舶中央冷却器换热板片振动控制系统。

一种船舶中央冷却器换热板片振动控制系统，包括振动检测模块、数据处理模块、振动预测模块、振动控制模块、震动缓冲模块以及动态调节模块；其中，

振动检测模块：用于实时检测换热板片的振动频率和振动幅值，并输出振动信号；

数据处理模块：接收振动信号，并根据预设的振动控制算法计算出振动控制指令；

振动预测模块：连接于数据处理模块，采用预测算法预测换热板片未来的振动状态，基于预测结果对振动控制策略进行前瞻性调整，输出预测性振动控制指令；

振动控制模块：与数据处理模块及振动预测模块连接，接收振动控制指令和预测性振动控制指令，执行振动调节动作；

震动缓冲模块：当振动控制模块调节后，振动幅度仍然超过设定阈值时，震动缓冲模块将启动，用于减少震动对冷却器的整体影响；

动态调节模块：用于实时监测换热板片的振动控制效果以及震动缓冲效果，根据反馈进行振动控制策略的动态调整。

进一步的，所述振动检测模块包括传感器单元、信号放大单元、信号转换单元以及振动分析单元；其中，

传感器单元：安装在换热板片的边缘位置，用于实时捕捉和检测板片的物理振动，并将物理振动转化为电信号；

信号放大单元：与传感器单元连接，用于接收传感器单元输出的微弱电信号，并对微弱电信号进行放大处理；

信号转换单元：连接于信号放大单元，用于将放大后的模拟信号转化为数字信号；

振动分析单元：与信号转换单元连接，用于分析数字信号，计算换热板片的振动频率和振动幅值，并生成相应的振动信号。

进一步的，所述计算换热板片的振动频率和振动幅值具体包括：

所述振动频率具体采用傅里叶变换进行信号的频域分析，具体计算公式为：

其中，F(k)表示在频率k下的幅值，s(t)是时间t处的信号值，k是频率，i是虚数单位；

所述振动幅值用于分析信号的峰值与基线值之间的差异，振动幅值的具体计算公式为：

A＝max(s(t))-min(s(t))，

其中A代表振动幅值，s(t)是在时间t处的信号值。

进一步的，所述数据处理模块包括算法参数设定单元、实时数据接入单元、控制算法运算单元以及指令输出单元；其中，

算法参数设定单元：用于存储和调整振动控制算法的关键参数；

实时数据接入单元：用于接收振动检测模块输出的振动信号，并对该振动信号进行滤波处理；

控制算法运算单元：根据预设的振动控制算法，对接入的振动数据进行处理，具体地，所述预设的振动控制算法为比例积分微分控制算法，计算公式为：

其中，U(t)是输出的振动控制指令；e(t)是期望的振动幅值与实际测量值之间的差异；K

指令输出单元：基于控制算法运算单元计算的结果，输出具体的振动控制指令，以调节换热板片的振动状态。

进一步的，所述振动预测模块包括历史数据存储单元、振动预测算法运算单元、前瞻性策略调整单元以及预测性振动控制指令输出单元；其中，

历史数据存储单元：用于储存历史的振动数据，作为预测算法的输入数据源；

振动预测算法运算单元：使用时间序列分析方法进行振动预测，具体地，采用ARIMA自回归移动平均模型，其数学式表示为：

其中，s(t)是在时间圤处的信号值，

前瞻性策略调整单元：基于振动预测算法运算单元的输出，当预测的振动幅度或频率超出预设范围时，该前瞻性策略调整单元将制定一个前瞻性的振动控制策略，调整相关的振动控制参数，以预防将要出现的异常振动；

预测性振动控制指令输出单元：根据前瞻性策略调整单元的策略调整结果，输出具体的预测性振动控制指令

进一步的，所述振动控制模块包括指令接收单元、执行器控制算法单元、执行器驱动单元以及执行器驱动单元；其中，

指令接收单元：用于接收并分析来自数据处理模块的振动控制指令以及来自振动预测模块的预测性振动控制指令；

执行器控制算法单元：根据接收到的振动控制指令和预测性振动控制指令，计算具体的执行器调节值，该器调节值用于确保在实际振动与预测振动之间取得平衡；

执行器驱动单元：根据计算出的调节值，直接驱动相关执行器进行实时振动调节动作；

状态反馈单元：用于监测执行器的实时工作状态和换热板片的振动状态，并将监测到的信息反馈给数据处理模块和振动预测模块，从而实现系统的闭环控制。

进一步的，所述计算具体的执行器调节值的公式为：

Δc＝α·C

其中，Δc为执行器的调节值，C

进一步的，所述震动缓冲模块包括振动阈值比较单元、缓冲物质释放单元、缓冲效果监测单元以及反馈调整单元；其中，

振动阈值比较单元：用于接收振动控制模块输出的振动幅度信息，并与预设的安全振动阈值进行比较，当实际振动幅度超出该预设阈值时，将产生一个缓冲激活指令；

缓冲物质释放单元：在收到振动阈值比较单元的缓冲激活指令后，即刻释放缓冲物质，直接到换热板片的四个角落位置，从而实现快速减缓振动；

缓冲效果监测单元：持续检测换热板片的振动幅度和频率，确保其维持在预设的安全振动阈值之内，当监测到振动频率仍超过预设的安全振动阈值，则会触发进一步的缓冲物质释放，直至振动幅度稳定在安全范围内；

反馈调整单元：基于缓冲效果监测单元的数据，动态调整缓冲物质的释放速度和量，确保换热板片的振动持续得到优化控制。

进一步的，所述动态调节模块包括实时监测单元、策略分析单元、反馈调整单元以及策略执行单元；其中，

实时监测单元：采用高精度传感器分别安装于换热板片的上、下、左、右四个方向，用于实时采集换热板片在各方向上的振动数据，同时监测震动缓冲模块的减振效果，并将数据进行整合后输出为综合振动状态信号；

策略分析单元：接收综合振动状态信号，并通过内部振动分析算法，分析当前的振动控制效果，具体分析算法公式为：

ΔV(t)＝V

其中，ΔV(t)表示时间点t的振动偏差，V

反馈调整单元：根据策略分析单元输出的振动偏差ΔV(t)，采用PID控制算法动态调整振动控制策略，具体的PID控制公式为：

其中，U(t)是输出的调整指令，K

策略执行单元：接收反馈调整单元输出的调整指令U(t)，并将其转化为具体的振动控制命令，最后将振动控制命令将直接传递给振动控制模块和震动缓冲模块，以实现动态调整振动控制策略。

本发明的有益效果：

本发明，具备实时振动检测功能，可以及时捕捉到任何微小的振动变化，与此同时，其振动预测模块能够预测未来的振动状态，为系统提供了一个前瞻性的视角，这种即时和预测的结合确保了系统能够迅速响应任何振动变化，无论是突发的还是持续的。

本发明，通过动态调节模块与震动缓冲模块联合工作，当振动达到或超过预设阈值时，将自动释放缓冲物质并进行实时的振动控制策略调整，这种自适应的动态响应不仅提高了振动控制的准确性，还确保了换热板片在最佳状态下运行，从而最大限度地提高冷却效率。

本发明，通过实施本系统，换热板片的振动得到了有效控制，从而减少了由于振动引起的设备损坏或失效的风险，此外，该系统还有助于优化冷却器的工作效率，减少能耗，从而为船舶带来了更高的运行效率和安全性，确保了船舶在各种环境条件下的稳定运行。

附图说明

为了更清楚地说明本发明或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例的换热板片振动控制系统示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，对本发明进一步详细说明。

需要说明的是，除非另外定义，本发明使用的技术术语或者科学术语应当为本发明所属领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。本发明中使用的“第一”、“第二”以及类似的词语并不表示任何顺序、数量或者重要性，而只是用来区分不同的组成部分。“包括”或者“包含”等类似的词语意指出现该词前面的元件或者物件涵盖出现在该词后面列举的元件或者物件及其等同，而不排除其他元件或者物件。“连接”或者“相连”等类似的词语并非限定于物理的或者机械的连接，而是可以包括电性的连接，不管是直接的还是间接的。“上”、“下”、“左”、“右”等仅用于表示相对位置关系，当被描述对象的绝对位置改变后，则该相对位置关系也可能相应地改变。

如图1所示，一种船舶中央冷却器换热板片振动控制系统，包括振动检测模块、数据处理模块、振动预测模块、振动控制模块、震动缓冲模块以及动态调节模块；其中，

振动检测模块：用于实时检测换热板片的振动频率和振动幅值，并输出振动信号；

数据处理模块：接收振动信号，并根据预设的振动控制算法计算出振动控制指令；

振动预测模块：连接于数据处理模块，采用预测算法预测换热板片未来的振动状态，基于预测结果对振动控制策略进行前瞻性调整，输出预测性振动控制指令；

振动控制模块：与数据处理模块及振动预测模块连接，接收振动控制指令和预测性振动控制指令，执行振动调节动作；

震动缓冲模块：当振动控制模块调节后，振动幅度仍然超过设定阈值时，震动缓冲模块将启动，用于减少震动对冷却器的整体影响；

动态调节模块：用于实时监测换热板片的振动控制效果以及震动缓冲效果，根据反馈进行振动控制策略的动态调整。

振动检测模块包括传感器单元、信号放大单元、信号转换单元以及振动分析单元；其中，

传感器单元：安装在换热板片的边缘位置，用于实时捕捉和检测板片的物理振动，并将物理振动转化为电信号；

信号放大单元：与传感器单元连接，用于接收传感器单元输出的微弱电信号，并对微弱电信号进行放大处理，以确保信号的清晰度和可识别性；

信号转换单元：连接于信号放大单元，用于将放大后的模拟信号转化为数字信号，以便于后续数据处理和振动分析；

振动分析单元：与信号转换单元连接，用于分析数字信号，计算换热板片的振动频率和振动幅值，并生成相应的振动信号。

计算换热板片的振动频率和振动幅值具体包括：

振动频率具体采用傅里叶变换(FourierTransform)进行信号的频域分析，具体计算公式为：

其中，F(k)表示在频率k下的幅值，s(t)是时间t处的信号值，k是频率，i是虚数单位；

振动幅值用于分析信号的峰值与基线值之间的差异，振动幅值的具体计算公式为：

A＝max(s(t))-min(s(t))，

其中A代表振动幅值，s(t)是在时间t处的信号值。

数据处理模块包括算法参数设定单元、实时数据接入单元、控制算法运算单元以及指令输出单元；其中，

算法参数设定单元：用于存储和调整振动控制算法的关键参数，如阈值、增益和时间常数等；

实时数据接入单元：用于接收振动检测模块输出的振动信号，并对该振动信号进行滤波处理；

控制算法运算单元：根据预设的振动控制算法，对接入的振动数据进行处理，具体地，预设的振动控制算法为比例积分微分(PID)控制算法，计算公式为：

其中，U(t)是输出的振动控制指令；e(t)是期望的振动幅值与实际测量值之间的差异；K

指令输出单元：基于控制算法运算单元计算的结果，输出具体的振动控制指令，以调节换热板片的振动状态；

在此系统中，数据处理模块接收传感器单元的实时振动数据，通过预设的振动控制算法，计算并输出具体的振动控制指令，从而有效地控制和调节换热板片的振动状态。

振动预测模块包括历史数据存储单元、振动预测算法运算单元、前瞻性策略调整单元以及预测性振动控制指令输出单元；其中，

历史数据存储单元：用于储存历史的振动数据，作为预测算法的输入数据源；

振动预测算法运算单元：使用时间序列分析方法进行振动预测，具体地，采用ARIMA自回归移动平均模型，其数学式表示为：

其中，s(t)是在时间圤处的信号值，

前瞻性策略调整单元：基于振动预测算法运算单元的输出，当预测的振动幅度或频率超出预设范围时，该前瞻性策略调整单元将制定一个前瞻性的振动控制策略，调整相关的振动控制参数，以预防将要出现的异常振动；

预测性振动控制指令输出单元：根据前瞻性策略调整单元的策略调整结果，输出具体的预测性振动控制指令，旨在提前调节换热板片的振动状态，以防止预测的异常振动；

振动预测模块不仅可以预测未来的振动状态，而且可以基于这些预测结果提前制定并输出调节策略，确保换热板片始终在安全和稳定的振动范围内运行。

振动控制模块包括指令接收单元、执行器控制算法单元、执行器驱动单元以及执行器驱动单元；其中，

指令接收单元：用于接收并分析来自数据处理模块的振动控制指令以及来自振动预测模块的预测性振动控制指令；

执行器控制算法单元：根据接收到的振动控制指令和预测性振动控制指令，计算具体的执行器调节值，该器调节值用于确保在实际振动与预测振动之间取得平衡；

执行器驱动单元：根据计算出的调节值，直接驱动相关执行器进行实时振动调节动作，确保换热板片的振动状态得到有效管理；

状态反馈单元：用于监测执行器的实时工作状态和换热板片的振动状态，并将监测到的信息反馈给数据处理模块和振动预测模块，从而实现系统的闭环控制。

计算具体的执行器调节值的公式为：

Δc＝α·C

其中，Δc为执行器的调节值，C

震动缓冲模块包括振动阈值比较单元、缓冲物质释放单元、缓冲效果监测单元以及反馈调整单元；其中，

振动阈值比较单元：用于接收振动控制模块输出的振动幅度信息，并与预设的安全振动阈值进行比较，例如将阈值设定为10Hz，当实际振动幅度超出该预设阈值时，将产生一个缓冲激活指令；

缓冲物质释放单元：在收到振动阈值比较单元的缓冲激活指令后，即刻释放缓冲物质，如特定的减振液体或气体，直接到换热板片的四个角落位置，从而实现快速减缓振动；

缓冲效果监测单元：持续检测换热板片的振动幅度和频率，确保其维持在预设的安全振动阈值之内，当监测到振动频率仍超过预设的安全振动阈值，则会触发进一步的缓冲物质释放，直至振动幅度稳定在安全范围内；

反馈调整单元：基于缓冲效果监测单元的数据，动态调整缓冲物质的释放速度和量，确保换热板片的振动持续得到优化控制，该反馈调整单元还会将振动状态信息及时反馈给振动控制模块，以协同工作并实现更高效的振动控制。

动态调节模块包括实时监测单元、策略分析单元、反馈调整单元以及策略执行单元；其中，

实时监测单元：采用高精度传感器分别安装于换热板片的上、下、左、右四个方向，用于实时采集换热板片在各方向上的振动数据，同时监测震动缓冲模块的减振效果，并将数据进行整合后输出为综合振动状态信号；

策略分析单元：接收综合振动状态信号，并通过内部振动分析算法，分析当前的振动控制效果，具体分析算法公式为：

ΔV(t)＝V

其中，ΔV(t)表示时间点t的振动偏差，V

反馈调整单元：根据策略分析单元输出的振动偏差ΔV(t)，采用PID控制算法动态调整振动控制策略，具体的PID控制公式为：

其中，U(t)是输出的调整指令，K

策略执行单元：接收反馈调整单元输出的调整指令U(t)，并将其转化为具体的振动控制命令，最后将振动控制命令将直接传递给振动控制模块和震动缓冲模块，以实现动态调整振动控制策略；

该动态调节模块确保换热板片的振动控制策略始终能够适应外部环境和内部工作状态的变化，从而最大化减小振动对冷却器的影响，并提高冷却器的工作效率。

本发明旨在涵盖落入所附权利要求的宽泛范围之内的所有这样的替换、修改和变型。因此，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何省略、修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。