摘 要

现代船舶行业中，对船舶的各个系统进行建模与仿真已经是全球的航运业的大趋势，在对船舶轮机进行模拟的过程中，包含了轮机的各个设备的相关模拟设备，船舶空调系统的运行涉及船舶节能、人员舒适性和健康问题。本文针对船舶空调系统进行分析与建模，通过仿真来分析存在问题，通过系统优化来解决与改善空调节能与舒适性问题。

本文对某远洋轮空调系统的构成和原理进行了详细的分析，采用Simulink对空调系统进行建模，包括空调系统内部组成如冷水机组，膨胀阀等等，逐一分析其工作原理和特点，在热力、传热学等等理论的支撑下，还要对一些对建模精度影响不大但是对建模难易程度影响较大的参数进行假设，通过假设一系列可以把复杂的过程简化的假定条件之后得到各个过程的相关公式，从而得到该系统中各个模块的数学模型。

在此之后运用Simulink把对应的数学模型转化为仿真系统，每个模块的模型建立完成之后，这些模块的整合起来就组成了船舶空调系统。

关键词：建模；船舶空调系统；仿真

Abstract

In the modern shipbuilding industry, modeling and simulating various ship systems is already a major trend in the global shipping industry. In the process of simulating ship turbines, the related simulation equipment of each equipment of the turbine is included, but this simulation It is also obvious that the method of simulation is inadequate, that is, this method cannot study a certain part in a targeted manner, and it does not have a very complete operating system. Therefore, this article addresses these deficiencies and improves these problems by modularizing the entire system.

   This article models the "Yukun" wheel air-conditioning system and analyzes the system in detail, including its internal components such as chillers, expansion valves, etc., and analyzes its working principles and characteristics one by one, in terms of thermal power, heat transfer theory, etc. With the support of, it is necessary to make assumptions about some parameters that have little effect on modeling accuracy but have a greater impact on modeling difficulty. By assuming a series of assumptions that can simplify complex processes, the relevant formulas for each process are obtained To get the mathematical model of each module in the system.

  After that, Simulink will be used to convert the corresponding mathematical model into a simulation system. After the model of each module is established, the integration of these modules constitutes the ship air conditioning system.

Key words:modeling;Marine Air Conditioning;Simulation System

目录

第一章 绪论 1

1.1选题的背景和意义 1

1.2相关领域的研究动态 2

1.21建模与仿真的研究动态 2

1.2.2船舶空调系统建模与仿真的研究动态 2

1.3本文的主要工作 3

第二章 船舶空调系统概述 4

2.1船舶空调系统概况 4

2.2某远洋轮空调系统 6

2.2.1某远洋轮空调系统的组成 6

第三章 船舶空调系统数学模型的建立 8

3.1船舶空调系统建模概述 8

3.1.1仿真建模方法 8

3.1.2船舶空调模型的特点 8

3.2冷水机组的数学模型 10

3.2.1压缩机的数学模型 10

3.2.2冷凝器的数学模型 12

3.2.3电子膨胀阀的数字模型 14

3.2.4蒸发器的数学模型 15

3.3冷媒水系统数学模型 18

3.3.1循环水泵的数学模型 18

3.4空调器的数学模型 19

3.4.1空气冷却器的数学模型 19

3.4.2空气加热器的数学模型 21

3.5舱室温度数学模型 22

第四章 基于Simulink的船舶空调系统仿真 24

4.1 Matlab仿真工具Simulink 24

4.2船舶空调系统Simulink仿真的实现 24

4.2.1冷水机组模型 25

4.2.2空调器模型 26

4.2.3舱室温度模型 27

4.3仿真结果分析 27

第五章 基于热舒适的参数优化 30

5.1热舒适性及评价指标 30

5.2 PMV、PDD与温度、湿度的分析 30

第六章 结论 32

6.1研究结论 32

6.2展望 32

第一章 绪论

当代船舶行业是对于世界各国都十分重要的行业，在全球各国联系日益紧密的当下，船舶行业是各国之前的往来的重要桥梁，所以各国对待船舶业都十分重视，在全球各海域航行也成为了船舶业的常态，而其气候的不同，气象的不同对于航运人的影响也不同，船只设备的要求也愈来愈高，因此空调设备成为了船上的重要组成部件。因为工作性质的原因，航运人员在船上普遍在温度较高的环境下工作，为了让船员在更加适宜的温度和湿度的条件下工作，也为了满足卫生和安全相关的要求，船舶空调装置是必不可少的，所以全球航运业都很重视船舶空调系统的研究，对船舶空调相关的建模仿真及优化就是其中很重要的一部分。

1.1选题的背景和意义

随着现代科技的发展和国际船舶行业的规范要求，不仅船舶的各项设施，包括空调等要求精良，更要重视船上人员的相关培训以及管理人员的能力评估，这对于航运人员的在船上的生活工作和安全保障都十分重要^[1]。只有对学习航海方面专业的学生在校时就进行各种职业技能的教授和培训，对管理人员也进行培训，才能最大程度使其在船上工作时能够对船舶遇到的各种问题更好的应对，只有掌握了船舶空调系统的相关知识才能更好的对其进行管理，以及在出现故障时能够完成诊断和维修，保障系统的正确运行。随着时代的进步和科学的发展，计算机模拟和仿真逐渐成为了对相关人员的培训重要的一环，以及轮机模拟器^{[2] [3]}的出现也大大改进了传统的教学方法，不再仅仅通过书本上的内容和成本较高的实物操作来对操作人员进行培训，使教学效果大大加强，各种成本也大大降低，这成为了船舶业的一大趋势。

将仿真运用到船舶行业使试验增添了多种可能，无论是可反复进行试验，还是不受一些外部因素限制使一些需要特定条件而难以实现的试验变得可行，投资方面节约成本从而减少了投资，可反复进行等特性又加大了效应，运用计算机完成试验又不存在风险，且试验周期也能有效缩短。在我国大学中有很多都设立了航运相关的航海类专业，为的就是为我国航运业输送人才，而这些学生在真正步入工作岗位之前都要进行相关的培训，对于已经在航运业工作的船员也要不断的培训来提高相关知识和能力。船舶模拟器的出现为现代船员培训事业提供了相当的便利，大大节约了相关资源，用其替代实物设备的使用同样能够实现相关操作管理培训的效果。

在计算机仿真的随科技进步日益完善的同时，轮机模拟器的相关技术也不断进步，但是现在的轮机模拟器最主要的建模方式是面向过程的集中式封闭系统建模，在各方面都存在一些缺陷，研发时还需要对系统的了解程度较高等等，所以接下来发展的趋势是使研发只需要对局部对象有一点程度的熟悉就可以通过分组工作的形式完成建模的相关工作，使工作周期能够简短，并且相关后续工作也能够变得方便。而船舶空调系统作为轮机模拟器的重要组成部分，对其的建模与仿真也就成为了必须的工作。

1.2相关领域的研究动态

1.21建模与仿真的研究动态

建模指的是利用已知的相关信息对某个事物进行形式化的表述，仿真则是利用一个对于研究事物所建立的模型去进行相关实验，通过计算机为载体将一些数学方程的表达方法转化为一种实际系统，常见的为微分和差分方程。

伴随着科学技术的日新月异，计算机建模仿真已经在生活中的各个方面体现出其作用，范围广泛包括生活中的各个行业，从二十世纪三十年代以来高速发展，这都是从电子管计算机的出现开始，建模和仿真逐渐出现在大部分科研人员的视野中，是一种全新的技术手段。如Link式飞行模拟器，在20世纪30年代能为美国创造1.3亿美元/每年的效益，更重要的是极大的减少了飞行训练中飞行人员的伤亡。类似的例子还有50年代时通过仿真实验很大程度上减少了资源的消耗的澳大利亚与英国联合研制的警犬导弹，比起当时的美，苏，德，发射次数减少90%。

我国如今的建模与仿真技术发展迅速，虽然相较于西方国家起点较晚，从最开始运用于飞机和导弹的相关试验中。到60年代对各种非工程领域也有所使用。而70年代则对各个领域的训练设施研发产生了巨大影响，各种行业的人员培训都可以通过这种技术来实现。80、90年代则在算法和软件方面获得了较大的成功，成功研发了许多用于系统仿真的语言，还有我们自己研发的数字仿真计算及，对于虚拟和联网仿真等等各种技术也得到了突破，在这仅仅40年间也取得了很多不俗的成就。

1.2.2船舶空调系统建模与仿真的研究动态

随着科学技术的高速发展，一种是独立运行在个人计算机上的纯粹为软件的模拟器，各种操作的实施都是在计算机的显示屏上完成。另一种是通过硬件模拟船舶的空调系统，并且要与软件结合来完成整个仿真过程^{[4] [5]}，这种方法能够让学员如同置身于真实船舶进行操作，从而真正掌握相关操作知识，更好的达成训练目的。

相比于上世纪70年代就开始大力研发轮机模拟器相关的外国企业，我国相关技术研发水平整体落后，外国一些知名公司如Transas和Norcontrol等，占据了市场的大部分份额，旗下产品产量领先世界，与世界上多家公司院校合作，提供产品和服务，产品覆盖的船型多，效果逼真，让使用者感受良好的沉浸感，运行的也很快速。我国一些高等院校于二十世纪七十年代左右便开始引进一些国外先进技术制造的轮机模拟器，并且不断努力完成自己的研发项目。

1.3本文的主要工作

本文主要对某远洋轮空调系统进行研究与分析，建模方式采取模块化的方法进行建模，对于涉及的参数主要采用集中参数的形式，由此为该船舶空调系统建立数学模型，适合实时仿真计算的情况。在建模的过程中使用的软件主要为matlab，仿真模型主要通过相应的数学公式模型运用simulink来构造，最后运行该模型达到仿真的目的，并且对得到的结果进行相应的分析。

本文的主要工作包括：

（1）对整个空调系统的动态过程建立数学模型

根据某远洋轮空调系统的相应结构和工作原理进行分析，系统的模型要确保质量，动量，能量，三量的守恒，通过集中参数和模块化将冷水机组，冷媒水系统和空调器分别建立对应的数学模型。

（2）基于动态特性的计算机仿真

船舶空调系统的动态模型和动态仿真都是运用Simulink来实现的，而模块化体现在各个子模块的划分，与船舶对应的实际数据进行比较从而得知建立的数学模型是否良好的描述了实际的船舶空调系统，从而我们能够知道所建立的仿真模型是否正确和该建模和仿真是否有效。

第二章 船舶空调系统概述

2.1船舶空调系统概况

在人们日常工作生活中，空调逐渐成为了人们提高生活舒适程度，改善工作环境，满足卫生要求的必备品，而其中舒适性空调指的就是允许温度湿度较大程度上下浮动的空调。

船舶空调装置要使室内空气满足一定要求，并且舱外空气设计参数也要符合相应的规定：