船舶辅锅炉汽包水位系统控制及虚拟仿真技术研究
摘要
船舶辅锅炉的工作环境相较于其他锅炉更加恶劣和复杂，其中，船舶辅锅炉汽包
水位控制系统是整个船舶辅锅炉自动化控制系统不可或缺的组成部分，因此其对汽包
水位的调节能力以及抗干扰能力，直接影响船舶辅锅炉能否安全运行。本文以船舶辅
锅炉汽包水位系统为研究对象，针对系统存在的大惯性、非线性等问题，提出基于遗
传算法中交叉因子改进异步粒子群的算法(GA-APSO)对汽包水位系统进行控制，提高
系统的动态性能和抗干扰能力，在此基础上对汽包水位系统进行虚拟仿真设计。
首先，针对船舶辅锅炉的物料平衡以及能量平衡机理进行分析，推导了汽包水位
在不同影响因素下的动态特性，并建立数学模型，分析汽包水位在不同影响因素下的
变化趋势。通过研究汽包水位系统的控制原理，对单冲量、双冲量、前馈-反馈三冲量
以及前馈-串级三冲量四种不同控制方案进行研究，并在仿真软件中进行仿真对比，探
究不同控制方案的优缺点。
其次，以前馈-串级三冲量控制方案为基础框架，提出GA-APSO算法。该算法集
成了异步粒子群(APSO)以及基于遗传算法中交叉因子改进粒子群算法(GA-PSO)的优点，
与传统的PID控制策略有机结合，进一步提升了汽包水位系统的动态性能以及抗干扰
能力。通过在仿真软件对PID控制策略、粒子群算法、APSO算法、GA-PSO算法以及
GA-APSO算法优化PID控制器参数策略进行仿真对比，仿真表明GA-APSO算法相较
于其他几种算法有更好的动态性能以及更强的抗干扰能力。
最后，针对船舶辅锅炉汽包水位虚拟仿真系统的需求进行分析，并运用3DMAX
软件以及Unity3D引擎开发了船舶辅锅炉汽包水位虚拟仿真系统。通过C#语言实现器
件设备浏览以及系统虚拟漫游的功能；在Unity3D开发环境中对汽包水位系统的PID
控制策略及GA-APSO算法优化PID控制器参数的控制策略进行仿真，通过引入
“Xcharts”插件使得仿真结果可视化；将船舶辅锅炉汽包水位虚拟仿真系统发布成可
执行文件并通过测试验证其稳定性。虚拟仿真系统为船舶辅锅炉汽包水位系统控制的
设计与优化提供了有力的支持，并且极大的减少了仿真对资源的依赖，为使用者提供
安全、高效的仿真手段。
关键词：船舶辅锅炉；PID控制器；GA-APSO；参数优化；虚拟仿真
船舶辅锅炉汽包水位系统控制及虚拟仿真技术研究
Abstract
Comparedtootherboilers,theworkingenvironmentofmarineauxiliaryboilersismore
harshandcomplex.Amongthem,thesteamdrumwaterlevelcontrolsystemofmarine
auxiliaryboilersisanindispensablecomponentoftheentireautomationcontrolsystem.
Therefore,itsabilitytoregulatethesteamdrumwaterlevelanditsanti-interferenceability
directlyaffectwhetherthemarineauxiliaryboilercanoperatesafely.Thisarticletakesthe
steamdrumwaterlevelsystemofmarineauxiliaryboilersastheresearchobject,and
proposesanalgorithmbasedontheimprovedasynchronousparticleswarmoptimizationin
thegeneticalgorit