艦船動(dòng)力系統(tǒng)模塊化建模方法

胡錦暉，胡大斌，何其偉

(海軍工程大學(xué)，湖北 武漢430033)

0 引 言

在艦船動(dòng)力系統(tǒng)仿真研究中，傳統(tǒng)的建模方法常采用高級(jí)程序語言(例如Basic，Pascal，C ++)編寫動(dòng)力系統(tǒng)各設(shè)備的模型，模型結(jié)構(gòu)固定，缺乏通用性，模型的適應(yīng)性并不好。由于程序的可重用性差，導(dǎo)致代碼資源不能很好地共享，與現(xiàn)代軟件開發(fā)所遵循的理念不符。

模塊化的思想逐漸融入到建模仿真過程中:即采用某種規(guī)則把被研究系統(tǒng)分為不同的子系統(tǒng)，以模型模塊的形式表示每一個(gè)子系統(tǒng)，并按照子系統(tǒng)之間的構(gòu)建關(guān)系將這些模塊連接起來，從而組合為被研究系統(tǒng)的仿真模型。這種思想可稱之為“模塊化建?！?。

現(xiàn)代艦船的動(dòng)力系統(tǒng)盡管設(shè)備種類繁多、技術(shù)復(fù)雜、規(guī)模龐大，但從其設(shè)備的工作原理來講存在著諸多類似的部件。例如，各種類型的推進(jìn)電機(jī)在原理上基本一致，只是它們?cè)谔卣鲄?shù)等指標(biāo)上有所不同。

在艦船動(dòng)力系統(tǒng)的仿真研究過程中，可針對(duì)不同的子系統(tǒng)分別建立典型模塊的數(shù)學(xué)模型，然后將這些模型組合起來，以建立整個(gè)系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型。本文通過對(duì)模塊的分類、模塊間關(guān)系處理等模塊化建模方法的研究，實(shí)現(xiàn)了包含某型艦船動(dòng)力系統(tǒng)主要模塊的模型庫設(shè)計(jì)，從而達(dá)到提高模型可重用性的目的。

1 動(dòng)力系統(tǒng)模塊化建模方法

1.1 模塊化建模的準(zhǔn)則

模塊化建模的基本原則為:采用標(biāo)準(zhǔn)化的規(guī)則建立子系統(tǒng)或部件的數(shù)學(xué)模型，再將該模型轉(zhuǎn)化為計(jì)算機(jī)子程序，作為基本的建模模塊，然后按照模塊之間的連接關(guān)系將它們組合成各種不同的系統(tǒng)仿真模型。模塊化建模還需滿足以下準(zhǔn)則:

1)模型模塊相互間獨(dú)立，可單獨(dú)用于對(duì)某種設(shè)備進(jìn)行仿真，又可參與更大系統(tǒng)的仿真;

2)基本的模型模塊構(gòu)成系統(tǒng)的仿真模型，它們是組成整個(gè)系統(tǒng)的基本元素;

3)應(yīng)保證各個(gè)模型模塊之間連接關(guān)系、命名、輸入輸出變量等規(guī)范化;

4)以各物理設(shè)備進(jìn)行模型模塊的劃分，如艦船動(dòng)力劃分為推進(jìn)電機(jī)模塊、發(fā)電機(jī)模塊等。

1.2 模塊的分類

根據(jù)艦船動(dòng)力系統(tǒng)的特點(diǎn)，可將其劃分為眾多子系統(tǒng)，通過對(duì)子系統(tǒng)的分析可將模塊分為設(shè)備模塊、邏輯控制模塊和功能模塊3 部分。

1)設(shè)備模塊。設(shè)備模塊可描述動(dòng)力系統(tǒng)中各個(gè)設(shè)備的物理特性，其數(shù)學(xué)方程反映了其動(dòng)態(tài)特性。同時(shí)，需要在設(shè)備模塊中考慮預(yù)留模擬故障的變量。

2)邏輯控制模塊。由于動(dòng)力系統(tǒng)的操作使用中存在著大量控制、自動(dòng)保護(hù)、報(bào)警等邏輯過程，在模型中需要編制相應(yīng)的邏輯控制模塊。例如，在艦船動(dòng)力系統(tǒng)中，推進(jìn)電機(jī)的啟停、反轉(zhuǎn)等邏輯控制過程。

3)功能模塊。完成某種獨(dú)立功能的子系統(tǒng)或設(shè)備的模型可以將其定為功能模塊。這類模塊有較為實(shí)際的意義，例如柴油機(jī)調(diào)速系統(tǒng)、增壓器系統(tǒng)等，可表征一個(gè)子系統(tǒng)的動(dòng)穩(wěn)態(tài)特性，完成某項(xiàng)功能。

1.3 模塊的分解

艦船動(dòng)力系統(tǒng)的模塊化建模研究首先是對(duì)動(dòng)力系統(tǒng)進(jìn)行合理的模塊化分解，分解過程中應(yīng)保證模塊間的物理、數(shù)學(xué)獨(dú)立性。合理地進(jìn)行模型分解有利于建模和后期的模型修改。

在對(duì)艦船動(dòng)力系統(tǒng)進(jìn)行模塊化分解過程中，根據(jù)系統(tǒng)的物理邊界，逐步分拆劃分子系統(tǒng)，從系統(tǒng)到子系統(tǒng)，再到設(shè)備，最后分為部件，形成層次分明的層級(jí)結(jié)構(gòu)，如圖1所示。

圖1 動(dòng)力系統(tǒng)的建模層次Fig.1 Modeling hierarchy of power system

本文中，某型艦船動(dòng)力系統(tǒng)的分層模塊化模型可用圖2 表示。第1 層次是整個(gè)系統(tǒng)的模型，由對(duì)應(yīng)于各個(gè)子系統(tǒng)的子模型組成，如本文所研究的動(dòng)力系統(tǒng)模型由原動(dòng)機(jī)、發(fā)電機(jī)系統(tǒng)、推進(jìn)電機(jī)系統(tǒng)等子模型組成;第2 層次是各個(gè)子系統(tǒng)由其對(duì)應(yīng)于各個(gè)設(shè)備的模塊組成，反映子系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，如推進(jìn)系統(tǒng)由推進(jìn)電機(jī)、離合器、軸系等組成;第3 層次是部件模型，如柴油機(jī)由本體、增壓器、調(diào)速器等組成。

圖2 艦船動(dòng)力系統(tǒng)的分層模塊Fig.2 Hierarchical modules of the warship's power system

2 基于模塊化的動(dòng)力系統(tǒng)模型庫的建立

某型艦船動(dòng)力系統(tǒng)的基本工作原理是:柴油機(jī)作為原動(dòng)機(jī)帶動(dòng)發(fā)電機(jī)工作，在不同工況下工作，直接給推進(jìn)電機(jī)和其他設(shè)備供電，或給蓄電池充電;推進(jìn)電機(jī)產(chǎn)生扭矩，并通過軸系帶動(dòng)螺旋槳旋轉(zhuǎn);同時(shí)螺旋槳產(chǎn)生推力，通過推力軸承推動(dòng)艦船向前運(yùn)動(dòng)。螺旋槳產(chǎn)生的推力與艇體阻力的不平衡，導(dǎo)致艦船航速的變化。推進(jìn)電機(jī)產(chǎn)生的扭矩與推進(jìn)軸系的損失扭矩、螺旋槳扭矩的不平衡，導(dǎo)致軸系轉(zhuǎn)速的變化。

2.1 柴油機(jī)系統(tǒng)模塊

根據(jù)柴油機(jī)的構(gòu)成及工作原理，將其分解為如圖3所示的模塊化分解圖。

圖3 柴油機(jī)模塊化分解圖Fig.3 Block diagram of diesel engine modules

在柴油機(jī)系統(tǒng)模塊中，可將其分為調(diào)速器模塊、噴油泵模塊、柴油機(jī)本體模塊、渦輪增壓器模塊、進(jìn)氣管和排氣管模塊等子模塊。由于以上模塊運(yùn)行機(jī)理均較為明確，且設(shè)計(jì)參數(shù)已知或測(cè)量較為便利，各種模塊的數(shù)學(xué)模型均可采用機(jī)理建模法?？赏ㄟ^模塊的過程機(jī)理、物理規(guī)律、參數(shù)方程直接列出其動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)方程。例如，機(jī)械液壓式調(diào)速器可采用簡(jiǎn)化的模型:

其中k和τ0為和調(diào)速器特性相關(guān)的常數(shù)。

噴油泵每循環(huán)有效噴油量g與循環(huán)供油量gc的傳遞函數(shù)模型為:

其中，τ為噴油泵的時(shí)間常數(shù)。

2.2 發(fā)電機(jī)模塊

該型艦船發(fā)電機(jī)為單電樞、單換向器、直流發(fā)電機(jī)，通過控制面板上的勵(lì)磁轉(zhuǎn)換開關(guān)可以選擇采用他勵(lì)或自勵(lì)的方式進(jìn)行勵(lì)磁，采用改變勵(lì)磁電流的方式進(jìn)行輸出電壓的調(diào)節(jié)。發(fā)電機(jī)的建模與勵(lì)磁方式有關(guān)，模型由于勵(lì)磁方式的不同而略有差別。

當(dāng)勵(lì)磁系統(tǒng)工作在他勵(lì)方式時(shí)，其數(shù)學(xué)模型可用下式表示:

式中:J′為發(fā)電機(jī)軸系轉(zhuǎn)動(dòng)慣量;ω′為發(fā)電機(jī)軸系角速度;M′e為發(fā)電機(jī)電磁扭矩;M′f為柴油發(fā)電機(jī)組軸系上的扭矩?fù)p失。

當(dāng)勵(lì)磁系統(tǒng)工作在自勵(lì)方式時(shí)，勵(lì)磁回路不需要蓄電池的供電。由于發(fā)電機(jī)存在剩磁，電樞端電壓將逐漸升高，最終建立電樞端電壓。

2.3 推進(jìn)電機(jī)模塊

本文研究的動(dòng)力系統(tǒng)中所有推進(jìn)電機(jī)均為直流電機(jī)，其基本工作原理一致，只是電機(jī)的特征參數(shù)不同，采用雙電樞、他勵(lì)直流電機(jī)，通過改變電樞連接方式(串聯(lián)或并聯(lián))以及調(diào)節(jié)勵(lì)磁電流的方法進(jìn)行調(diào)速，推進(jìn)電機(jī)還可工作于兩組蓄電池串聯(lián)的工況下，但電機(jī)的持續(xù)工作時(shí)間受到限制;考慮到仿真的有效性和實(shí)時(shí)性，對(duì)推進(jìn)電機(jī)進(jìn)行建模時(shí)可以考慮進(jìn)行一些簡(jiǎn)化。直流推進(jìn)電機(jī)仿真框圖如圖4所示。

圖4 直流推進(jìn)電機(jī)仿真框圖Fig.4 Simulation block diagram of the DC propulsion moto

忽略電樞回路的自感電勢(shì)、電樞反應(yīng)、互感等因素，直接傳動(dòng)的單電樞直流推進(jìn)電機(jī)運(yùn)行時(shí)滿足以下方程:

式中:J為電機(jī)軸系轉(zhuǎn)動(dòng)慣量;ω為軸系角速度;Me為電樞電磁扭矩;Mp為螺旋槳的阻力矩;Mf為推進(jìn)系統(tǒng)總的扭矩?fù)p失。

2.4 螺旋槳、船體模塊

艦船推進(jìn)系統(tǒng)模型中的船體、推進(jìn)電機(jī)和螺旋槳3個(gè)部分共同組成船機(jī)槳系統(tǒng)，在這個(gè)系統(tǒng)中，僅考慮推進(jìn)裝置的回轉(zhuǎn)部分運(yùn)動(dòng)和艦船的直線運(yùn)動(dòng)2 種運(yùn)動(dòng)，它們相應(yīng)的動(dòng)力學(xué)方程為:

式中:m為船體的總質(zhì)量，kg;kw為附水系數(shù);vs為艦船航速，m/s;Z為同時(shí)工作的螺旋槳數(shù);Pe為螺旋槳的有效推力;RT為船體阻力。

螺旋槳與船體模塊分解圖如圖5 示。

圖5 螺旋槳與船體模塊分解圖Fig.5 Block diagram of the propeller and hull modules

2.5 蓄電池組模塊

由于蓄電池的端電壓、充放電電流受各種因素的影響很大，蓄電池建模是艦船動(dòng)力系統(tǒng)建模仿真的難點(diǎn)。隨著蓄電池容量的不斷減少，其輸出電壓、電流及電解液密度逐步變化。由于艦船蓄電池的試驗(yàn)經(jīng)費(fèi)和使用壽命受到限制，不能在實(shí)艇上進(jìn)行充分實(shí)驗(yàn)，但可利用其充放電曲線來建模。

本文所研究的艦船蓄電池采用四級(jí)恒電流充電方法充電，當(dāng)達(dá)到第四級(jí)過渡電壓時(shí)，用略高于過渡電壓的恒定電壓進(jìn)行充電，并根據(jù)過渡電壓的變化逐漸降低充電電流，充電結(jié)束時(shí)對(duì)最大充電電流進(jìn)行限制。充電電量Qc可按照如下公式計(jì)算:

式中:I1，I2，I3為一、二、三級(jí)充電電流值;t1，t2，t3為一、二、三級(jí)充電時(shí)間;I4，I5，…，Ik-1為第四級(jí)充電過程中的充電電流值;Ik為第四級(jí)充電結(jié)束時(shí)電流值。

蓄電池的放電模型可利用其放電特性曲線并結(jié)合電化學(xué)經(jīng)驗(yàn)公式，進(jìn)行放電過程的仿真。

2.6 輔助機(jī)械模塊

輔助機(jī)械包括一些水泵、油泵、離心泵、輔助電機(jī)等設(shè)備。輔機(jī)的功率一般均可從設(shè)計(jì)資料或銘牌上獲取，在電網(wǎng)電壓一定的情況下，可根據(jù)當(dāng)前使用狀況來確定輔機(jī)耗電電流，將其并入全系統(tǒng)的仿真模型參與仿真計(jì)算。

2.7 邏輯和控制系統(tǒng)模塊

所有動(dòng)力系統(tǒng)設(shè)備均有相應(yīng)的控制機(jī)構(gòu)對(duì)其實(shí)施復(fù)雜的邏輯控制，例如推進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對(duì)推進(jìn)電機(jī)的控制。在仿真軟件中，設(shè)計(jì)的人機(jī)交互界面與實(shí)裝控制裝置具有對(duì)應(yīng)的關(guān)系，當(dāng)控制系統(tǒng)中的某個(gè)開關(guān)、指示燈、儀表的狀態(tài)發(fā)生改變時(shí)，人機(jī)交互界面上的對(duì)應(yīng)部分也發(fā)生同樣改變。人機(jī)交互界面以邏輯控制模型為基礎(chǔ)。整個(gè)控制系統(tǒng)模型模塊化結(jié)構(gòu)圖如圖6所示。

為了實(shí)現(xiàn)對(duì)各控制系統(tǒng)的仿真，在仿真系統(tǒng)開發(fā)過程中，可建立描述邏輯和控制過程的數(shù)學(xué)模型，用來模擬系統(tǒng)的操作、控制、安全保護(hù)和故障報(bào)警等功能。通過描述系統(tǒng)操作和邏輯控制的數(shù)學(xué)關(guān)系式，可以建立邏輯和控制系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型。

圖6 控制系統(tǒng)模型模塊化結(jié)構(gòu)圖Fig.6 Modular structrue diagram of control system models

在實(shí)際控制系統(tǒng)中，通常還具有對(duì)被控設(shè)備的自動(dòng)保護(hù)功能，這種保護(hù)功能的仿真同樣可以用邏輯關(guān)系式來進(jìn)行描述，例如當(dāng)某艦船處于通氣管航行工況時(shí)，如果柴油機(jī)轉(zhuǎn)速大于一定值且排氣外舌閥處于關(guān)閉狀態(tài)，邏輯控制系統(tǒng)可以在給定時(shí)間后對(duì)柴油機(jī)發(fā)出外部停車信號(hào)，使其逐漸減速停車，從而實(shí)現(xiàn)安全保護(hù)功能。這一邏輯關(guān)系可用下式表示(邏輯符號(hào)之間的圓點(diǎn)表示邏輯“與”):

各邏輯符號(hào)的意義為:“P1 =1”為發(fā)出外部停車信號(hào)， “P2 = 1”為艦船處于通氣管航行狀態(tài)，“P3 = 1”為柴油機(jī)轉(zhuǎn)速大于450 rpm，“P4 = 1”為排氣外舌閥關(guān)閉，“P5 = 1”為延時(shí)過程結(jié)束。

3 應(yīng)用實(shí)例及模型驗(yàn)證

以上述方法建立的模型為基礎(chǔ)，對(duì)某型艦船動(dòng)力系統(tǒng)主要模塊進(jìn)行模塊劃分，得到其主要模塊結(jié)構(gòu)圖如圖7 示。

圖7 某艦船動(dòng)力系統(tǒng)主要模塊結(jié)構(gòu)圖Fig.7 Structure of main modules of the warship's power system

本文的仿真對(duì)象主要分為柴油發(fā)電機(jī)系統(tǒng)、電力推進(jìn)系統(tǒng)及輔助系統(tǒng)等，主要考慮動(dòng)力系統(tǒng)的2種典型工況:航行工況(包括水面航行、通氣管航行以及水下航行工況)和充電工況。航行工況仿真需綜合艇體、螺旋槳、推進(jìn)電機(jī)、蓄電池放電和輔機(jī)耗電等幾部分模型，各種不同航行工況下需設(shè)定不同的參數(shù)，例如艇體附水系數(shù)、阻力系數(shù)等。而充電工況的仿真則還需柴油發(fā)電機(jī)系統(tǒng)的模型參與運(yùn)算。

為了驗(yàn)證仿真模型的正確性和精確度，通過試驗(yàn)對(duì)該動(dòng)力系統(tǒng)主要設(shè)備模塊的運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行了實(shí)際測(cè)量，同時(shí)，對(duì)艦船航行過程中螺旋槳轉(zhuǎn)速、航速等參數(shù)進(jìn)行記錄，將仿真研究結(jié)果與之進(jìn)行對(duì)比。例如，圖8和圖9 分別是電機(jī)轉(zhuǎn)速和電樞電流隨時(shí)間的變化曲線。圖中的參數(shù)值均已作無量綱化處理。仿真結(jié)果經(jīng)與實(shí)測(cè)值比較，能較好地吻合，其動(dòng)態(tài)仿真過程與實(shí)測(cè)值較為相符，轉(zhuǎn)速、電樞電流、轉(zhuǎn)矩等參數(shù)的穩(wěn)態(tài)值與實(shí)測(cè)值的誤差在5%之內(nèi)。結(jié)果表明，以此方法建立的動(dòng)力系統(tǒng)模型很好地滿足了精度需求，比較精確地反映了系統(tǒng)的動(dòng)穩(wěn)態(tài)特性。

圖8 電機(jī)轉(zhuǎn)速隨時(shí)間的變化Fig.8 Curves of motor speed versus time

圖9 電機(jī)電樞電流隨時(shí)間的變化Fig.9 Curves of motor armature current versus time

4 結(jié) 語

本文首先對(duì)模塊化建模方法進(jìn)行了研究，針對(duì)某型艦船動(dòng)力系統(tǒng)的特殊性，研究了模塊的分類、模塊的分解處理等動(dòng)力系統(tǒng)模塊化建模方法;在此基礎(chǔ)上，完成了艦船動(dòng)力系統(tǒng)的模塊庫的建立，包括柴油機(jī)系統(tǒng)模塊、發(fā)電機(jī)模塊、推進(jìn)電機(jī)模塊、螺旋槳艇體模塊、蓄電池模塊、輔助機(jī)械模塊、邏輯和控制系統(tǒng)模塊等，克服了傳統(tǒng)建模方法得到的模型可移植性與獨(dú)立性較差的缺點(diǎn)，提高了模型的可重用性。

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