基于dSPACE的核電柴油機調(diào)速系統(tǒng)硬件在環(huán)仿真研究

薛勝峰 譚旭東 周立平 王海寶

摘 要：根據(jù)MTU956核電柴油機利用Simulink建立了對應(yīng)的增壓柴油機平均值模型，利用dSPACE搭建了電控系統(tǒng)硬件在環(huán)仿真試驗平臺。利用硬件在環(huán)仿真試驗平臺主要進行了起動功能、調(diào)速功能、相繼渦輪增壓切換過程的驗證。試驗結(jié)果表明，該仿真試驗平臺在滿足實時性的前提下具有較高的精度，可靠性高，靈活方便，能有效地提高開發(fā)效率。

關(guān)鍵詞：核電柴油機;電控系統(tǒng);硬件在環(huán)

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2019.18.160

0 引言

調(diào)速器對于柴油機就相當于是人的大腦，對于柴油機有著十分重要的作用。其原理是當柴油機負荷變化時，調(diào)速器根據(jù)對應(yīng)的控制策略自動的加大或者減小油門，從而使柴油機轉(zhuǎn)速達到目標值[1]。由于柴油機的工作條件十分惡劣，存在許多極限以及危險的工況，對于人身安全存在許多隱患，因此硬件在環(huán)仿真測試技術(shù)對于控制系統(tǒng)的開發(fā)十分重要。本文以MTU956核電柴油機為研究對象，利用dSPACE硬件與Simulink軟件搭建了電子調(diào)速系統(tǒng)硬件在環(huán)仿真試驗平臺，為調(diào)速系統(tǒng)功能的正確性和有效性驗證提供了良好的環(huán)境。

1 柴油機實時仿真模型結(jié)構(gòu)原理

根據(jù)質(zhì)量守恒、能量守恒和氣體狀態(tài)方程等熱力學公式搭建了柴油機平均值模型，并結(jié)合經(jīng)驗公式和實驗數(shù)據(jù)標定使發(fā)動機各個工況下的性能仿真更加準確。本模型主要分為增壓柴油機模型，調(diào)速系統(tǒng)模型以及燃油系統(tǒng)模型等三大部分，其中增壓柴油機模型又包括渦輪增壓器，中冷器以及柴油機本體模型。[2]利用Simulink搭建完各個模塊之后，分析各個模塊輸入輸出之間的相互關(guān)系并連接，得到如圖1的增壓柴油機結(jié)構(gòu)圖。

1.1 渦輪增壓器模型

1.1.1 壓氣機模型

在用Simulink設(shè)計壓氣機模塊時，輸入的參數(shù)為增壓器的轉(zhuǎn)速和流量，輸出參數(shù)為壓氣機消耗的轉(zhuǎn)矩及出口壓力和溫度，它們分別由下式求得[4]：

式中R為氣體常數(shù)，k為氣體絕熱指數(shù)，T1為環(huán)境溫度，為大氣壓力。

1.1.2 渦輪模型

渦輪方法原理基本與壓氣機相同。

1.2 中冷器模型

為了提高柴油機增壓效果常采用中冷器。增壓空氣流經(jīng)中冷器后，產(chǎn)生壓力損失和溫度降，這種壓力損失和溫度降將隨著負荷的減小而減小。中冷器出口溫度T3與壓力P3由下式求得：

式中，為中冷器冷卻系數(shù)，一般取0.7-0.9，視中冷器實際情況而定。

增壓空氣通過中冷器的壓降△P是通過查表計算得到的，通過發(fā)動機轉(zhuǎn)速與負荷查找壓降。則中冷器出口壓力P3計算公式為：

1.3 柴油機本體模型

柴油機本體模型主要包括充氣效率，進入氣缸的氣體流量，指示熱效率，平均排氣溫度，指示轉(zhuǎn)矩和摩擦轉(zhuǎn)矩。

1.3.1 充氣效率

氣缸充氣效率為轉(zhuǎn)速n的函數(shù)，所以充氣效率由查找事先擬合的充氣效率-轉(zhuǎn)速曲線圖得到。

1.3.2 進入氣缸的氣體流量

氣體流量計算公式為：

式中，為充氣效率，V為發(fā)動機總排量（），n為發(fā)動機轉(zhuǎn)速。

1.3.3 指示熱效率

指示熱效率是發(fā)動機轉(zhuǎn)速和空燃比的函數(shù)。因此，通過事先做出轉(zhuǎn)速，空燃比，指示熱效率的MAP圖，即可根據(jù)轉(zhuǎn)速和空燃比查得對應(yīng)的指示熱效率。

1.3.4 平均排氣溫度

排氣溫度T4是體現(xiàn)增壓器性能的主要因素，主要由下式計算：

式中，為排氣溫度因子，為空氣流量，為燃氣流量。

本文將排氣溫度因子僅看作是空燃比的函數(shù)，將空燃比與排氣溫度因子做成MAP圖，通過空燃比查找得到對應(yīng)的排氣溫度因子，從而求得排氣溫度。

1.3.5 指示轉(zhuǎn)矩

指示轉(zhuǎn)矩Mi的計算公式為：

1.3.6 摩擦轉(zhuǎn)矩

本文將摩擦轉(zhuǎn)矩僅僅看作是轉(zhuǎn)速的函數(shù)，由下式求得：

1.4 燃油系統(tǒng)

燃油系統(tǒng)的燃油量主要隨柴油機轉(zhuǎn)速n與齒條位移x改變，其計算公式為：

1.5 調(diào)速系統(tǒng)

調(diào)速系統(tǒng)主要采用PID來控制柴油機轉(zhuǎn)速，它根據(jù)目標轉(zhuǎn)速和實際轉(zhuǎn)速偏差的比例（P），積分（I）和微分（D）進行控制。其原理是轉(zhuǎn)速偏差經(jīng)過PID的算法處理轉(zhuǎn)變?yōu)閳?zhí)行器的控制信號，并最終作用于燃油系統(tǒng)的齒條位移，實現(xiàn)噴油。

2 柴油機硬件在環(huán)試驗平臺的建立

柴油機電子調(diào)速系統(tǒng)硬件在環(huán)平臺主要由柴油機實時仿真模型、輸入輸出接口、控制器、執(zhí)行器等構(gòu)成。[3]圖3為柴油機硬件在環(huán)試驗平臺信號連接原理圖。

dSPACE實時系統(tǒng)具有高速計算能力，包括處理器和I/0接口等，而且可以方便的實現(xiàn)代碼生成、下載和試驗等工作。將Simulink建立的柴油機仿真模型下載到dSPACE上，通過dSPACE上的I/O模塊將柴油機輸出的數(shù)字信號轉(zhuǎn)變?yōu)榕c控制系統(tǒng)相對應(yīng)的模擬信號。利用dSPACE平臺來模擬柴油機的工作過程并進行相關(guān)數(shù)據(jù)的分析與處理，實現(xiàn)柴油機模型與實際控制器的無縫連接[5]。

其中發(fā)動機模型的轉(zhuǎn)速信號需要轉(zhuǎn)換成ECU可識別的固定占空比（0.5）的脈沖信號，轉(zhuǎn)換公式如下：

該柴油機調(diào)速系統(tǒng)硬件在環(huán)試驗平臺具有可以對實際情況進行模擬而不會產(chǎn)生危險，測試柴油機在極端條件下的性能，降低設(shè)備成本以及維護成本等諸多優(yōu)點，因此，對該柴油機調(diào)速系統(tǒng)硬件在環(huán)試驗平臺的研究具有重要的意義。

3 柴油機硬件在環(huán)仿真試驗

利用建立的柴油機調(diào)速系統(tǒng)硬件在環(huán)仿真試驗平臺，主要對起動過程、調(diào)速過程、相繼增壓過程切換等進行了仿真測試。

3.1 起動過程驗證

起動過程中，首先由電機拖動發(fā)動機至65r/min，此時執(zhí)行器動作，開始噴油，并保持執(zhí)行器位移為12mm，開環(huán)加速至500r/min，此時加入轉(zhuǎn)速閉環(huán)并加速至600r/min保持穩(wěn)定。起動過程的轉(zhuǎn)速曲線和齒條位移曲線如下圖4，圖5所示。結(jié)果表明，本文搭建的半物理仿真平臺能夠較好的模擬和驗證柴油機起動過程。起動測試內(nèi)容如表1所示。

由圖中轉(zhuǎn)速曲線可知，此柴油機仿真模型起動所需的時間大概在2s，符合柴油機的運行規(guī)律;與此同時，起動過程中的柴油機轉(zhuǎn)速超調(diào)量大概在50r/min，轉(zhuǎn)速波動的范圍在合理范圍之內(nèi)，與柴油機轉(zhuǎn)速對應(yīng)的齒條位移變化曲線符合柴油機的運行規(guī)律，因此本仿真過程驗證了柴油機的起動過程。

3.2 調(diào)速功能驗證

對于調(diào)速功能的驗證主要是對柴油機進行突加和突卸負荷，觀察柴油機響應(yīng)特性。在所建立的增壓柴油機仿真模型中搭建了負荷調(diào)節(jié)模塊，當柴油機穩(wěn)定在額定轉(zhuǎn)速1500r/min時，通過對仿真模型突加和突卸負載，得到柴油機轉(zhuǎn)速變化曲線以及齒條位移變化曲線，分別如圖6，圖7所示。

從圖中轉(zhuǎn)速曲線可以看出，柴油機穩(wěn)定在額定轉(zhuǎn)速1500r/min時，突然對柴油機施加負載，轉(zhuǎn)速迅速下降到1470r/min左右，又在很短的時間內(nèi)恢復到1500r/min，整個過程大概在1s左右;與此對應(yīng)的齒條位移為了使轉(zhuǎn)速穩(wěn)定在1500r/min，迅速上升，最終穩(wěn)定在13mm左右。然后突然對柴油機卸去負載，轉(zhuǎn)速迅速上升到1530r/min左右，又在很短的時間內(nèi)恢復到1500r/min，整個過程持續(xù)時間大概在1s左右;同時齒條位移迅速下降最終穩(wěn)定在6.5mm左右。整個突加突卸過程的轉(zhuǎn)速和齒條位移響應(yīng)速度快，符合柴油機的運行規(guī)律。

3.3 相繼增壓切換過程驗證

MTU956柴油機所帶的五組渦輪增壓器具體工作過程為：柴油機轉(zhuǎn)速達到300rpm時，A1/A2渦輪增壓器切入使用;當A1/A2的渦輪增壓器轉(zhuǎn)速到達39000rpm時，B1渦輪增壓器切入使用;當B1渦輪增壓器轉(zhuǎn)速達到39000rpm時，B2渦輪增壓器切入使用;當B2渦輪增壓器轉(zhuǎn)速達到41000rpm時，B3渦輪增壓器切入使用。通過柴油機硬件在環(huán)仿真平臺模擬上述渦輪增壓器工作過程，得到如圖所示渦輪增壓器轉(zhuǎn)速變化曲線。

由上述渦輪增壓器轉(zhuǎn)速曲線可知，增壓器A1、A2同時工作，因此轉(zhuǎn)速一致。當增壓器A1、A2轉(zhuǎn)速隨著工況增大到39000rpm時，增壓器B1開始切入，受B1切入的影響，增壓器A1、A2的轉(zhuǎn)速斜率降低，即上升速度降低，但依舊處于加速狀態(tài);當增壓器B1轉(zhuǎn)速達到39000rpm時，增壓器B2開始切入，受B2切入的影響，增壓器A1、A2、B1轉(zhuǎn)速斜率下降，A1、A2轉(zhuǎn)速基本保持平穩(wěn)，B1轉(zhuǎn)速上升速度降低;當增壓器B2轉(zhuǎn)速達到41000rpm時，增壓器B3切入，受B3切入影響，增壓器A1、A2、B1轉(zhuǎn)速由于達到極限而開始下降，增壓器B2依舊處于加速狀態(tài)，但轉(zhuǎn)速上升速度降低;最終由于每個增壓器所流經(jīng)的流量一致，轉(zhuǎn)速最終達到一致。整個渦輪增壓器切入到穩(wěn)定的過程持續(xù)10s左右且整個過程符合柴油機的工作規(guī)律。

結(jié)果表明，所建立的柴油機硬件在環(huán)試驗平臺能較好地模擬相繼增壓切換過程，驗證了系統(tǒng)的相繼增壓控制策略。

4 結(jié)論

根據(jù)核電柴油機調(diào)速系統(tǒng)測試需求，通過Simulink建立了柴油機實時仿真模型，利用dSPACE建立了完整的柴油機調(diào)速系統(tǒng)硬件在環(huán)測試平臺?；谠撈脚_，主要進行了柴油機起動過程、調(diào)速功能以及相繼增壓切換過程測試與驗證。實驗結(jié)果顯示：

（1）根據(jù)Simulink軟件建立的增壓柴油機實時仿真模型，兼顧了硬件在環(huán)測試的實時性以及精確度，為柴油機調(diào)速系統(tǒng)硬件在環(huán)試驗平臺的測試工作順利進行提供了必要的基礎(chǔ)。

（2）建立的硬件在環(huán)試驗平臺可以對實驗所不能完成的極端工況進行測試與驗證，避免了危險事故的產(chǎn)生。同時該測試平臺可以降低成本，具有十分可觀的經(jīng)濟性，因此該平臺的搭建十分有意義。

（3）本文所搭建的硬件在環(huán)試驗平臺通用性較好，可以對柴油機其它的控制功能進行測試與驗證。

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作者簡介：薛勝峰（1987-），男，四川西昌人，本科，工程師，從事電廠應(yīng)急柴油機及汽輪機儀控設(shè)備管理及維護。