基于VeriStand的硬件在環(huán)核電應(yīng)急柴油機(jī)仿真系統(tǒng)設(shè)計(jì)

張杰 吳蘇敏

摘要：考慮核電應(yīng)急柴油發(fā)電機(jī)組設(shè)備安全及經(jīng)濟(jì)性，對(duì)電子控制系統(tǒng)控制策略的驗(yàn)證需借助應(yīng)急柴油機(jī)實(shí)時(shí)仿真模型來(lái)進(jìn)行。提出了一種基于VeriStand的硬件在環(huán)核電應(yīng)急柴油機(jī)仿真系統(tǒng)，對(duì)應(yīng)急柴油機(jī)實(shí)時(shí)仿真模型進(jìn)行功能測(cè)試，以確定電子控制系統(tǒng)的控制功能。

關(guān)鍵詞：應(yīng)急柴油機(jī);仿真系統(tǒng);硬件在環(huán);驗(yàn)證;控制策略;電子控制系統(tǒng)

中圖分類(lèi)號(hào)：TM623.9? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)：1674-957X（2021）15-0097-02

0? 引言

核電應(yīng)急柴油機(jī)在緊急情況下被電子控制系統(tǒng)（電子控制系統(tǒng)）控制起動(dòng);向核電站核安全系統(tǒng)提供應(yīng)急電源，保證反應(yīng)堆安全停堆。電子控制系統(tǒng)控制策略的優(yōu)良決定了應(yīng)急柴油機(jī)運(yùn)行的正常與否。

硬件在環(huán)技術(shù)實(shí)現(xiàn)了對(duì)電子控制系統(tǒng)控制策略的驗(yàn)證，同時(shí)V模式的驗(yàn)證方案縮短了驗(yàn)證周期。故本文基于VeriStand硬件在環(huán)平臺(tái)，提出了一種有效的硬件在環(huán)核電應(yīng)急柴油機(jī)仿真系統(tǒng)。系統(tǒng)包括電子控制系統(tǒng)、執(zhí)行器、應(yīng)急柴油機(jī)實(shí)時(shí)仿真模型、VeriStand硬件在環(huán)平臺(tái)（NI控制器及板卡、柴油機(jī)模型顯示控制界面）。首先對(duì)電子控制系統(tǒng)及執(zhí)行器硬件在環(huán)技術(shù)進(jìn)行原理闡釋;其次針對(duì)采用的VeriStand硬件在環(huán)平臺(tái)，具體說(shuō)明柴油機(jī)模型的構(gòu)建方法以及其與電子控制系統(tǒng)及執(zhí)行器通信的原理;最后對(duì)所設(shè)計(jì)的硬件在環(huán)系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，證明了該設(shè)計(jì)的可行性。

1? 仿真系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案

仿真系統(tǒng)采用NI公司的VeriStand硬件在環(huán)平臺(tái)，該平臺(tái)包括PXI系列控制器及板卡、自行設(shè)計(jì)的柴油機(jī)模型顯示控制界面。將實(shí)時(shí)柴油機(jī)模型編譯進(jìn)控制器，并且通過(guò)板卡I/O接口實(shí)現(xiàn)模型與電子控制系統(tǒng)及執(zhí)行器的通信，可以快速完成硬件在環(huán)仿真系統(tǒng)的搭建及后續(xù)仿真功能。

2? 應(yīng)急柴油機(jī)實(shí)時(shí)仿真模型的搭建

柴油機(jī)模型的搭建基于MATLAB/Simulink平臺(tái)，包括燃油系統(tǒng)子模型、進(jìn)排氣系統(tǒng)子模型、氣缸系統(tǒng)子模型、動(dòng)力學(xué)系統(tǒng)子模型、虛擬控制系統(tǒng)子模型、I/O接口子模型、故障注入子模型。

燃油系統(tǒng)子模型通過(guò)供油量、齒條位置及噴油特性等數(shù)據(jù)。供油量q與齒條位移l及柴油機(jī)轉(zhuǎn)速n及系數(shù)k、k0、k1的關(guān)系為：

進(jìn)排氣系統(tǒng)子模型計(jì)算平均有效扭矩、提供進(jìn)排氣系統(tǒng)狀態(tài);包括進(jìn)氣管、中冷器、五組渦輪增壓器、排氣管等部分;

中冷器出口溫度TO與進(jìn)口溫度TI的關(guān)系：

式中，ε為中冷器冷卻系數(shù)，一般取0.7-0.9;TW為冷卻水溫328K。

壓氣機(jī)的計(jì)算通過(guò)查找相應(yīng)的增壓器特性曲線MAP來(lái)計(jì)算，根據(jù)轉(zhuǎn)速和壓比計(jì)算壓氣機(jī)的效率和質(zhì)量流量，依據(jù)以下公式計(jì)算：

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

氣缸子系統(tǒng)模型通過(guò)熱力學(xué)公式及MAP模擬柴油機(jī)運(yùn)行過(guò)程中缸內(nèi)的進(jìn)氣、壓縮、做功、排氣過(guò)程。

動(dòng)力學(xué)系統(tǒng)子模型實(shí)現(xiàn)柴油機(jī)轉(zhuǎn)速的計(jì)算和負(fù)載擾動(dòng)的影響。其中指示扭矩計(jì)算公式為：

其中HLHV為燃料的低熱值，ηi為熱效率，通過(guò)空燃比MAP獲取。

虛擬控制系統(tǒng)子模型用于在模型在環(huán)狀態(tài)下實(shí)現(xiàn)模型自身的閉環(huán)計(jì)算及運(yùn)行。

I/O接口子模型實(shí)現(xiàn)了柴油機(jī)模型運(yùn)行所需的執(zhí)行器位移、齒條位移、起動(dòng)空氣壓力等數(shù)據(jù)的輸入以及柴油機(jī)轉(zhuǎn)速、各渦輪增壓器轉(zhuǎn)速、執(zhí)行器位移等實(shí)時(shí)運(yùn)行數(shù)據(jù)的輸出。

故障注入子模型提供了柴油機(jī)運(yùn)行過(guò)程中典型的故障，實(shí)現(xiàn)單一故障或多故障的注入柴油機(jī)模型，有助于檢驗(yàn)電子控制系統(tǒng)的控制策略。

3? VeriStand硬件在環(huán)平臺(tái)設(shè)計(jì)

VeriStand為NI公司推出的專(zhuān)用與硬件在環(huán)仿真系統(tǒng)的軟件。VeriStand硬件在環(huán)平臺(tái)包括NI控制器及板卡、柴油機(jī)模型顯示控制界面兩部分。柴油機(jī)模型被編譯在NI控制器中。借助VeriStand硬件在環(huán)平臺(tái)可實(shí)現(xiàn)了柴油機(jī)模型與電子控制系統(tǒng)及執(zhí)行器的實(shí)時(shí)信號(hào)傳遞;實(shí)現(xiàn)柴油機(jī)模型運(yùn)行情況的實(shí)時(shí)監(jiān)控。

3.1 NI控制器及板卡

NI控制器PXI系列的控制器及板卡是高效的模塊化實(shí)時(shí)模型運(yùn)行、信號(hào)轉(zhuǎn)換及輸入輸出設(shè)備。通過(guò)該NI控制器及板卡，利用VeriStand軟件進(jìn)行板卡的I/O接口與柴油機(jī)模型中的I/O接口子模型的信號(hào)配置后，可將柴油機(jī)模型運(yùn)行中的轉(zhuǎn)速、執(zhí)行器位移等信號(hào)輸入電子控制系統(tǒng)，將電子控制系統(tǒng)控制后的齒條位移信號(hào)輸入模型。該NI控制器通過(guò)以太網(wǎng)與PC上位機(jī)進(jìn)行連接。

3.2 柴油機(jī)模型顯示控制界面

利用VeriStand軟件進(jìn)行柴油機(jī)顯示控制界面的搭建，界面包括柴油機(jī)起停、加減載、轉(zhuǎn)速實(shí)時(shí)顯示等功能。故通過(guò)該顯示控制界面能夠直觀判斷電子控制系統(tǒng)控制策略有效與否。

4? 仿真系統(tǒng)測(cè)試實(shí)驗(yàn)及結(jié)果分析

仿真系統(tǒng)測(cè)試試驗(yàn)控制功能包括在電子控制系統(tǒng)的控制下仿真模型的起動(dòng)、加減載、渦輪增壓器切入切出。

4.1 仿真模型起動(dòng)驗(yàn)證

仿真模型初始轉(zhuǎn)速為0，空氣壓縮機(jī)給予模型起動(dòng)扭矩，將轉(zhuǎn)速升至給定轉(zhuǎn)速而空氣壓縮機(jī)投出，噴油開(kāi)始，并進(jìn)行轉(zhuǎn)速開(kāi)環(huán)控制，至轉(zhuǎn)速升至600r/min后轉(zhuǎn)為電子控制系統(tǒng)閉環(huán)控制，電子控制系統(tǒng)控制轉(zhuǎn)速保持在600r/min。在仿真模型起動(dòng)驗(yàn)證中，轉(zhuǎn)速響應(yīng)曲線如圖1所示。

驗(yàn)證結(jié)果表明，本仿真系統(tǒng)足以滿足應(yīng)急柴油機(jī)硬件在環(huán)起動(dòng)性能的需求，仿真模型響應(yīng)迅速，穩(wěn)定性好。

4.2 仿真模型加減載驗(yàn)證

仿真模型的額定空載狀態(tài)下的轉(zhuǎn)速為1560r/min。加載驗(yàn)證時(shí)轉(zhuǎn)速由0增至額定轉(zhuǎn)速，增加負(fù)載至3000Nm，轉(zhuǎn)速出現(xiàn)變動(dòng)如圖2所示。

減載驗(yàn)證時(shí)，初始負(fù)載為3000Nm，轉(zhuǎn)速為1540r/min，在將負(fù)載降至0，得到轉(zhuǎn)速響應(yīng)曲線，如圖3所示。

驗(yàn)證結(jié)果表明，當(dāng)負(fù)載突變時(shí)，內(nèi)齒條位移能在電子控制系統(tǒng)控制下重歸穩(wěn)定，轉(zhuǎn)速有小范圍波動(dòng)，但恢復(fù)為突變前轉(zhuǎn)速所需時(shí)間很短。本仿真以滿足應(yīng)急柴油機(jī)硬件在環(huán)加減載性能的需求，且調(diào)速性能良好。

4.3 仿真模型渦輪增壓器切入切出驗(yàn)證

仿真模型在初始轉(zhuǎn)速時(shí)開(kāi)始驗(yàn)證，此時(shí)增壓器切入曲線如圖4。

驗(yàn)證結(jié)果表明，仿真模型由轉(zhuǎn)速為0，到轉(zhuǎn)速上升的初期，因被空氣壓縮機(jī)帶動(dòng)，故噴油器未工作，增壓器轉(zhuǎn)速為0;當(dāng)轉(zhuǎn)速大于給定值后，齒條動(dòng)作，開(kāi)始噴油，增壓器A1/A2轉(zhuǎn)速上升，當(dāng)A1/A2轉(zhuǎn)速達(dá)到37000r/min時(shí)，增壓器B1切入，B1轉(zhuǎn)速由0開(kāi)始迅速升高，達(dá)到3800r/min時(shí)，增壓器B2切入，B2轉(zhuǎn)速超過(guò)41000r/min時(shí)，B3切入，此時(shí)5組增壓器全部切入，且轉(zhuǎn)速最后均穩(wěn)定在39000r/min左右。

5? 結(jié)語(yǔ)

本文提出基于VeriStand的硬件在環(huán)核電應(yīng)急柴油機(jī)仿真系統(tǒng)，首先從系統(tǒng)設(shè)計(jì)的角度闡釋電子控制系統(tǒng)及執(zhí)行器硬件在環(huán)技術(shù)原理;后續(xù)闡明了核電應(yīng)急柴油機(jī)實(shí)時(shí)模型的搭建原理、編譯方法，以及其與電子控制系統(tǒng)及執(zhí)行器通信的原理方法;提出了VeriStand硬件在環(huán)平臺(tái)的設(shè)計(jì)方法;利用所設(shè)計(jì)的硬件在環(huán)系統(tǒng)開(kāi)展控制功能及故障注入功能驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)，證明了該設(shè)計(jì)的可行性。

基于VeriStand硬件在環(huán)平臺(tái)，通過(guò)集成NI控制器及板卡、利用VeriStand軟件等，快速完成了本硬件在環(huán)仿真系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，降低開(kāi)發(fā)成本、提高經(jīng)濟(jì)性;利用本仿真系統(tǒng)能完成對(duì)電子控制系統(tǒng)控制策略的驗(yàn)證;實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明本仿真系統(tǒng)中自行搭建的柴油機(jī)模型保證了實(shí)時(shí)性與精度要求，模擬了實(shí)際柴油機(jī)的工作性能，足應(yīng)用于本仿真系統(tǒng)完成對(duì)電子控制系統(tǒng)控制策略的驗(yàn)證。

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