柴—柴雙機并車半實物仿真臺設(shè)計與實現(xiàn)

祝成成 郭晶 許林 唐少華 中國船舶集團(tuán)有限公司第七一一研究所

1.引言

柴—柴聯(lián)合推進(jìn)裝置被廣泛應(yīng)用于中小型船舶。柴—柴聯(lián)合推進(jìn)裝置主要采用四機雙槳或雙機單槳兩種方式。這兩種方式下，柴—柴聯(lián)合推進(jìn)裝置在并聯(lián)運行中都需要保證負(fù)荷在多機間的合理分配，而且在并車、解列過程中要保證負(fù)荷的平穩(wěn)轉(zhuǎn)移。因此，柴—柴聯(lián)合推進(jìn)裝置對控制器要求較高。

柴—柴聯(lián)合推進(jìn)裝置及其控制系統(tǒng)比較復(fù)雜，難以用常規(guī)分析方法獲取其動態(tài)特性，直接進(jìn)行臺架試驗或海上試驗風(fēng)險大、周期長、成本高。因此，采用計算機仿真技術(shù)模擬柴—柴聯(lián)合推進(jìn)裝置及雙機并車控制，使推進(jìn)系統(tǒng)及控制模型更貼近實際操作和運行工況，可以最大限度地降低試驗風(fēng)險和培訓(xùn)成本。所以開展動態(tài)工作特性仿真研究是十分必要的。

目前，柴油機雙機并車仿真研究主要采用非實時仿真，基于Matlab軟件實現(xiàn)，不能脫離Matlab 軟件環(huán)境運行。本文根據(jù)模塊化思想對柴—柴動力裝置進(jìn)行系統(tǒng)建模，同時在中間環(huán)節(jié)增加I/O接口模塊實現(xiàn)與雙機并車控制器進(jìn)行數(shù)據(jù)實時交互，搭建半實物的柴—柴雙機并車推進(jìn)裝置及其控制系統(tǒng)仿真臺，用于研究雙機的并車、解列及負(fù)荷分配過程。進(jìn)行基于動態(tài)工作特性分析，給出不同控制方法下的動態(tài)并車結(jié)果，驗證雙機并車控制策略的有效性。

2.仿真平臺的總體架構(gòu)

仿真平臺的研究對象為船用中速柴油機雙機并車推進(jìn)系統(tǒng)，主要包括：兩臺柴油機及其調(diào)速器，兩臺液力耦合器；一臺并車齒輪箱，負(fù)載，并車控制器及其接口。其總體架構(gòu)主要組成如圖1所示。

圖1 仿真對象的組成

圖1中所示的仿真對象中，除并車控制器及其接口、顯示儀表外，全部采用軟件實現(xiàn)。仿真臺主要組成如圖2所示，由工控機、I/O數(shù)據(jù)采集卡、顯示儀表和并車控制器等部分組成。工控機運行仿真軟件，與并車控制器之間通過I/O數(shù)據(jù)采集卡實現(xiàn)數(shù)據(jù)交互。仿真對象各部分模型及求解算法軟件運行于工控機上，提供系統(tǒng)操作、參數(shù)設(shè)置和顯示界面。

圖2 仿真平臺的組成

3.雙機并車仿真模型

3.1 柴油機仿真

仿真臺中的柴油機模型為16PA6V-280STC中速柴油機，該柴油機仿真采用常用的平均值模型，將柴油機整體劃分為幾個相對獨立的單元，如圖3所示。

圖3 平均值模型的原理

掃氣箱和排煙管內(nèi)可看作開口容器，空氣或廢氣以一定的溫度、壓力流進(jìn)或流出容器。根據(jù)理想氣體狀態(tài)方程，容器內(nèi)的壓力可表示為：

柴油機排煙溫度是決定增壓器工作狀態(tài)的重要因素，采用熱力學(xué)第一定律將排溫簡化為過量空氣系數(shù)的函數(shù)：

根據(jù)牛頓第二運動定律可得柴油機轉(zhuǎn)速的計算模型：

式中：T為耦合器的扭矩；τ為燃油噴入氣缸到產(chǎn)生扭矩的延時；J為柴油機運動部件的平均轉(zhuǎn)動慣量；J為折算到耦合器泵輪上的轉(zhuǎn)動慣量；T為耦合器泵輪扭矩。

渦輪增壓器分為兩個部件，即壓氣機和渦輪，兩者之間通過轉(zhuǎn)子完成能量傳遞。渦輪模型采用特性圖查表法實現(xiàn)，壓氣機則通過熱力學(xué)模型實現(xiàn)。空氣冷卻器效率較高，可簡化為節(jié)流降壓降溫環(huán)節(jié)。

3.2 調(diào)速系統(tǒng)仿真

柴油機調(diào)速器采用如下式所示的增量式數(shù)字PID控制器：

式中，Δu（k）為第k步控制器輸出；K為比例系數(shù)；T為采用周期；T為積分時間；T為微分時間；e（k）為第k步誤差；e（k—1）為第（k—1）步誤差；e（k—2）為第（k—2）步誤差。

為實現(xiàn)雙機并聯(lián)運行，在增量式數(shù)字PID基礎(chǔ)上疊加速度降環(huán)節(jié)，保證雙機在不同轉(zhuǎn)速下負(fù)荷的均勻分配。速度降環(huán)節(jié)通過修正轉(zhuǎn)速測量值實現(xiàn)，其原理是將調(diào)速器輸出信號占輸出范圍的比例乘上設(shè)置的速度降所得的計算值作為修正量，用該修正量對轉(zhuǎn)速實際測量值進(jìn)行修正，將修正后的轉(zhuǎn)速作為調(diào)速器的測量轉(zhuǎn)速輸入值，如下式所示：

式中：n為經(jīng)速度降環(huán)節(jié)修正后的轉(zhuǎn)速測量值；n為轉(zhuǎn)速測量值；u為控制器輸出值；u為控制器輸出最大值；u為控制器輸出最小值；sp為速度降，船用柴油機一般在0.03～0.05之間。

為進(jìn)一步手動調(diào)節(jié)兩臺柴油機的負(fù)荷分配，增加設(shè)定轉(zhuǎn)速的微調(diào)環(huán)節(jié)。在仿真模型中，采樣時間和微調(diào)量都可以人為設(shè)定，便于驗證調(diào)速器的性能。

執(zhí)行機構(gòu)簡化為一個慣性環(huán)節(jié)，其增益、死區(qū)和時間常數(shù)等參數(shù)可調(diào)。同時在輸出環(huán)節(jié)增加一個周期、幅值可調(diào)的周期性擾動和階躍性擾動，模擬信號受干擾的情況。

3.3 液力耦合器

液力耦合器的過渡過程采用準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)方法計算，即認(rèn)為各個瞬時為穩(wěn)定狀態(tài)，通過無量綱的特性圖，獲取液力耦合器的扭矩系數(shù)與轉(zhuǎn)速比及充液量的函數(shù)關(guān)系，進(jìn)而計算可得耦合器泵輪扭矩的計算公式：

式中，λ為扭矩系數(shù)，是轉(zhuǎn)速比和充液量的函數(shù)，通過查詢特性圖獲得。泵輪扭矩也是柴油機的負(fù)載扭矩，泵輪轉(zhuǎn)速為柴油機轉(zhuǎn)速。

扭矩系數(shù)與耦合器的充液量密切相關(guān)，而耦合器的充放液過程可看做一個慣性環(huán)節(jié)，通過設(shè)置時間常數(shù)，調(diào)整充放液速度。

齒輪箱的輸出轉(zhuǎn)速和負(fù)載轉(zhuǎn)速相同，可用下式計算：

式中，n為齒輪箱輸出轉(zhuǎn)速，也是負(fù)載轉(zhuǎn)速；T為齒輪箱輸出扭矩，通過兩臺耦合器輸入扭矩的之和再乘上機械效率和減速比得到；T為負(fù)載扭矩，可以是螺旋槳負(fù)載或其他負(fù)載；I為負(fù)載轉(zhuǎn)動慣量；I為齒輪箱轉(zhuǎn)動慣量。

3.4 負(fù)載

本模型仿真了兩種負(fù)載：一種為可調(diào)螺距螺旋槳負(fù)載，另一種為固定負(fù)載，兩種負(fù)載之間可以切換。

（1）螺旋槳負(fù)載。在船舶運動過程中，螺旋槳與船舶運動匹配可分為四種工作狀態(tài)：船舶前進(jìn)螺旋槳正轉(zhuǎn)、船舶前進(jìn)螺旋槳反轉(zhuǎn)、船舶后退螺旋槳反轉(zhuǎn)、船舶后退螺旋槳正轉(zhuǎn)。描述螺旋槳四象限運動可以采用有界形式的進(jìn)速比作為自變量求取扭矩系數(shù)和推力系數(shù)。

有界形式的進(jìn)速比定義為：

式中：λ為有界形式的進(jìn)速系數(shù)；w為伴流系數(shù)；v為船舶航速；D為螺旋槳直徑；n為槳轉(zhuǎn)速，通過耦合器和減速齒輪箱與主機曲軸連接，n與n之間的換算關(guān)系通過傳動比得到。

式中：K'為有界形式的扭矩系數(shù)；t為推力減額份數(shù)。

仿真計算前，將螺旋槳扭矩系數(shù)曲線簇根據(jù)扭矩的不同，采用Chebyshev多項式擬合為一簇函數(shù)；在仿真計算時利用擬合多項式，根據(jù)實際螺距和進(jìn)程比通過插值法得到實際的扭矩系數(shù)。

（2）固定負(fù)載。固定負(fù)載是指在轉(zhuǎn)速變化時，額定功率不變的負(fù)載?？梢愿鶕?jù)負(fù)載的額定功率，設(shè)置負(fù)荷的百分比，構(gòu)成一個固定負(fù)荷的負(fù)載。

加載到耦合器輸出端的扭矩為：

式中：p為負(fù)載比例；P為額定功率（kW）；n為設(shè)定轉(zhuǎn)速（rpm）。

3.5 模塊化建模與仿真算法

柴—柴雙機并車推進(jìn)系統(tǒng)中設(shè)備眾多，考慮到可擴展性，采用模塊化建模方法，將各個設(shè)備建模為相對獨立的模塊，然后再組合成整體模型。各模塊的仿真模型都采用微分方程（組）的形式描述，本文采用4階龍格—庫塔法求解。一般仿真計算中，多是將各模塊組合成一個整體的微分方程組，如果需要擴展，則在方程組中添加新的方程。這種方法對程序設(shè)計要求較低，但不利于實現(xiàn)模塊化。本文采用分塊矩陣描述的數(shù)值解法，將整體模型分解為由多個微分方程（組）表示的分塊模型，每個微分方程組塊表示一個設(shè)備模型。模塊化形式的4階龍格—庫塔法計算公式如下：

式中，x表示第n個模塊的方程組；t 為當(dāng)前仿真時間，h為仿真步長。

在半實物仿真中，需要仿真軟件和數(shù)據(jù)采集硬件的匹配。仿真軟件中求解微分方程所需要的計算步長較小，而數(shù)據(jù)采集硬件的采樣周期相對較長。為使兩者匹配，仿真算法采用了“偽實時”算法，既：硬件按設(shè)定的采樣周期讀取數(shù)據(jù)，將采集到的數(shù)據(jù)賦值給仿真模型，并在采樣周期內(nèi)保持不變；仿真算法按照同樣的周期啟動，按照設(shè)定的計算步長向前計算，當(dāng)計算時間達(dá)到采樣周期前進(jìn)的時間時，本次計算完成，將結(jié)果輸出到數(shù)據(jù)采集硬件；然后等待下一次采樣周期到來，開始新的計算。

4.仿真與結(jié)果分析

4.1 操作界面及功能

仿真計算軟件基于Visua l Studio 2015開發(fā)平臺，采用C#語言編寫。雙機并車操作與顯示主界面如圖4所示。主界面中的PCI通信測試按鈕用于打開硬件通信測試界面，可以配置和測試系統(tǒng)所有數(shù)據(jù)采集通道。仿真臺有純軟件運行和硬件在環(huán)仿真兩種模式，在軟件啟動時，通過讀取配置文件設(shè)定。硬件在環(huán)模式下，需要連接并車控制器，設(shè)置兩臺柴油機的轉(zhuǎn)速實現(xiàn)負(fù)荷分配；在純軟件模式下，全部功能通過軟件實現(xiàn)，可以直接在軟件界面上設(shè)定轉(zhuǎn)速。

圖4 仿真模型主界面

除完成雙機并車模型的計算外，軟件還具有如下功能：并車控制參數(shù)的設(shè)置；負(fù)荷特性和推進(jìn)特性模式切換；負(fù)荷特性下，手動設(shè)置負(fù)荷和自動設(shè)置負(fù)荷；推進(jìn)特性下，手動設(shè)置螺距和自動設(shè)置螺距；并車控制的接排和脫排控制；轉(zhuǎn)速、功率的儀表和曲線顯示；充油和排油過程的指示燈和進(jìn)度條顯示；仿真數(shù)據(jù)保存。

4.2 功能測試

仿真臺的主要功能是完成雙機并車和負(fù)荷分配任務(wù)，同時可觀察推進(jìn)系統(tǒng)性能。為此，進(jìn)行了以下仿真測試：單機接脫排、雙機并車與解列、負(fù)荷突增突減、負(fù)載設(shè)定、增加干擾等。

（1）單機接脫排仿真測試。測試開始時，1#柴油機在設(shè)定轉(zhuǎn)速為1050轉(zhuǎn)/分、未接排，負(fù)載設(shè)為30%額定負(fù)載。約在85秒左右，1#機啟動接排，約在128秒左右耦合器充液到開始傳遞扭矩。在171秒左右加負(fù)荷至額定值的100%，在221秒左右突減負(fù)荷到30%，穩(wěn)定后脫排。整個過程中穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)速隨負(fù)荷而變化，這是因為穩(wěn)態(tài)調(diào)速率為3%，負(fù)荷越大，速度降越明顯。2#機也進(jìn)行了類似測試，結(jié)果與1#機一致。單機接脫排測試結(jié)果顯示兩臺主機均可以正常完成接脫排試驗，參數(shù)曲線與試驗曲線吻合；耦合器接脫排時間與試驗結(jié)果一致。如圖5所示。

圖5 單機接脫排和負(fù)荷加減試驗

（2）雙機并車與解列仿真測試。測試開始時，1#和2#柴油機設(shè)定轉(zhuǎn)速都為1050 轉(zhuǎn)、速度降為3%。測試中首先將2#機接排，接排時功率為30%額定功率。2#機接排后其轉(zhuǎn)速低于1#機。轉(zhuǎn)速穩(wěn)定后，將1#機接排。1#機耦合器開始傳遞功率時，2#機輸出功率開始下降，1#機開始輸出功率。隨著兩機轉(zhuǎn)速趨同，功率也均勻分配。約在605 秒時將負(fù)載功率增加到15 0%的單機額定功率，兩機轉(zhuǎn)速和功率的動態(tài)過程變化一致，穩(wěn)定值相同，說明在變負(fù)荷情況下，可以保持雙機功率均勻分配。在650秒左右，將負(fù)荷降至單機功率的80%，雙機變化一致。然后將2#機脫排，約在710左右，2#機的功率開始逐漸轉(zhuǎn)移至1#機。2#機脫排穩(wěn)態(tài)后，2#機轉(zhuǎn)速高于1#機。在測試中，兩臺主機中任一臺都可以作為運行機組，另一臺在各種轉(zhuǎn)速和負(fù)荷下都可實現(xiàn)并車運行、負(fù)荷轉(zhuǎn)移、解列操作。如圖6所示。

圖6 雙機并車、解列及負(fù)荷加減試驗

（3）雙機轉(zhuǎn)速微調(diào)后的負(fù)荷分配仿真測試。在1#機合排情況下，讓2#機并車接排，穩(wěn)定后將負(fù)載功率加到單機功率的150%。通過轉(zhuǎn)速微調(diào)按鈕先將1#機設(shè)定轉(zhuǎn)速增加3.0625r/min，穩(wěn)定運行一段時間后，將其降至—1.3125。觀察兩機的轉(zhuǎn)速和功率，可以發(fā)現(xiàn)當(dāng)1#機組轉(zhuǎn)速增加時，其承擔(dān)的負(fù)荷增加；而轉(zhuǎn)速降低時，輸出功率也降低。如圖7所示。

圖7 雙機轉(zhuǎn)速微調(diào)后的負(fù)荷分配試驗

在實際操作中，還進(jìn)行了其他多種仿真測試，仿真平臺正確復(fù)現(xiàn)了柴油機、耦合器、負(fù)載和調(diào)速及功率分配系統(tǒng)的性能，數(shù)據(jù)吻合度較好。程序可以長時間穩(wěn)定運行，重復(fù)進(jìn)行各種操作。

測試結(jié)果表明，本文模型與實際運行過程的擬合程度較高，可以實時地模擬雙機并車動態(tài)過程，可以協(xié)助完成相關(guān)雙機并車控制的基礎(chǔ)研究，具有一定的使用價值。

5.結(jié)論

基于C#語言和數(shù)據(jù)I/O 采集卡，設(shè)計并實現(xiàn)了柴—柴雙機并車推進(jìn)系統(tǒng)的半實物仿真臺。該仿真臺采用模塊化建模和仿真算法，具有較好的擴展性。在仿真臺中各柴油機均可進(jìn)行單獨接脫排及調(diào)速控制，單獨驅(qū)動螺旋槳運行；也可實現(xiàn)雙機在柴油機允許的任意轉(zhuǎn)速、負(fù)荷狀態(tài)下進(jìn)行并車、解列、負(fù)荷突加及突減、螺距突加及突減、負(fù)載扭矩的突加突減等各種操作，具有單機或并車模式下的負(fù)荷特性及推進(jìn)特性的仿真試驗功能。該仿真臺操作簡單，使用方便，具有推廣應(yīng)用的價值。