某船對轉(zhuǎn)舵槳推進(jìn)系統(tǒng)緊急倒車過程仿真

常書平 史孝華 方先進(jìn) 陳福良

摘? ? 要：基于Matlab/Simulink平臺(tái)建立了某保障船推進(jìn)系統(tǒng)仿真模型，開展了緊急倒車過程仿真和機(jī)動(dòng)性分析。采用PI控制器設(shè)計(jì)機(jī)—槳聯(lián)合控制方法，對倒車過程中對轉(zhuǎn)舵槳的轉(zhuǎn)向和柴油機(jī)的轉(zhuǎn)速進(jìn)行調(diào)控，得到柴油機(jī)的臨界轉(zhuǎn)速，此時(shí)對轉(zhuǎn)舵槳的轉(zhuǎn)向快慢將不會(huì)造成柴油機(jī)超負(fù)荷現(xiàn)象；針對全速航行條件下的緊急倒車過程，提出了對轉(zhuǎn)舵槳轉(zhuǎn)向時(shí)間與柴油機(jī)減速時(shí)間匹配圖譜。所得結(jié)論對于制定船舶緊急倒車工作制、保護(hù)柴油機(jī)安全運(yùn)行、挖掘機(jī)動(dòng)性具有指導(dǎo)意義。

關(guān)鍵詞：船舶；對轉(zhuǎn)舵槳；倒車；仿真；負(fù)荷控制

中圖分類號(hào)：U661.33? ?? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

Simulation of Emergency Reversing Process of Ship's

Contra-Rotating Azimuth Propulsion System

CHANG Shuping1，? SHI Xiaohua2，? FANG Xianjin3，? CHEN Fuliang1

（1. No. 63983 Unit of PLA，? Wuxi 214035;? ?2. Representative Office of Land Force，? ?Qingdao 266002;

3. Guangzhou Marine Engineering Corporation，? ?Guangzhou 510250 ）

Abstract： Based on Matlab/Simulink platform， a simulation model of the propulsion system of a certain support ship was established， the simulation and mobility analysis of emergency reversing process was carried out. The PI controller was used to design the engine-propulsion joint-control method， which could control the propulsion steering and the engine speed in the course of reversing. The critical speed of the diesel engine was obtained， and the propulsion steering speed would not cause the overload of the diesel engine. The matching diagram of the steering time and the deceleration time was presented as for the process of emergency reversing when navigating at full speed. The conclusions are of guiding significance for establishing the emergency reverse system， protecting the reliable operation of diesel engine and excavating maneuverability.

Key words： ship; contra-rotating azimuth propulsion; reversing; simulation; load control

1? ? ?前言

緊急倒車是船舶動(dòng)態(tài)工況中的常用應(yīng)急工況，如何提高船舶在該過程中的機(jī)動(dòng)性，是業(yè)內(nèi)長期關(guān)注的問題之一。一般來講，在緊急倒車過程中，柴油機(jī)的轉(zhuǎn)速越高、推進(jìn)器推力由正車轉(zhuǎn)為倒車的時(shí)間越短，則船舶減速越快、停車距離越短、機(jī)動(dòng)性越好。但柴油機(jī)在正常工作范圍對輸出功率有限制，由此要求柴油機(jī)和推進(jìn)器兩者匹配操作，使在不超負(fù)荷運(yùn)行情況下將緊急倒車過程的機(jī)動(dòng)性充分發(fā)揮出來。

對轉(zhuǎn)舵槳是一種兼有常規(guī)螺旋槳和方向舵兩種功能的船舶推進(jìn)器，其裝有固定螺距、同軸對轉(zhuǎn)的前槳和后槳，由液壓系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)螺旋槳可繞中心軸做360°回轉(zhuǎn)，可為船舶提供全方位推力[1]-[2]。本文以某采用雙套柴油機(jī)—對轉(zhuǎn)舵槳?jiǎng)恿ρb置的保障船為研究對象，建立了推進(jìn)系統(tǒng)的仿真模型，對緊急倒車過程進(jìn)行研究，尋求和優(yōu)化緊急倒車過程的機(jī)—槳匹配控制方法。

2? ? ?建模流程

Matlab是一款集工程計(jì)算、圖形繪制、系統(tǒng)設(shè)計(jì)為一體的仿真軟件，在科學(xué)研究和工程研發(fā)中得到廣泛應(yīng)用。Simulink是Matlab中的一種可視化仿真工具，它基于Matlab的框圖設(shè)計(jì)環(huán)境，是實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)系統(tǒng)建模、仿真和分析的一個(gè)軟件包，廣泛應(yīng)用于線性系統(tǒng)、非線性系統(tǒng)、數(shù)字控制及數(shù)字信號(hào)處理的建模和仿真中，可用于動(dòng)態(tài)系統(tǒng)和嵌入式系統(tǒng)的多領(lǐng)域仿真，是一種基于模型的設(shè)計(jì)工具。對于各種時(shí)變系統(tǒng)，包括通信、控制、信號(hào)處理、視頻處理和圖像處理，Simulink提供了交互式圖形化環(huán)境和可以定制的模塊庫對其進(jìn)行設(shè)計(jì)、仿真、執(zhí)行和測試，可以用連續(xù)采樣時(shí)間、離散采樣時(shí)間或混合的采樣時(shí)間進(jìn)行建模，它也支持多速率系統(tǒng)，即系統(tǒng)中不同部分具有不同的采樣速率。

Matlab/Simulink建模的基本步驟：首先對建模對象進(jìn)行分析，明確Simulink建模所需的功能模塊，即確定實(shí)現(xiàn)既定仿真模型的思路和方法；其次，建立一個(gè)新的Simulink模型窗口，選擇模塊，根據(jù)系統(tǒng)的數(shù)學(xué)描述選擇合適的模塊添加到模型窗口中；再次，按照信號(hào)從左（輸入端）到右（輸出端）的流向原則將模塊放置到合適的位置，模塊從輸入端至輸出端用信號(hào)線相連，搭建完成方框圖，形成既定的模型；然后，根據(jù)模型的數(shù)學(xué)描述及其約束條件，對相關(guān)模塊的參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，使各模塊的參數(shù)與模型的數(shù)學(xué)描述一致；之后，啟動(dòng)仿真參數(shù)對話框，對仿真算法、起止時(shí)間、誤差容限、結(jié)果輸出和儲(chǔ)存的方式進(jìn)行設(shè)置，也可對仿真過程中的錯(cuò)誤處理方式等進(jìn)行設(shè)置；最后，運(yùn)行仿真模型，得到仿真結(jié)果；通過對仿真結(jié)果的分析，調(diào)整仿真參數(shù)，重新進(jìn)行仿真，直至得到理想的仿真結(jié)果。

3? ? 仿真模型

根據(jù)推進(jìn)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)組成和能量傳遞關(guān)系，將其分為柴油機(jī)、調(diào)速器、推進(jìn)器、船阻力、軸系及傳動(dòng)等多個(gè)功能相對集中的模塊[3]?；贛atlab/Simulink軟件平臺(tái)建立各模塊的仿真模型，并用信號(hào)線將各模塊的輸入、輸出相互連接，構(gòu)成船體—柴油機(jī)—推進(jìn)器系統(tǒng)仿真模型，如圖1所示：柴油機(jī)模塊采用設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)相結(jié)合的方法，即柴油機(jī)功率與轉(zhuǎn)速、齒條位置的數(shù)學(xué)模型和柴油機(jī)功率限制模型、柴油機(jī)功率與轉(zhuǎn)速和燃油齒桿位置由神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)插值得到；為限制柴油機(jī)的最大功率， 建模時(shí)采用輸出功率與對應(yīng)轉(zhuǎn)速下的最大功率進(jìn)行比較，船體模塊和推進(jìn)器模塊建模的詳細(xì)過程同文獻(xiàn)[4]，采用變步長、四階龍格庫塔法對仿真模型進(jìn)行求解；基于實(shí)船穩(wěn)態(tài)正車試航數(shù)據(jù)對仿真模型進(jìn)行校驗(yàn)，四個(gè)車令工況下柴油機(jī)功率、航速的最大誤差分別為5.39%、1.5%，說明該仿真模型在工程上具有較好的可信度[4]。

考慮到正常倒車時(shí)柴油機(jī)功率與功率限制線之間有差別的特點(diǎn)，利用Ziegler-Nichols方法設(shè)計(jì)PI控制器[4-5]，以功率冗余量對柴油機(jī)轉(zhuǎn)速和對轉(zhuǎn)舵槳轉(zhuǎn)向?qū)嵤┛刂啤I控制器的數(shù)學(xué)模型為：

式中：U（t）為控制器輸出；e（t）為柴油機(jī)發(fā)出功率與功率限制線之間的差值；Kp為比例系數(shù)；Ti為時(shí)間積分常數(shù)。

為增加燃油齒桿位置的范圍對柴油機(jī)轉(zhuǎn)速響應(yīng)的調(diào)節(jié)控制，在調(diào)速器的輸出端加入飽和特性模塊，并取其輸入、輸出之差反饋到積分環(huán)節(jié)，避免飽和特性模塊可能帶來的控制效果惡化問題。

PI控制器仿真模型如圖2所示。為了使推進(jìn)系統(tǒng)各參數(shù)在緊急倒車始點(diǎn)保持穩(wěn)定，設(shè)置仿真時(shí)間開關(guān)，當(dāng)仿真時(shí)間小于500 s時(shí)PI控制器不起作用。

4? ? 柴油機(jī)轉(zhuǎn)速不變時(shí)的緊急倒車

設(shè)置對轉(zhuǎn)舵槳的轉(zhuǎn)向時(shí)間為10 s，調(diào)整柴油機(jī)轉(zhuǎn)速，使其在整個(gè)緊急倒車過程中不超負(fù)荷。根據(jù)仿真結(jié)果來看，當(dāng)柴油機(jī)轉(zhuǎn)速為1 400 r/min時(shí)，柴油機(jī)不會(huì)超負(fù)荷，該過程中柴油機(jī)功率和航速隨時(shí)間的變化如圖3、圖4所示，柴油機(jī)功率在倒車過程中先增加后減小，這是由于在轉(zhuǎn)向過程中，產(chǎn)生的推力不是沿船首方向，含有側(cè)向分量，因此推進(jìn)系統(tǒng)效率會(huì)降低，導(dǎo)致柴油機(jī)發(fā)出的功率增加；當(dāng)轉(zhuǎn)向完畢后，推力完全沿船尾方向，柴油機(jī)功率會(huì)下降，因?yàn)榈管囎枇^正常阻力更大，柴油機(jī)功率穩(wěn)定后還是要高于正車功率，此時(shí)停車滑行時(shí)間為28.5 s，停車滑行距離為123 m。

分別設(shè)置對轉(zhuǎn)舵槳的轉(zhuǎn)向時(shí)間為20、30、40 s，調(diào)整柴油機(jī)的轉(zhuǎn)速，使其在整個(gè)緊急倒車過程中不超負(fù)荷。根據(jù)仿真結(jié)果，當(dāng)柴油機(jī)轉(zhuǎn)速高于1 400 r/min時(shí)，不同轉(zhuǎn)向時(shí)間下會(huì)出現(xiàn)不同程度的超負(fù)荷現(xiàn)象；當(dāng)柴油機(jī)轉(zhuǎn)速為1 400 r/min時(shí)，對轉(zhuǎn)舵槳的轉(zhuǎn)向時(shí)間變化對柴油機(jī)負(fù)荷影響不大，均不超負(fù)荷。在不同轉(zhuǎn)向時(shí)間下緊急倒車過程的停車時(shí)間和停車滑行距離，見表1。

5? ? 全速航行時(shí)的緊急倒車

當(dāng)柴油機(jī)保持額定轉(zhuǎn)速全速正車航行時(shí)，柴油機(jī)發(fā)出功率已與功率限制線很接近，由于倒車阻力比正車阻力要大，若保持額定轉(zhuǎn)速不變，對轉(zhuǎn)舵槳換向倒車后必然會(huì)導(dǎo)致柴油機(jī)超負(fù)荷工作，因此，全速航行時(shí)若緊急倒車，柴油機(jī)必須先減速。根據(jù)研究結(jié)果，若轉(zhuǎn)速降到1 400 r/min，對轉(zhuǎn)舵槳再轉(zhuǎn)向不會(huì)出現(xiàn)超負(fù)荷現(xiàn)象，從提高機(jī)動(dòng)性來講，在降轉(zhuǎn)速的同時(shí)對轉(zhuǎn)舵槳同時(shí)轉(zhuǎn)向會(huì)更快達(dá)到緊急倒車的目的，但是要注意兩者時(shí)間上的匹配控制。

先設(shè)定對轉(zhuǎn)舵槳轉(zhuǎn)向時(shí)間為10 s，柴油機(jī)初始轉(zhuǎn)速為額定轉(zhuǎn)速1 950 r/min，在倒車過程中以一定的速率逐漸降至1 400 r/min，使其在整個(gè)緊急倒車過程中不超負(fù)荷。根據(jù)仿真結(jié)果，當(dāng)柴油機(jī)降速時(shí)間為30 s時(shí)，柴油機(jī)不會(huì)超負(fù)荷，柴油機(jī)功率、轉(zhuǎn)速和航速隨時(shí)間變化如圖5所示；當(dāng)降速時(shí)間超過30 s，柴油機(jī)會(huì)出現(xiàn)超負(fù)荷現(xiàn)象；降速時(shí)間為40 s時(shí)柴油機(jī)功率、轉(zhuǎn)速和船航速隨時(shí)間變化如圖6所示。經(jīng)計(jì)算，減速時(shí)間為30 s時(shí)，停車時(shí)間為26 s，停車滑行距離為139 m；減速時(shí)間為40 s時(shí)，停車的時(shí)間為25 s、停車滑行距離為134 m。

采用相同的方法計(jì)算多個(gè)工況，得到多個(gè)對轉(zhuǎn)舵槳轉(zhuǎn)向時(shí)間條件下所對應(yīng)的使柴油機(jī)不超負(fù)荷的降速時(shí)間，如圖7所示。

在確定對轉(zhuǎn)舵槳的轉(zhuǎn)向時(shí)間后，即能確定柴油機(jī)的臨界降速時(shí)間，當(dāng)柴油機(jī)的降速時(shí)間小于臨界時(shí)間時(shí)，都能保證緊急倒車過程中柴油機(jī)不超負(fù)荷；從機(jī)動(dòng)性角度來講，對轉(zhuǎn)舵槳轉(zhuǎn)向時(shí)間越短、柴油機(jī)降速時(shí)間越長，則倒車過程的機(jī)動(dòng)性越好。表2給出了對轉(zhuǎn)舵槳轉(zhuǎn)向時(shí)間下最優(yōu)的機(jī)動(dòng)性，供相關(guān)使用部門參考。

6? ? ?結(jié)論

本文基于Matlab/Simulink軟件建立了某保障船推進(jìn)系統(tǒng)的仿真模型，通過開展緊急倒車過程仿真計(jì)算，對制定船舶緊急倒車工作制、保護(hù)柴油機(jī)可靠運(yùn)行提出了建議。當(dāng)柴油機(jī)轉(zhuǎn)速不高于1 400 r/min時(shí)，對轉(zhuǎn)舵槳轉(zhuǎn)向時(shí)間的變化對柴油機(jī)負(fù)荷影響不大，能夠保證緊急倒車過程柴油機(jī)不超負(fù)荷；在全速航行條件下緊急倒車時(shí)，給出了對轉(zhuǎn)舵槳轉(zhuǎn)向時(shí)間與柴油機(jī)降速時(shí)間的匹配聯(lián)控曲線，實(shí)現(xiàn)在柴油機(jī)負(fù)荷允許范圍內(nèi)最大限度地挖掘機(jī)動(dòng)性能。

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