基于CAN总线的舰船主动力仿真系统设计

2013-04-28王晓东张丹瑞

船电技术 2013年1期

王晓东，张丹瑞

基于CAN总线的舰船主动力仿真系统设计

王晓东，张丹瑞

(上海船舶运输科学研究所军品分所, 上海 200135)

为提高舰船主动力监控系统调试的效率，缩短主动力监控系统的出厂检验时间，增强学员系统操作培训的效果，我设计了基于CAN现场总线的舰船主动力半实物实时仿真系统。本文建立了舰船主动力系统的Simulink模型，通过CAN总线将I/O接口箱和仿真计算机相连，将Simulink中的模型数据与VC程序实时交互，并由VC界面实时显示。该系统应用于舰船主动力系统调试中，并获得了良好的调试效果，满足设计的要求。

CAN总线舰船主动力系统模型仿真 Simulink实时仿真 VC界面显示

0 引言

国外自七十年代初开始进行舰船主动力监控系统的仿真应用研究。刚开始是物理模拟，后来随着计算机的快速发展，到七十年代末就开始进入数字仿真和半实物模拟，并在指导舰船动力系统的论证，设计，试验等方面发挥了重要作用。

本文主要实现仿真功能有：舰船柴油机仿真、摩擦片式离合器接、脱排仿真、螺旋桨动力仿真、动力系统监测报警仿真、故障设置仿真等。本系统实现模型实时仿真，与VC界面程序实时交互数据，并通过CAN总线与I/O接口箱通信。采用CAN总线通讯结构，使得本套半实物仿真系统大大提高了模拟调试的效率、可靠性，并极大增强了仿真系统硬件接口的扩展性。通过主动力监控系统实际项目的调试，验证这套舰船主动力半实物实时仿真系统符合设计要求。

1 舰船主动力仿真系统的基本原理

1.1 舰船主动力仿真系统的硬件原理

舰船主动力半实物仿真系统的硬件组成如图1所示，虚线内为外部系统。模拟机与I/O接口箱通过CAN总线相连，I/O接口箱再通过硬线与某型舰船主动力监控系统相连。硬线主要传输开关量信号——主机起动命令、离合器接排命令、主机故障停车信号等；频率信号——主机转速、轴系转速、A列增压器转速等；模拟量信号——主机油门给定、桨角给定、离合器工作油压等。I/O接口箱中主要包含了CAN-I/O系列模块，其主要功能为将开关量信号、模拟量信号、频率信号转换为电信号，传送到CAN总线上或将CAN总线上的电信号转换为开关量信号、模拟量信号、频率信号，通过硬线传送到舰船监控系统中。通过增加、减少CAN总线的节点数，就可以对I/O接口箱中模块进行增减，使得系统具有良好的可扩展性；并且单个模块损坏不会影响其它模块的工作，提高了系统的可靠性。模拟机选用工控机主要实现模型Simulink实时仿真、VC界面显示功能。

1.2 舰船主动力仿真原理

舰船主动力仿真原理如图2，虚线内为外部系统。通过外部主动力监控系统的调速器对主机——柴油机的控制，实现调速功能，柴油机产生动力矩，通过传动装置（主要为离合器、齿轮箱、轴系等）传递到螺旋桨，螺旋桨产生船舶前进或后退的推力，并与船体阻力和其它摩擦力之间的不平衡，导致船速发生变化[1]。

1.2.1舰船主动力仿真公式

根据图2所示，主机、桨、船体平衡方程为：

式中：M为主机输出扭矩（Nm）、M为桨阻力负荷扭矩（Nm）、M主机、轴、桨摩擦阻力扭矩（Nm）、为主机转速角速度（rad/s）、为主机、轴、桨（连水）转动惯量(kg*m2)、k为常数，k=9550*H/60，其中H为常数、g为循环供油量(kg/cyc*m)、η为热效率、Z为螺旋桨数量、为一个螺旋桨的有效推力（N）、为船舶质量（kq）、m为船舶负载连水的质量（kq）、V为船速（m/s）、V为螺旋桨进速（m/s）、为螺旋桨推力减额系数、w为伴流系数、k为推力系数、为水密度（约为1026 kg/m3）、为主机转速（r/min）、为螺旋桨直径（m）、为船体的运动阻力（N）、为阻力总系数、为浸水面积、k为阻力系数。其中g为油门齿条位置h、主机转速n的函数：g=f（h，n）且g正比于h、n；η为曲轴输出的有效功的热当量与所消耗的燃料热当量的比值，随n上升，η下降；w影响因素很多，简化为常数。

1.2.2摩擦片式离合器的仿真分析

本套仿真系统针对图2中的传动装置之离合器的选型，采用摩擦片式离合器并进行仿真，其主要优点为接脱排非常迅速，缺点为主机负荷变化大。离合器是船舶动力传动系统的重要部件，它依靠主从动片之间的摩擦力矩来传递动力，并通过分离与接合来控制舰船动力传动系统的工作状态。图3是离合器在舰船动力传动系统中的位置及力学示意图[2]。

是柴油机的输出转矩；是离合器传递的摩擦力矩；是等效到齿轮箱输入轴的螺旋桨运行阻力矩；ω是发动机曲轴角速度（也是离合器主动片角速度）；ω是离合器从动片角速度；J是柴油机转动部分惯量；J是等效到齿轮箱输入轴上的转动惯量；

离合器工作过程可以分为完全接合、完全分离和滑磨3 个状态。图4是狭义动态摩擦系数和输入力矩影响系数与相对滑动速度的关系[2]。

1.2.3Simulink实时仿真

利用MATLAB中Simulink仿真舰船主动力系统。实现柴油机、摩擦片离合器、螺旋桨、船舶动力、阻力的仿真。利用Simulink中RTW实时仿真功能，实现模型的实时仿真[3]。

2 舰船主动力仿真系统的实现

2.1 基于CAN总线的通讯的实现

本套仿真系统采用CAN收发装置、CAN-I/O系列模块和仿真计算机组成CAN总线通讯网络，如图5。仿真机将开关量、模拟量和频率信号通过CAN收发装置发送到CAN总线上，由CAN-I/O系列模块接收电信号，再转换成开关量、模拟量信号发送到外部设备中。通讯协议为CAN2.0B，利用VC、USBCAN函数库编写程序实现通讯。

2.2 Simulink与VC之间实时通讯

本系统采用在VC环境中使用MATLAB引擎的方法。在C/C++与MATLAB混合编程过程中，使用MATLAB引擎是一种相对高效、简易的方法。MATLAB的引擎库提供一些接口函数，利用这些接口函数，用户可以在自己的程序中以计算引擎方式调用MATLAB。主要接口函数有：enOpen、engGetArray、engEvalString、engClose、engGetVariable、engPutVariable等[4]。利用VC编写界面实时显示数据及仿真图像，主要显示实时转速等数值、主机起动等开关量信号。并实现起动条件联锁等监测报警点的模拟、主机滑油压力等模拟量输出、A/B列增压器转速等模拟频率输出的功能。