船舶操纵模拟器动力装置系统仿真研究

刘 炜，翟亚军

(1.江苏科技大学 能源与动力学院，江苏 镇江 212003；2.中远海运重工有限公司，上海 200120)

船舶操纵模拟器动力装置系统仿真研究

刘 炜1，翟亚军2

(1.江苏科技大学 能源与动力学院，江苏 镇江 212003；2.中远海运重工有限公司，上海 200120)

为了解决船舶驾驶模拟器中快速实时反应船的运动状态的问题，利用Simulink建立目标船舶柴油机及舵桨的准稳态仿真模型。通过数据接口将该模型产生的模拟目标船的柴油机的实时运行数据存入中间数据库，与操纵模拟器数据库连通，对船舶驾驶模拟器中目标船舶的运动参数与动力参数及环境因素综合计算，将结果数据传入 OSG虚拟现实环境，实时反应船舶在模拟海况环境下的运行状态。

操纵模拟器；船舶动力装置；仿真模型

0 引言

在船舶操纵模拟器的开发研究中，船舶动力装置仿真结果的输出一直都是建立船舶操纵模拟器的难点。大连海事大学的唐元元等[1]从通信的角度提出应用UML建模的方法进行动力装置的仿真，为三维仿真提供平台，但是没有解决柴油机的仿真问题。孙建波等[2]提出使用NORCON公司AUTOCHIEF4(AC4)主机遥控系统技术资料建立仿真模型，解决了仿真精度的问题，但仅适用于低速柴油机的应用。江玉玲等[3]对船舶运动数学模型进行了论述，但对船舶动力输出装置——柴油机并没有进行仿真运算。本文将重点论述船舶操纵模拟器中对柴油机动力输出仿真方法。

1 目标船主机Simulink仿真模型构建

在本系统中使用的船用柴油机模型是瓦锡兰6L38B船舶柴油机，其Simulink模型包含：压气机、中冷器、空气流量、柴油机有效扭矩、气缸排气温度、涡轮机、轴系动力、调速器、传动设备[4-6]等模型。为了完善目标船运动过程中的动力特性仿真模型的建立，在目标船柴油机准稳态模型的基础之上，还要添加螺旋桨、船体以及船舵和航向模型[7-8]，形成船、舵、桨作用一体的仿真模型，其框架图如图1所示。

2 螺旋桨转速与推力的影响因素

2.1压气机模型

以目标对象船为例，柴油机装有废气涡轮增压器，它包含由废气涡轮直接带动的压气机。设压气机转速为Nc，压比为πc，流量为Gc，效率为ηc，进口温度为Ta，出口温度为Tc，空气比热比为k，进口压力为Pa，出口压力为Pc，则压气机的温升为：

(1)

其出口温度为：Tc=Ta+dTc

出口压力为：Pc=πcPa

(2)

因此，该模型监测的主要参数为：进口温度Ta、出口温度Tc、进口压力Pa、出口压力Pc。

2.2中冷器模型

柴油机安装的增压空气冷却器位于增压器与进气管之间，利用冷却水与增压空气换热。设其效能系数ε=0.7～0.9，压降系数Kcp=1.8～5 kPa。

中冷器进口温度Tc1与压气机出口温度Tc相同,中冷器进口压力Pc1与压气机出口压力Pc相同，因此，可以得到如下公式：

Tci=Tc-ε(Tc-Tw)

(3)

(4)

式中：Tci为中冷器出口温度；Pc1为中冷器进口压力；P0为中冷器出口压力；Tw为冷却水进口温度；Gi为通过进气阀的空气流量。

在中冷器模型中主要的监测参数为：进口温度Tc1、出口温度Tci、进口压力Pc1、出口压力P0。

2.3空气流量模型

在四冲程柴油机中，通过进气阀的空气流量Gi是吸气流量Gi1和扫气流量Gi2之和，即：

Gi=Gi1+Gi2

(5)

吸气流量可表示为：

(6)

式中：ηv为充气系数或者容积效率；Vs为柴油机气缸总工作容积；R为气体常数；Pi为进气口压力；Ti为进气口温度；n为转速。

如已知扫气系数Φs，则空气流量公式可表示为：

Gi=ΦsGi1

(7)

空气流量模型中，主要选取的监测参数有：柴油机转速n、空气流量Gi。

2.4柴油机有效扭矩模型

柴油机有效扭矩Qe计算公式如下：

(8)

式中：Hu为燃油热值；gc为循环供油量；ηe为有效效率；i为柴油机气缸数；τ为冲程数。

单位时间内的喷油量Gf的计算公式如下：

(9)

式中：Fn为每循环稳态喷油量。

在柴油机有效扭矩模型中选取的监测参数有：有效扭矩Qe和单位时间喷油量Gf。

2.5气缸排气温度模型

在模拟过程中，气缸的排气温度由经验公式推出，它与空燃比以及转速有很大的关系。这里仅以气缸排气温度Te作为监测对象。

2.6涡轮模型

在柴油机准稳态模拟过程中，一般认为柴油机是一个开口系统。根据质量守恒原理，认为涡轮流量Gt近似等于进入气缸的空气流量Gi和燃油耗量Gf之和，表示为：

Gt=Gi+Gf

(10)

同时，由于涡轮转速Ntc与压气机转速Nc相同，可以表示为：

Ntc=Nc

(11)

在涡轮模型中选取的监测对象有：涡轮转速Ntc和涡轮流量Gt。

2.7轴系动力学模型

柴油机转速按下式计算：

(12)

式中：Id为柴油机和到离合器为止的半轴系转动惯量；Qms为轴系的摩擦阻力扭矩；Mp为螺旋桨的负荷力矩。

在轴系动力学模型中，选取的监测对象有：柴油机有效扭矩Qe和螺旋桨的负荷扭矩Mp。

2.8螺旋桨模型

螺旋桨相对于水的运动包含两个方面：沿航行方向的速度vP和旋转运动的转速np。螺旋桨轴上产生的推力Tp计算公式为：

(13)

式中：Kf为推力系数；ρ为海水密度；D为螺旋桨的直径。

3 系统总体框架

系统总体框架如图2所示。

操纵模拟器并不直接指挥船体运动模型，而是先将指令发送给动力装置系统，然后由Simulink得出仿真结果存入数据库，再使用OSG调用数据库内容，将指令最终输出给动力装置视觉仿真模型和船体运动模型。

船舶航行时的阻力根据其产生的原因及阻力的性质可分为摩擦阻力、旋涡阻力和兴波阻力。这三种阻力与船舶的载重、工况和船速有关。通常船体阻力R可以表示为：

(14)

式中：r为阻力系数；Vs为船舶航速；z为系数，在1.5～3之间，取为2。

标准工况下的船体阻力曲线可根据船模试验得到的船体(包括附体)有效功率Pe计算：

Rs=1 000Pe/Vs

(15)

在各种工况下的船体阻力：

R=F1FdFwRs+Rt

(16)

式中：F1为载重阻力系数，F1≈1.2m/m0-0.2,而m为船体的总质量(实际排水量)，m0为设计排水量；Fd为污底阻力系数，Fd≈1+(0.05～0.13)Y,Y为船底污秽系数；Fw为风浪阻力系数，Fw≈1+Ww/8,Ww为正向风级；Rt为拖带阻力，如果无拖带，则Rt=0。

动态仿真中船速vs的计算公式如下：

(17)

式中:Z为同时工作螺旋桨数；P为螺旋桨的有效推力；Kw为附水系数，Kw=1.1。

船舶运动模型如图3所示。

在Simulink模型与数据库之间，通过VC++编程设置串口来进行数据读取并存入到数据库。其工作过程分为：

①进行串口设置，并打开串口；

②接收数据，将其存入缓存区，并进行分类，之后存入数据库，并清除缓存区的数据；

③重复接收数据并分类进行存储，实现实时更新[9]。

4 船舶运动视觉仿真的建立

在本系统中，三维模型的建立是通过专业工具软件MultiGen Creator形成的。在完成基本的主机模型之后，为了使模型能与系统完整结合，需要再进行DOF的设置，然后基于OSG编程设置回调将主机转速输入到三维视觉场景数据库[8-9]。

在VS2008中利用VC++语言编写程序,在release环境下运行后得到图4的视觉仿真场景。

对模型的运行效果进行检验，船舶做回转运动。船舶在35°舵角下前行，待大约转艏90°时，更改舵角至-35°，查看运动轨迹。通过对Simulink仿真模型的优化，从发出指令到船舶开始回转动作，时间控制在5 s内，达到了操纵模拟器实时控制船舶运动的效果。

5 结论

本系统通过对船用柴油机以及船舶航行时的重要参数进行Simulink建模，产生模拟运行参数，将得到的参数输入数据库；然后使用OSG实时读取数据库，将动力系统产生的数据，实时传递给船舶运动模型，从而提高船舶操纵模拟器仿真速度。

[1] 唐元元,张均东,曹辉. 大型商船分离型轮机仿真实验平台的设计[J].大连海事大学学报,2016(2)：58-62.

[2] 孙建波,郭晨,张旭，等.大型船舶动力装置的建模与仿真研究[J].系统仿真学报,2007，19(2): 465-468.

[3] 江玉玲，彭国钧.航海模拟器中船舶数学模型仿真研究[J].实验室探索与研究，2016(3):24-27.

[4] 钱耀南.船舶柴油机[M].大连：大连海事大学出版社，1991.

[5] 施维振.船舶动力装置系统仿真及航行视景分布式可视化仿真[D].镇江：江苏科技大学，2009.

[6] 黄永安，马路，刘慧敏. MATLAB7.0/Simulink6.0建模仿真开发与高级工程应用[M].北京：清华大学出版社，2005.

[7] 陈阳泉.基于MATLAB/Simulink的系统仿真技术与应用[M].北京：清华大学出版社，2002.

[8] 陈宁, 龚苏斌. 船舶回转运动仿真[J].舰船科学技术，2013(3):48-51.

[9] 陈宁，吕庆伦，解彦琦.基于旋转轴V和旋转角的视景仿真系统中鹰眼全景视角观察器设计 [J].江苏科技大学学报，2011，25(1)：45-48.

U664.121

A

2016-10-18

刘炜(1977—)，男，讲师，从事数字化设计与制造研究；翟亚军(1981—)，男，工程师，从事船舶运营管理研究。