柴—柴双机并车半实物仿真台设计与实现

祝成成 郭晶 许林 唐少华 中国船舶集团有限公司第七一一研究所

1.引言

柴—柴联合推进装置被广泛应用于中小型船舶。柴—柴联合推进装置主要采用四机双桨或双机单桨两种方式。这两种方式下，柴—柴联合推进装置在并联运行中都需要保证负荷在多机间的合理分配，而且在并车、解列过程中要保证负荷的平稳转移。因此，柴—柴联合推进装置对控制器要求较高。

柴—柴联合推进装置及其控制系统比较复杂，难以用常规分析方法获取其动态特性，直接进行台架试验或海上试验风险大、周期长、成本高。因此，采用计算机仿真技术模拟柴—柴联合推进装置及双机并车控制，使推进系统及控制模型更贴近实际操作和运行工况，可以最大限度地降低试验风险和培训成本。所以开展动态工作特性仿真研究是十分必要的。

目前，柴油机双机并车仿真研究主要采用非实时仿真，基于Matlab软件实现，不能脱离Matlab 软件环境运行。本文根据模块化思想对柴—柴动力装置进行系统建模，同时在中间环节增加I/O接口模块实现与双机并车控制器进行数据实时交互，搭建半实物的柴—柴双机并车推进装置及其控制系统仿真台，用于研究双机的并车、解列及负荷分配过程。进行基于动态工作特性分析，给出不同控制方法下的动态并车结果，验证双机并车控制策略的有效性。

2.仿真平台的总体架构

仿真平台的研究对象为船用中速柴油机双机并车推进系统，主要包括：两台柴油机及其调速器，两台液力耦合器；一台并车齿轮箱，负载，并车控制器及其接口。其总体架构主要组成如图1所示。

图1 仿真对象的组成

图1中所示的仿真对象中，除并车控制器及其接口、显示仪表外，全部采用软件实现。仿真台主要组成如图2所示，由工控机、I/O数据采集卡、显示仪表和并车控制器等部分组成。工控机运行仿真软件，与并车控制器之间通过I/O数据采集卡实现数据交互。仿真对象各部分模型及求解算法软件运行于工控机上，提供系统操作、参数设置和显示界面。

图2 仿真平台的组成

3.双机并车仿真模型

3.1 柴油机仿真

仿真台中的柴油机模型为16PA6V-280STC中速柴油机，该柴油机仿真采用常用的平均值模型，将柴油机整体划分为几个相对独立的单元，如图3所示。

图3 平均值模型的原理

扫气箱和排烟管内可看作开口容器，空气或废气以一定的温度、压力流进或流出容器。根据理想气体状态方程，容器内的压力可表示为：

柴油机排烟温度是决定增压器工作状态的重要因素，采用热力学第一定律将排温简化为过量空气系数的函数：

根据牛顿第二运动定律可得柴油机转速的计算模型：

式中：T为耦合器的扭矩；τ为燃油喷入气缸到产生扭矩的延时；J为柴油机运动部件的平均转动惯量；J为折算到耦合器泵轮上的转动惯量；T为耦合器泵轮扭矩。

涡轮增压器分为两个部件，即压气机和涡轮，两者之间通过转子完成能量传递。涡轮模型采用特性图查表法实现，压气机则通过热力学模型实现。空气冷却器效率较高，可简化为节流降压降温环节。

3.2 调速系统仿真

柴油机调速器采用如下式所示的增量式数字PID控制器：

式中，Δu（k）为第k步控制器输出；K为比例系数；T为采用周期；T为积分时间；T为微分时间；e（k）为第k步误差；e（k—1）为第（k—1）步误差；e（k—2）为第（k—2）步误差。

为实现双机并联运行，在增量式数字PID基础上叠加速度降环节，保证双机在不同转速下负荷的均匀分配。速度降环节通过修正转速测量值实现，其原理是将调速器输出信号占输出范围的比例乘上设置的速度降所得的计算值作为修正量，用该修正量对转速实际测量值进行修正，将修正后的转速作为调速器的测量转速输入值，如下式所示：

式中：n为经速度降环节修正后的转速测量值；n为转速测量值；u为控制器输出值；u为控制器输出最大值；u为控制器输出最小值；sp为速度降，船用柴油机一般在0.03～0.05之间。

为进一步手动调节两台柴油机的负荷分配，增加设定转速的微调环节。在仿真模型中，采样时间和微调量都可以人为设定，便于验证调速器的性能。

执行机构简化为一个惯性环节，其增益、死区和时间常数等参数可调。同时在输出环节增加一个周期、幅值可调的周期性扰动和阶跃性扰动，模拟信号受干扰的情况。

3.3 液力耦合器

液力耦合器的过渡过程采用准稳态方法计算，即认为各个瞬时为稳定状态，通过无量纲的特性图，获取液力耦合器的扭矩系数与转速比及充液量的函数关系，进而计算可得耦合器泵轮扭矩的计算公式：

式中，λ为扭矩系数，是转速比和充液量的函数，通过查询特性图获得。泵轮扭矩也是柴油机的负载扭矩，泵轮转速为柴油机转速。

扭矩系数与耦合器的充液量密切相关，而耦合器的充放液过程可看做一个惯性环节，通过设置时间常数，调整充放液速度。

齿轮箱的输出转速和负载转速相同，可用下式计算：

式中，n为齿轮箱输出转速，也是负载转速；T为齿轮箱输出扭矩，通过两台耦合器输入扭矩的之和再乘上机械效率和减速比得到；T为负载扭矩，可以是螺旋桨负载或其他负载；I为负载转动惯量；I为齿轮箱转动惯量。

3.4 负载

本模型仿真了两种负载：一种为可调螺距螺旋桨负载，另一种为固定负载，两种负载之间可以切换。

（1）螺旋桨负载。在船舶运动过程中，螺旋桨与船舶运动匹配可分为四种工作状态：船舶前进螺旋桨正转、船舶前进螺旋桨反转、船舶后退螺旋桨反转、船舶后退螺旋桨正转。描述螺旋桨四象限运动可以采用有界形式的进速比作为自变量求取扭矩系数和推力系数。

有界形式的进速比定义为：

式中：λ为有界形式的进速系数；w为伴流系数；v为船舶航速；D为螺旋桨直径；n为桨转速，通过耦合器和减速齿轮箱与主机曲轴连接，n与n之间的换算关系通过传动比得到。

式中：K'为有界形式的扭矩系数；t为推力减额份数。

仿真计算前，将螺旋桨扭矩系数曲线簇根据扭矩的不同，采用Chebyshev多项式拟合为一簇函数；在仿真计算时利用拟合多项式，根据实际螺距和进程比通过插值法得到实际的扭矩系数。

（2）固定负载。固定负载是指在转速变化时，额定功率不变的负载。可以根据负载的额定功率，设置负荷的百分比，构成一个固定负荷的负载。

加载到耦合器输出端的扭矩为：

式中：p为负载比例；P为额定功率（kW）；n为设定转速（rpm）。

3.5 模块化建模与仿真算法

柴—柴双机并车推进系统中设备众多，考虑到可扩展性，采用模块化建模方法，将各个设备建模为相对独立的模块，然后再组合成整体模型。各模块的仿真模型都采用微分方程（组）的形式描述，本文采用4阶龙格—库塔法求解。一般仿真计算中，多是将各模块组合成一个整体的微分方程组，如果需要扩展，则在方程组中添加新的方程。这种方法对程序设计要求较低，但不利于实现模块化。本文采用分块矩阵描述的数值解法，将整体模型分解为由多个微分方程（组）表示的分块模型，每个微分方程组块表示一个设备模型。模块化形式的4阶龙格—库塔法计算公式如下：

式中，x表示第n个模块的方程组；t 为当前仿真时间，h为仿真步长。

在半实物仿真中，需要仿真软件和数据采集硬件的匹配。仿真软件中求解微分方程所需要的计算步长较小，而数据采集硬件的采样周期相对较长。为使两者匹配，仿真算法采用了“伪实时”算法，既：硬件按设定的采样周期读取数据，将采集到的数据赋值给仿真模型，并在采样周期内保持不变；仿真算法按照同样的周期启动，按照设定的计算步长向前计算，当计算时间达到采样周期前进的时间时，本次计算完成，将结果输出到数据采集硬件；然后等待下一次采样周期到来，开始新的计算。

4.仿真与结果分析

4.1 操作界面及功能

仿真计算软件基于Visua l Studio 2015开发平台，采用C#语言编写。双机并车操作与显示主界面如图4所示。主界面中的PCI通信测试按钮用于打开硬件通信测试界面，可以配置和测试系统所有数据采集通道。仿真台有纯软件运行和硬件在环仿真两种模式，在软件启动时，通过读取配置文件设定。硬件在环模式下，需要连接并车控制器，设置两台柴油机的转速实现负荷分配；在纯软件模式下，全部功能通过软件实现，可以直接在软件界面上设定转速。

图4 仿真模型主界面

除完成双机并车模型的计算外，软件还具有如下功能：并车控制参数的设置；负荷特性和推进特性模式切换；负荷特性下，手动设置负荷和自动设置负荷；推进特性下，手动设置螺距和自动设置螺距；并车控制的接排和脱排控制；转速、功率的仪表和曲线显示；充油和排油过程的指示灯和进度条显示；仿真数据保存。

4.2 功能测试

仿真台的主要功能是完成双机并车和负荷分配任务，同时可观察推进系统性能。为此，进行了以下仿真测试：单机接脱排、双机并车与解列、负荷突增突减、负载设定、增加干扰等。

（1）单机接脱排仿真测试。测试开始时，1#柴油机在设定转速为1050转/分、未接排，负载设为30%额定负载。约在85秒左右，1#机启动接排，约在128秒左右耦合器充液到开始传递扭矩。在171秒左右加负荷至额定值的100%，在221秒左右突减负荷到30%，稳定后脱排。整个过程中稳态转速随负荷而变化，这是因为稳态调速率为3%，负荷越大，速度降越明显。2#机也进行了类似测试，结果与1#机一致。单机接脱排测试结果显示两台主机均可以正常完成接脱排试验，参数曲线与试验曲线吻合；耦合器接脱排时间与试验结果一致。如图5所示。

图5 单机接脱排和负荷加减试验

（2）双机并车与解列仿真测试。测试开始时，1#和2#柴油机设定转速都为1050 转、速度降为3%。测试中首先将2#机接排，接排时功率为30%额定功率。2#机接排后其转速低于1#机。转速稳定后，将1#机接排。1#机耦合器开始传递功率时，2#机输出功率开始下降，1#机开始输出功率。随着两机转速趋同，功率也均匀分配。约在605 秒时将负载功率增加到15 0%的单机额定功率，两机转速和功率的动态过程变化一致，稳定值相同，说明在变负荷情况下，可以保持双机功率均匀分配。在650秒左右，将负荷降至单机功率的80%，双机变化一致。然后将2#机脱排，约在710左右，2#机的功率开始逐渐转移至1#机。2#机脱排稳态后，2#机转速高于1#机。在测试中，两台主机中任一台都可以作为运行机组，另一台在各种转速和负荷下都可实现并车运行、负荷转移、解列操作。如图6所示。

图6 双机并车、解列及负荷加减试验

（3）双机转速微调后的负荷分配仿真测试。在1#机合排情况下，让2#机并车接排，稳定后将负载功率加到单机功率的150%。通过转速微调按钮先将1#机设定转速增加3.0625r/min，稳定运行一段时间后，将其降至—1.3125。观察两机的转速和功率，可以发现当1#机组转速增加时，其承担的负荷增加；而转速降低时，输出功率也降低。如图7所示。

图7 双机转速微调后的负荷分配试验

在实际操作中，还进行了其他多种仿真测试，仿真平台正确复现了柴油机、耦合器、负载和调速及功率分配系统的性能，数据吻合度较好。程序可以长时间稳定运行，重复进行各种操作。

测试结果表明，本文模型与实际运行过程的拟合程度较高，可以实时地模拟双机并车动态过程，可以协助完成相关双机并车控制的基础研究，具有一定的使用价值。

5.结论

基于C#语言和数据I/O 采集卡，设计并实现了柴—柴双机并车推进系统的半实物仿真台。该仿真台采用模块化建模和仿真算法，具有较好的扩展性。在仿真台中各柴油机均可进行单独接脱排及调速控制，单独驱动螺旋桨运行；也可实现双机在柴油机允许的任意转速、负荷状态下进行并车、解列、负荷突加及突减、螺距突加及突减、负载扭矩的突加突减等各种操作，具有单机或并车模式下的负荷特性及推进特性的仿真试验功能。该仿真台操作简单，使用方便，具有推广应用的价值。