舰船联合动力装置控制过程及技术特点研究

伍赛特

（上海汽车集团股份有限公司，上海 200438）

本文所说的燃气轮机联合动力装置控制是指推进装置的控制，即从燃气轮机机组至螺旋桨的整个推进系统所有部件的联合控制。不仅要控制燃气轮机机组本身，还要控制其后传动的各部件，如齿轮箱离合器、调距桨，以及由其驱动或为其服务的各种辅助机械。如果是电力推进装置，则还必须控制由其驱动的发电机以及带动螺旋桨的电动机[1]。而且，在军用船舶上，一个推进轴系中不止一台燃气轮机，一般总是2台或更多燃气轮机共轴，或与柴油机共轴，以适应各种航行状态的要求[2]。因此，在操纵系统中要考虑这些机组并车运行或相互转换的问题。故燃气轮机联合动力装置的操纵控制所涉及的内容非常广泛[3]。

1 燃气轮机的稳态控制

舰艇在各种航行状态下要求燃气轮机机组提供相应的功率以保证舰艇获得所需要的航速，为此，必须对燃气轮机机组进行控制，控制的方法有2种。一种叫做速度控制，即根据驾驶员下达的指令使动力涡轮达到指令所需的转速，从而保证舰艇的航速。另一种控制方式叫做功率控制，即主要控制燃气发生器的转速，而动力涡轮有一超速调速器防止其转速超过安全运行的范围。燃气发生器的转速一定时，则其提供的燃气动力能一定，因而动力涡轮输出的功率也基本上是恒定的。这时，动力涡轮的转速取决于其输出轴所受的负载，当其转速超过安全值时，超速调速器起作用。

如果动力涡轮的喷嘴是随着负荷的变化而进行调整的，则自动控制系统必须把喷嘴的调整和燃油的调整联合起来控制（和燃油与调距桨的螺距联合起来控制的情形相似），改变喷嘴的目的是为了维持燃烧室出口温度于额定值，以改善部分负荷时的发动机效率。当速度或功率调节器调整燃油量以适应负荷变化时，喷嘴自动控制系统调整喷嘴的位置以保持上述温度（或与之密切相关的温度，如排气温度）不变，但是压气机喘振的限制妨碍了在整个负荷范围内足够宽广地维持温度不变。因此在低功率时必须进行程序控制。典型程序是：在负荷为0%～50%时使压气机转速维持在其额定值的80%不变。温度随着负荷而变，至50%负荷时达到额定温度，然后喷嘴维持不变，而允许压气机转速升高，在100%负荷时达到额定转速。

2 瞬态控制

所谓瞬态控制是指燃气轮机机组的工况大幅度变化时，为了确保安全运行而对某些参数给予必要的控制。首先需要控制的是燃油流量，无论是加油还是减油都不能太快，因此燃油流量的变化速度必须给予限制。譬如加油时，燃油流量的突然增加会导致转速和温度的急增，而正常的保安设备还没有来得及起保护作用，因此加油必须限制，或者采取限制加油速度的方式，或者采取以空气流量增加速率来制约燃油量增加速率的方式。压气机的排出压力常被用作测量空气流量的间接参数，燃油流量被限制在不因空气/燃油比的变化而使温度过分升高，因此燃油的增加速率限制在燃气发生器所能够加速的水平上。

减油则存在相反的危险性：突然关小油门使得空气/燃油比率太高以致引起熄火，因此，燃油减少的速率通常被限制在不至于熄火的范围内。

3 燃气轮机推进装置的控制

以某驱逐舰为例，其装备有2台奥林普斯（Olympus）燃气轮机和2台泰因（Tyne）燃气轮机，前者在全功率和机动工况时使用，后者在经济巡航工况时使用。加速机和巡航机通过齿轮箱驱动变距桨，SSS离合器和齿轮箱在一起，可使奥林普斯燃气轮机与输出轴相连接，或者使泰因燃气轮机输出功率。

控制系统的中心是机械控制台，其位于机械控制室（MGR）中，控制台上配备有一个操纵杆控制一个推进系统，操纵杆发出指令，控制系统自动地控制被选定的发动机以及螺旋桨，操纵杆的移动范围为100°。

像一般的现代化推进装置控制系统一样，可以在驾驶台直接控制推进装置，也可以由轮机值班人员在机械控制室根据驾驶台的车钟信号来控制推进装置。在驾驶台控制时，驾驶台上的操纵杆一移动，机械控制室的操纵杆也跟着同步移动，并对推进装置的功率螺距控制器发出指令。

4 柴油机-燃气轮机推进装置的联合控制

4.1 柴油机-燃气轮机推进装置的运行方式

上文介绍了燃气轮机与燃气轮机交替推进调距桨的联合控制系统[4]，即COGOG的控制系统。随着大功率中高速柴油机技术的发展[5]，用柴油机作为大中型水面舰船的巡航机组，与作为加速机的大功率燃气轮机交替推进调距桨，构成CODOG装置。这种装置将成为我国海军大型水面航艇动力装置发展方向之一。下文介绍一种CODOG装置的联合控制。这种装置用MTU的高速柴油机作为巡航机，以LM2500燃气轮机为加速机，通过SSS自动同步离合器和减速器驱动调距桨，一般驱逐舰应具备两套这样的推进装置。这类装置的运行方式可分为以下3种。

（1）柴油机巡航运行方式，柴油机通过SSS离合器和减速器与推进轴系结合，为调距桨提供助力，而燃气轮机被脱开，或被停机，或处于空转状态[6]。

（2）燃气轮机运行方式，燃气轮机通过SSS离合器和减速器与推进轴系结合，为调距桨提供动力，而柴油机被脱开、或被停机、或处于空转状态。

（3）发动机相互切换的运行方式，在舰艇航行期间，当需要由巡航状态转入加速状态，或相反转换时，则就要求柴油机运行方式和燃气轮机运行方式之间进行相互切换，这不是一种长时间的运行方式，而仅仅是一种过渡的短时间运行方式，但作为OODOG装置的联合控制系统，必须考虑这种过渡运行的特殊要求。

4.2 柴油机-燃气轮机推进装置联合控制功能概述

柴油机-燃气轮机推进装置远操纵系统（Remote Control System），RCS-DOG，该系统的核心是微处理机，设计紧凑，被置于比较狭小的控制盘内，控制盘在主控室MCR，要求系统使用方便、易于保养和安全可靠，其必须具备下列3种可供选择的操纵方式。

（1）全自动控制：由一根操纵杆发出的指令，通过电子控制设备自动地调整柴油机或燃气轮机的功率输出和调距桨的螺距以适应舰艇航行的要求。

（2）半自动方式：通过MCR的控制盘上批按钮，借助仪表来对推进装置的各部分进行控制。

（3）机旁操纵：借助各自的就地操纵盘LOP（Local Operaging Panel），分别在机舱的各个部位对柴油机，燃气轮机，调距桨和离合器齿轮箱等进行操纵。

全自动控制时，可以在桥楼进行操纵，也可以在主控室MCR进行操纵。桥楼与主控室之间有一随动系统传递操纵指令，操纵部位的转换借助于按钮来进行。

上述柴油机-燃气轮机推进装置的远操纵系统RCS-CODOG中要确定的是在稳态工况下航速与调距桨的螺距，航速与螺旋桨的转速（即柴油机或燃气轮机的转速）之间的关系[7-8]。这种函数关系可以通过船机桨的工况匹配训算，并且最终在试航时得以验证或修整。

船舶在正车航行时，对应于任何一个航速都使螺距达到在该航速下的最大值，而柴油机或燃气轮机的转速则处于该航速下的最小值。最大的螺距，最小的转速使其调距桨处于最高的效率下运转，因而耗油量最小，这和民用船舶有些不同。而在倒车时和正车不一样，随着后退航速指令的增加，倒车螺距和转速同步增加，这和美国早期的COGOG全燃驱动的DDH-280驱逐舰的航速螺距、转速的匹配线不同。后者在慢速倒车时转速保持在最小值而首先增加倒车螺距。显然，前者的机动性要比后者为好。代表航速的指令是和桥楼或主控室的操纵手柄的位移成比例的。

应当指出，根据上述匹配线，对应任何一个航速就可以求得相应的功率，因而可以得到相应的柴油机油门位置或燃气轮机的油门位置（功率杆的位置）。

4.2.1 柴油机控制

（1）柴油机在不同航速时需要达到的转速是由船机桨的匹配特性所确定的，推进装置的功率控制杆，PCL（Power Control Lever）发出的指令（与航速成正比的控制杆的位移）通过一个程序器变为柴油机的转速指令，其为一个简单的函数发生器，使柴油机的转速指令与相应的航速对应。

（2）柴油机转速指令变化率的限制，这是保护柴油机安全运行所必须的，通常是由柴油机的制造商规定的。

（3）螺距PCL反向，当实际螺距与PCL发出的指令方向相反时，必须防止柴油机的转速指令增加，直至反向的螺距值减少到低于某个特定值。此功能主要用于航向变换时。

（4）柴油机的负荷控制，为防止在变工况操纵时，柴油机长时间超载；为通过柴油机可以利用的功率来得到最佳的舰船机动性，通常将把柴油机的转速和油门位置作为控制调距桨螺距的一个因素。

4.2.2 燃气轮机控制

（1）和柴油机控制时相仿，有程序器把来自PCL的指令（与航速对应）转换成燃气轮机LM2500的功率杆执行器PLA（Power Lever Actuator）的指令，其为一个函数发生器，确保舰艇的航速指令与LM2500油门位置之间的函数关系。

（2）推进轴的转速指令对PCL指令的函数关系是由转速指令程序器确保，其由反馈来的实际轴转速形成的闭环系统来修正燃气轮机的PLA指令。与上述程序器接受同样的PCL指令，但二者的函数关系是不同的。前者是确定LM2500的油门和航速的关系，后者是确定轴的转速和航速的关系。这一转速闭环系统能自动修正由于船体污染和排水量变化而引起的轴转速对其指令值的偏差。

（3）螺距与PCL指令反向的功能，在应急倒车操纵时。PCL的指令与当时的螺距处于相反方向，为防止发动机超速，把PLA的指令降低到“快速空转设定值”（Fast idle setling）等待。

（4）螺距越前功能，在上述应急倒车操纵过程中，不是在调距桨到了零螺距之后取消Pitch/PCL反向功能，而是在这之前，当接近零螺距时，即可取消Pitch/PCL反向功能，即提前允许燃气轮机加大油门，因此提高了舰艇的机动性。

（5）PLA指令变化速率限制，实际上是限制燃气轮机油门的变化速率以保护其本身。

（6）螺距限制功能，根据当时所达到的螺距，限制PLA指令值以防动力涡轮超速。

（7）最低轴转速控制，当桨轴转速低于某一值时，输出一个信号增加燃气轮机的功率指令，阻止轴速下降。

4.2.3 调距桨的控制

驾驶台或主控室发出的PCL指令，经过螺距程序器转换为螺距指令，再经过螺距指令变化速率限制，以防在机动工况下由于螺距变化太快而造成超速或超载。另外再根据柴油机实际转速和实际油门位置来限制螺距及螺距的变化速率，借以控制柴油机的负荷。

4.2.4 柴油机和燃气轮机运行的相互转换

由柴油机或燃气轮机作为船舶推进动力时的相互转换是由RCS-DOG的电子设备进行自动控制的，推进方式的转换只能在RCS-DOG系统处于全自动方式的条件下才能进行。而且柴油机和燃气轮机必须都处在运转状态，也就是说准备投入推进系统的发动机首先必须起动并进入正常运转状态。然后在自动控制RCS-DOG的操纵盘上选择准备投入的发动机，接着就开始进行推进方式的自动转换。

在具备上述转换的条件后，只要在RCS-DOG操纵盘上按下相应的按钮后就开始由柴油机运行至燃气轮机运行的转换。燃气轮机从“空车转速”开始升速，在升至相当于柴油机当时的转速后，燃气轮机的自动同步离合器结合，并开始慢慢地增加输出功率。柴油机则由于燃气轮机的功率加入而使其负载减少，并通过柴油机调速器的作用自动关小油门，降低功率输出。在转换过程中，调距桨的转速和螺距维持不变，故而推进的总功率保持不变。当燃气轮机的输出功率增加到等于推进所需的全部功率时，也就是说柴油机的输出功率降到零的时候，则柴油机的自动同步离合器脱开，柴油机逐步降至“空车转速”，至此，转换过程结束。在这个转换过程中，燃气轮机的功率是根据操纵系统的功率指令逐步增加的，而柴油机的功率输出或油门开度是依靠其调速器而自动减少的，这个转换过程只有3 s就完成了，应该说是很快的。

当由燃气轮机转为柴油机推进时，柴油机的转速首先从空车转速开始增加，直至增加到相当于燃气轮机当时转速的97%以后，才开始减少燃气轮机的供油量，使动力涡轮的转速下降。当其转速和柴油机的转速相对一致时，柴油机的转速再进行增加，同步离合器即啮合。随着燃气轮机的输出功率不断减少，柴油机则通过其本身的调速器自动加大油门。当燃气轮机的输出功率减少到零时，即柴油机承担了推进系统所需的全部功率时，再稍稍关小燃气轮机的油门，则可使燃气轮机的自动同步离合器脱开，推进方式的转换就此结束。在上述转换过程中，燃气轮机的油门（或功率）是根据其指令来减少的，而柴油机的油门由其调速器自动开大的。综上所述，在ROS-CODOG的控制系统中，对柴油机是转速控制，被控参数是转速，柴油机的输出功率是由其调速器加以控制油门。对燃气轮机则是功率控制，被控参数是功率。在柴油机和燃气轮机的转换过程中，二者功率的转换只要控制燃气轮机的功率就可以了。如果要增加柴油机的功率，只要减少燃气轮机的功率即可，相反则可增加燃气轮机的功率。在转换过程中柴油机的调速器起了功率自动平衡的作用，即由调速器自功控制柴油机的油门以确保推进系统所需的总功率和转速，从而维持转换过程中的航速不变。

4.2.5 齿轮箱油泵的控制

该推进装置的齿轮箱的润滑由两套泵来提供润滑油，在一般情况下由轴带泵供油，但是当推进轴的转速低于85 r/min时或者滑油压力过低时，电动润滑油泵的自动控制系统将自动启动该泵，并为齿轮箱补充润滑油。当轴的转速超过了85 r/min且供油压力正常时，又会自动卸荷或使泵停止运转。如由于某种原因而使润滑油压力降低至报警线时，就发出报警信号。再降低某一值时，进入电动油泵的工作区，则电动泵自动起动。

4.3 柴油机的控制系统

驾驶台或主控室的操纵手柄根据驾驶的需要移到相应的位置，发出转速和正倒车指令。转速指令必须先经过选择，因为同样的航速，对单轴推进和双轴推进，发给柴油机的指令有所不同。当柴油机推进系统脱开的时候则会差别更大。所以，要用这个单元来选择对应的转速指令。通过选定的程序后输出的信号分别进入两个程序器。在上面的程序器中按输入信号确定相应的转速设定值，由其输出的信号经过比例调节器和指令信号变化速率限制器，以防因柴油机的转速设定值的变化太快而损伤柴油机。这个信号再经过自动/半自动的选择到达放大器。由放大器输出的信号，作为转速设定信号进入柴油机本身的控制回路。由上述比例调节器至放大器所组成的回路叫转速设定回路。转速设定信号作用于PI调节器，实际上就是柴油机的调速器，是柴油机不可分割的一个部件。其根据输入转速的设定信号调整柴油机的油门，改变柴油机的转速。而柴油机的实际转速信号又会反馈到调速器的输入端，并与输入信号相比较，同时力求使柴油机的实际转速与其转速设定值相符，这是柴油机调速器内部进行的反馈。由柴油机及其调速器组成的回路为副回路，能及时抑制施加于柴油机的各种高频干扰，还能使驾驶台发出的转速指令得到快速响应。而由积分调节器组成的附加环节却互主同路，由上述主回路和副回路组成柴油机转速的串级控制系统。而由比例调节器，速率限制器和放大器组成的转速设定回路不过是主回路和副回路之间的接口。由实际转速的匹配程序器输出的信号进入主回路后与柴油机的实际转速信号进行比较，如果两者有偏差，则积分调节器输出一个不断增长的信号至比例调节器，借以修正转速设定值。再通过转速设定回路和柴油机的调速器改变柴油机的油门，直至柴油机的实际转速与其匹配程序器输出的信号一致时为止。

以上述积分调节器为主形成的主回路确保了推进装置稳态控制的精确性。由于这个回路中的积分调节器的作用很慢，其积分时间常数取得较大，由于海浪等因素引起的柴油机转速的瞬时波动，对这个主回路不起作用，因而不会引起整个控制系统产生不必要的波动。上述串级控制系统和锅炉，水位和燃烧串级控制系统有共同之处，就是用副回路抑制高频干扰，由主回路抑制低频干涉。当然两者各有其特点，前者的设定值经常有大幅度变化，所以其在本质上是属于随动系统范畴的，其要求尽可能快的动态响应。而后者的设定值是很少变化的，要求尽快地抑制扰动以使被控参数与其设定值保持一致。柴油机的实际转速信号还送入MCR（Maximum Continuous Rating）限制器，由MCR输出一相应转速下允许的最大油门值，使其与柴油机的实际油门作比较。如果柴油机的实际油门位置超过了MCR允许的值，则作用于调距桨的螺距设定系统，限制或修正螺距以减少柴油机的油门。这样来保证在加速或应急操纵时使得柴油机的转速和调距桨的螺距得到最佳的设定值而又不使柴油机超载。柴油机的转速设定优先于调距桨螺距的设定[9]。

在以半自动方式控制柴油机时，借助“半自动控制”的相关按钮来控制柴油机的转速。当选定半自动控制方式后，自动控制信号就从RCS的调速器脱开，操纵手柄和控制系统对柴油机的转速不再起作用了。

从“全自动控制方式”转为“半自动控制方式”时，柴油机的转速保持不变。而从“半自动方式”转为“全自动方式”时，柴油机的转速将会自动地改变到由操纵手柄所确定的转速。

如果按住两个按钮中的一个按钮时，柴油机便从当时的转速开始增加或减少，其变化的速率由半自动逻辑和速率限制单元的硬件确定，这是为了防止柴油机过快地加速或减速。有个软起动单元确保柴油机的平稳起动和精确的转速设定。

4.4 燃气轮机的控制系统

在“全自动控制”的情况下，和柴油机推进的运行情况一样。操纵手柄根据驾驶要求发出的转速和正倒车指令，首先通过指令曲线的选择单元，按单轴推进、双轴推进或空车的不同选择，输出不同的转速设定信号和螺距设定信号。这两个设定信号进入一个乘法器，使转速（n）与螺距（P/D）相乘，其乘积代表所需要的航速V，并作为航速设定信号输出给燃气轮机的功率设定单元。其实际上是一个函数发生器，在这里进行信号的函数变换，因为一定的航速（或一定的螺距和转速）对应着一定的燃气轮机输出功率（与燃气轮机的功率操纵杆PLA的位置相对应），这是由船机桨的匹配特性所决定的。所以由这里输出的信号代表燃气轮机的功率指令，其最终会传给燃气轮机的功率操纵杆的执行器PLA，直接控制燃气轮机的油门。这个功率指令信号接着要通过曲线选择单元，其有3种值可供选择，除了上述与推进特性匹配的曲线外，还有空车功率和快速空车功率的设定值。在应急倒车操纵时，实际螺距与指令反向，因而把功率指令降到“快速空车功率”以防动力涡轮超速，但仍高于“空车功率”。功率设定信号在这里还要和限制单元来的最大允许功率进行比较，允许低者通过。限制单元的输入信号是当时的实际螺距值，也是这一限制特性的横坐标，也就是用实际到达的螺距来配制燃气轮机最大的允许功率，以防超速。由选择单元输出的信号通过比例调节器，信号变化速率的限制单元和自动/半自动选择开关到达放大器。其会输出4～20 mA的信号作为功率设定信号给功率操纵杆的执行器PLA的输入端去控制燃气轮机的油门。这个功率设定信号又会反馈到比例调节器的输入端，构成功率设定的控制回路。

由指令曲线选择单元输出的转速设定信号和燃气轮机发出的动力涡轮实际转速信号进行比较，两者的偏差即实际转速与指令之差值，作为输入信号并传输至积分调节器，这是一个慢速的数字积分调节器。其输出一个不断增长但受到限制的信号，作为功率设定值的修正信号加到比例调节器的输入端，最终作用到燃气轮机PLA，修正燃气轮机的功率输出，以使动力涡轮的转速达到推进特性所要求的转速指令值。所以，转速控制系统是一个闭环的无静差的控制系统，转速控制的精度相当高。在“半自动运行方式”时，其工作原理和柴油机推进的“半自动运行方式”时一样。

4.5 调距桨的控制系统

调距桨的控制系统和柴油机或燃气轮的控制一样，PCL发出的指令，首先通过指令曲线的选择单元，再通过正常指令与零推力的选择后分两路。一路经过螺距设定的匹配单元，输出螺距指令信号。这是一个通用的标准信号，这个信号通过比例调节器、螺距指令变化速率的限制单元，以及放大器和设定调整器。同时有反馈信号至比例调节器的输入端，形成螺距的设定控制回路。另一路通过实际螺距的匹配单元后与来自调距桨的实际螺距信号比较，比较所得的误差作积分调节器的输入信号，其输出一个与上述误差的积分值成比例的信号。当然这个积分是有限制的，将该积分值加入比例调节器的输入端，作为对于螺距及其指令信号的校正。这个附加信号通过螺距设定控制回路使螺距改变，直到调距桨送出的实际螺距信号与实际螺距匹配单元输出的信号一致时为止。这样形成的回路才是螺距控制的闭环回路，其与实际螺距的匹配单元能一起确保调距桨的实际螺距精确地符合本舰推进特性的要求。为防止柴油机超载，由柴油机控制系统中转速一油门限制单元输出的信号和实际油门位置作比较。超过极限油门时有一限制信号送入螺距控制系统，作用在积分调节器、比例调节器以及零推力螺距设定选择单元。这样，一旦当柴油机超负荷运行时，就可以根据超负荷的幅度和时间使螺距降低，或者在加速机动工况时降低螺距的变化率，直至柴油机回到正常运转范围内。

4.6 柴油机-燃气轮机联合动力装置控制系统的动态分析

随着计算机技术的飞跃发展，近二十多年来，应用计算机仿真的方法来研究各种中大型舰艇推进装置控制系统的动态过程，也很快得到了发展。无论在推进装置各部件数学模型的研究方面，还是在仿真方法的研究方面，都取得了很大成就，不仅具备了实用的条件，而且已成为推进装置控制系统设计时极为重要的内容。这种控制系统的仿真就是借助于推进装置各个部件的数学模型，采取不同的控制策略，用计算机求得各主要状态参数的响应。分析其对舰艇及其推进装置机动性的影响，从而寻求一种最好的控制策略，以确保推进装置在各种工况下都有良好的匹配，既有尽可能好的机动性，又能保证安全可靠的运行。用仿真的方法研究其动态特性，无疑是一种效率最高，代价最低的研究方法，下面分析这种控制系统的动态性能。

4.6.1 推进装置概况

该装置系双轴推进，每轴配有1台四冲程高速柴油机，在1 485 r/min时的最大功率为2 060 kW，通过SSS离合器和齿轮箱驱动调距桨，从柴油机至调距桨的减速比为10.4∶1。在巡航时由柴油机驱动调距桨。在加速航行时，由燃气轮机通过SSS离合器和减速器驱动调距桨，每轴各配有一台GELM2500燃气轮机。每台燃气轮机在3 600 r/mm时所能发出的最大功率为19 500 kW。该装置与前述GODOG装置稍有差别，主要是巡航机的功率不同。

4.6.2 柴油机-调距桨联合控制系统的动态分析

这里主要分析柴油机驱动调距桨控制系统的动态响应。在柴油机控制系统中有一个MCR限制单元，在这一单元中存放着一条MCR限制特性线，其为柴油机实际转速的函数。在一定的转速下，对应着一个最大的油门位置，不得超过。如果油门位置已超过了MCR限制特性线，则必须尽快减小螺距，降低柴油机的负荷，以防柴油机因超载而受损。所以柴油机的实际油门位置和MCR特性比较后的信号送到调距桨的控制系统。当实际油门位置接近M（3R线时，修正积分调节器和比例调节器，以使螺距增长率降低。如果超过了MCR线，则把螺距指令立即转入零推力螺距指令，因而使螺距立即减小，柴油机很快将回到正常负荷范围内。以上所述就是舰艇柴油机-调距桨控制系统中的负荷控制。这和民用船上机桨匹配中负荷控制有所不同。下面介绍采用负荷控制和不采用负荷控制时用计算机仿真所得的两组不同的动态响应曲线。

在没有负荷控制时，驾驶台操纵手柄PCL从停车位置移至全速前进位置后的一组动态响应曲线。其中柴油机的转速设定信号，以设定值变化速率限制了单元限定的速率等速增长直至其额定值。这一设定值作用于柴油机的调速器，并使柴油机的转速增加。与此同时，调距桨的螺距也以其最大速率增加到其指令所要求的螺距，即最大螺距。然而柴油机的实际转速并没有跟随其转速设定值实现同步增长，只是在开始阶段有一定的增长，到了某一时刻非但不增长，相反柴油机的转速又下降了，柴油机进入半失速状态。这是因为调距桨的螺距增加很快，舰艇的航速又尚未明显增加，所以螺旋桨的负荷即柴油机的负荷一下得以快速增长，当柴油机的调速器需要快速加大油门，但又受到调速器本身的DBR所限制（DBR是一个具有速敏元件的部件，在一定的转速下，其限定一最大油门位置不得超过MCR）。所以柴油机的输出扭矩不足以克服调距桨的水动力矩和阻力距，引起转速下降。而转速的下降又导致DBR所限定的油门进一步减小，这样形成恶性循环，导致柴油机的半失速状态。由此可见，增压器转速一个简单的联合控制方式虽然能使推进装置得到满意的稳态匹配，但却不能满足舰艇对于动态性能的要求。因此这种推进装置的控制系统必须要有负荷控制系统来改善动态性能。

随着螺距的增长，柴油机的油门接近或达到MCR限制特性线时，负荷控制系统对调距桨螺距设定系统发出的修正信号，使螺距的增长率减慢或暂停增加螺距，甚至减少螺距，从而确保柴油机的转速平稳上升。柴油机的油门则处于相应的最大位置（在MCR线上），也就是说使柴油机在这个动态过程中处于最大功率的运行状态。实际上螺距也是处于当时状态所允许的最大值。柴油机的负荷和调距桨的负荷的动态响应也比较平缓。由上述计算机仿真所得的两组动态响应曲线看，柴油机-调距桨联合控制中的负荷控制系统明显地改善了这个机-桨联合控制的动态性能，提高了这种推进装置的机动性。

柴油机在低转速、低负荷时，开始根据转速设定值的要求来快速增加油门，柴油机的转速开始时增加很快，这是因为柴油机的油门增加很快，而调距桨的负荷增加不多。促随着螺距的增长，其负载增加较快，以至柴油机转速的增长渐趋缓慢。对于不带负荷控制的系统而言，调距桨的螺距仍然以最大的速度增长而未受限制。调距桨和柴油机的负载迅速增加，但柴油机的油门受到调速器DBR的限制，因而转速下降，动态响应曲线向左拐，出现失速现象。对于带有负荷控制的系统来说，当其接近或达到MCR线的时候，就不断修正螺距设定值，使其逐步增加了油门和转速，最终达到柴油机的额定转速。

同理，可以对不同的控制策略进行计算机仿真，求取其动态响应，从中选取最佳者。

4.6.3 燃气轮机-调距桨联合控制系统的动态分析

燃气轮机-调距桨联合控制系统的动态响应，在各种机动工况中，急停机动过程变化最剧烈，要求也最高。其要求推进装置在极短的时间内，从全速正车的运行状态转为全速后退，要求舰艇在大约1 min内，从全速前进的航行状态停下来，而且滑行距离不超过3倍舰长。

随着驾驶台PCL发出的全速前进到全速后退的指令，螺距设定值、转速设定值和油门设定值PLA立即减小。调距桨的螺距从正车最大值向倒车最大值等速变化，螺距的变化速率是由限制单元限制的。燃气轮机的油门执行器PLA由于实际螺距和PCL指令反向，因而以最大的限定速率来关小油门。当到达“快速空车”油门位置时，PLA不再继续关小油门，而是维持在这一位置，等待螺距不断减小。当螺距减小到零螺距之前某一数值时，提前解除对油门的限制，允许PLA把油门开大到倒车所需油门位置。

同理，对于不同的螺距指令变化率，不同的PLA快速空车设定值，不同的螺距补偿设定值，不同的最大倒车螺距，不同的最大倒车PLA值，应用计算机仿真，求取上述状态参数在各种机动工况下的动态响应。从这些动态响应的分析比较中合理地确定一组比较理想的结构参数，作为设计控制系统时的依据。

采用电子计算机仿真来求得机动工况下各参数的动态响应，在控制系统的设计过程中是必需的，但更重要的是实践。因此，必须对以后航行的舰艇进行试验，观察与其有关参数究竟是怎样变化的。

5 结束语

对于军用舰艇推进装置而言，由于对其强载性和机动性的要求特别高，所以对其控制系统的性能要求也特别高，处理不好就会使推进装置的某些部件受到损伤，甚至受到严重破坏，或者没有充分发挥推进装置的最大潜力去得到最好的机动性。所以对这种舰艇推进装置控制系统的分析是十分重要的。本文关于推进装置的控制仅限于典型的水面舰船，对于其他型式的推进装置，以此为借鉴同样可根据其本身的特点进行正确的分析。