CODAD聯(lián)合動(dòng)力裝置控制過(guò)程建模和仿真研究

袁 強(qiáng)，盧金樹(shù)

(浙江海洋學(xué)院海運(yùn)學(xué)院，浙江舟山 316000)

CODAD(Combined Diesel and Diesel)聯(lián)合動(dòng)力裝置是柴油機(jī)—柴油機(jī)聯(lián)合動(dòng)力裝置的簡(jiǎn)稱。由于高速大功率柴油機(jī)的單機(jī)功率一般為5 000～7 500 kW，常常不能滿足較大型艦船和特殊工程船對(duì)推進(jìn)功率的需求。用兩臺(tái)或多臺(tái)柴油機(jī)通過(guò)彈性聯(lián)軸節(jié)、離合器和并車(chē)齒輪箱共同驅(qū)動(dòng)一根螺旋槳軸作為船舶的主推進(jìn)系統(tǒng)，可滿足多種船舶對(duì)不同工況性能的要求，更能提高主動(dòng)力裝置的壽命、全壽命效費(fèi)比和生命力。由于它的自身的特點(diǎn)和優(yōu)越性，使其具有廣闊的發(fā)展前景。對(duì)其進(jìn)行系統(tǒng)研究，尤其是研究該系統(tǒng)工況切換過(guò)程中的動(dòng)態(tài)特性并制定正確有效的控制策略是十分必要的[1]。目前，國(guó)內(nèi)外對(duì)CODAD聯(lián)合動(dòng)力裝置的研究方法主要是仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)合的方式，其仿真計(jì)算主要是利用軟件Matlab/Simulink，實(shí)驗(yàn)部分主要靠搭建模擬試驗(yàn)臺(tái)來(lái)完成。國(guó)外有些公司已經(jīng)開(kāi)發(fā)出應(yīng)有于實(shí)船的CODAD聯(lián)合動(dòng)力裝置控制系統(tǒng)，雖然國(guó)內(nèi)也有些公司和高校對(duì)CODAD聯(lián)合動(dòng)力裝置控制系統(tǒng)進(jìn)行研究，但目前還沒(méi)有開(kāi)發(fā)出能夠應(yīng)用于實(shí)船的成熟軟件。目前，國(guó)內(nèi)軟件存在的主要問(wèn)題是穩(wěn)定性和精確度都不高。本文是多機(jī)并車(chē)系統(tǒng)為仿真對(duì)象，經(jīng)過(guò)對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行分解，整個(gè)系統(tǒng)可看成是由幾個(gè)系統(tǒng)組成，用集中參數(shù)化對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行簡(jiǎn)化，再經(jīng)過(guò)合理的綜合處理，可建立可行的物理模型和仿真模型，提高CODAD聯(lián)合動(dòng)力裝置控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性和精確度。

2 聯(lián)合動(dòng)力裝置系統(tǒng)建模

2.1 推進(jìn)系統(tǒng)的模型

船舶主機(jī)通過(guò)傳動(dòng)設(shè)備帶動(dòng)螺旋槳轉(zhuǎn)動(dòng)，螺旋槳在水中旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生推力，推力通過(guò)推力軸承作用在船體上，推動(dòng)船舶運(yùn)動(dòng)。CODAD聯(lián)合動(dòng)力裝置控制系統(tǒng)的推進(jìn)系統(tǒng)物理模型和仿真模型如圖1和圖2所示。

圖1 推進(jìn)系統(tǒng)物理模型Fig.1 Physics Model of the propulsion system

圖2 整體CODAD系統(tǒng)的Simulink模型Fig.2 Simulation model of the CODAD system

2.2 船槳系統(tǒng)模型

根據(jù)螺旋槳工作機(jī)理可知，螺旋槳在敞水中的推力T為：

螺旋槳上的水力矩Mp為：

式中：KT—螺旋槳的推力系數(shù)；KQ—螺旋槳的扭矩系數(shù)；ρ—水的質(zhì)量密度。本文討論的供應(yīng)船航行環(huán)境是在近海區(qū)域，故使用海水的質(zhì)量密度，ρ=1.025×103kg/m3；n—螺旋槳的轉(zhuǎn)速，r/min；D—螺旋槳的直徑，選取螺旋槳的直徑為2.9 m。

根據(jù)牛頓定理，船舶推進(jìn)系統(tǒng)在無(wú)偏轉(zhuǎn)作用時(shí)的動(dòng)力學(xué)方程和運(yùn)動(dòng)學(xué)方程可以用以下方程來(lái)描述[2]，其動(dòng)力學(xué)和運(yùn)動(dòng)學(xué)關(guān)系表述如下。

(1)動(dòng)力學(xué)方程

(2)運(yùn)動(dòng)學(xué)方程

式中：Te—可調(diào)槳的有效推力，N；R—船體的運(yùn)動(dòng)阻力，可表示為R=rVzs，r為阻力系數(shù)，與船舶的載重、污底、風(fēng)浪和洋流等因素有關(guān)[3]，對(duì)于本文選取的某型石油平臺(tái)供應(yīng)船來(lái)說(shuō)，選取Z=2；M—船體總質(zhì)量，并且還考慮到隨船一起運(yùn)動(dòng)的附著水的質(zhì)量，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，可取附著水的質(zhì)量為船體總質(zhì)量的10%，單位kg；Vp—螺旋槳的進(jìn)速，m/s；Vs—船舶的航速，m/s；I—螺旋槳、軸系的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，除螺旋槳和軸系本身外，尚包括隨它們一起轉(zhuǎn)動(dòng)的附著水的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，因此要把轉(zhuǎn)動(dòng)慣量I增加15%；ns—主機(jī)轉(zhuǎn)速，r/min；n—螺旋槳的轉(zhuǎn)速，r/min；Md—主機(jī)輸出扭主機(jī)輸出功率；Mf—軸系的摩擦力矩M(f)=f(n)，一般為螺旋槳轉(zhuǎn)速n的函數(shù)，考慮到其影響較小，且計(jì)算比較困難，所以結(jié)合經(jīng)驗(yàn)，將其估算為螺旋槳負(fù)載力矩的10%；Mp—螺旋槳的阻力矩，N·m；i—后傳動(dòng)裝置的減速比，i=ns/n，本文中的減速器的傳動(dòng)比i=5.0。船槳系統(tǒng)的Simulink模型如圖3所示[2]。

2.3 柴油機(jī)本體模型

根據(jù)柴油機(jī)工作原理[4]，柴油機(jī)的有效功率Ps和每缸的循環(huán)供油量gc、缸數(shù)m、轉(zhuǎn)速n的關(guān)系如下：

圖3 船槳系統(tǒng)的Simulink模型Fig.3 Simulation model of the ship-propeller system

式中：n—柴油機(jī)的轉(zhuǎn)速，r/min；m—?dú)飧讛?shù)目；gc—柴油機(jī)的循環(huán)供油量，kg/r；Hu—燃油的低熱值，KJ/kg，柴油一般為42 700 KJ/kg；ye—有效效率。

柴油機(jī)本體的Simulink模型[2]如圖4所示。

2.4 控制器模型

單調(diào)速器控制方式在并車(chē)運(yùn)行過(guò)程中，主要是根據(jù)每臺(tái)柴油機(jī)的油門(mén)－油量曲線，通過(guò)1個(gè)控制器來(lái)控制2臺(tái)并聯(lián)運(yùn)行的柴油機(jī)的各自齒條的位移，控制2臺(tái)主機(jī)的供油量從而達(dá)到使并車(chē)柴油機(jī)功率均衡的目的，具體工作原理如圖5所示。

CODAD聯(lián)合動(dòng)力裝置系統(tǒng)中調(diào)速器控制部分應(yīng)具有如下控制功能：

1)2個(gè)獨(dú)立的調(diào)速器功能；

2)單機(jī)模式至雙機(jī)模式負(fù)荷轉(zhuǎn)移功能；

3)雙機(jī)模式功率平衡功能；

4)雙機(jī)模式至單機(jī)模式負(fù)荷轉(zhuǎn)移功能。

通過(guò)該控制器可以與動(dòng)力裝置仿真模型連接進(jìn)行單機(jī)控制、雙機(jī)控制以及雙機(jī)功率平衡控制，實(shí)現(xiàn)調(diào)整器控制器所具有的功能。圖6為控制器simulink 模型[5]。

圖4 柴油機(jī)本體的Simulink模型Fig.4 Simulation model of the diesel engine

圖5 單調(diào)速器控制法原理框圖Fig.5 Theory Diagram of the single speed governor

3 仿真計(jì)算及結(jié)果分析

某型5 296 kW海洋石油平臺(tái)多用途工作船推進(jìn)系統(tǒng)采用了4臺(tái)8N21A-EN型中高速柴油機(jī),每根軸上的2臺(tái)主機(jī)通過(guò)齒輪傳動(dòng)裝置并車(chē)來(lái)驅(qū)動(dòng)調(diào)距槳。本文所采用的建模軟件為Matlab/Simulink。另考慮到2根軸具有高度的對(duì)稱性，為了提高模型運(yùn)算速度，在建模時(shí)將實(shí)船的四機(jī)雙槳變成了雙機(jī)單槳，同時(shí)相應(yīng)地修改船體總阻力曲線等參數(shù)，使仿真模型與實(shí)船保持相同的動(dòng)力特性。

圖6 控制器simulink模型Fig.6 Simulation model of the controller

3.1 仿真實(shí)例初始條件

某油田守護(hù)船主尺度參數(shù)、主機(jī)的主要參數(shù)和設(shè)計(jì)目標(biāo)見(jiàn)表1 ～3。

表1 某油田守護(hù)船的主尺度Tab.1 The main dimension of watching ship of the oil platform

表2 某油田守護(hù)船主機(jī)的主要參數(shù)Tab.2 The main parameter of watching ship of the oil platform

表3 某油田守護(hù)船設(shè)計(jì)主要參數(shù)Tab.3 The main contrivable parameter of watching ship of the oil platform

3.2 仿真計(jì)算及結(jié)果分析

對(duì)上述某型5 296 kW油田守護(hù)船雙機(jī)并車(chē)運(yùn)行為例進(jìn)行仿真，主機(jī)輸出功率、螺距和主機(jī)轉(zhuǎn)速變量范圍見(jiàn)表4。

表4 某油田守護(hù)船主要參量范圍Tab.4 The variational limit of main parameter of watching ship of the oil platform

下面在定速控制模式下，對(duì)雙機(jī)并車(chē)和解列進(jìn)行仿真計(jì)算。在仿真中，仿真算法和步長(zhǎng)可由仿真軟件自由選擇，這里仿真算法選擇的是Runge Kutta法，步長(zhǎng)選擇的是0.001 s。仿真時(shí)間是200 s。

整個(gè)仿真過(guò)程模擬2臺(tái)相同的柴油機(jī)，分別采集2臺(tái)柴油機(jī)的轉(zhuǎn)速和船舶航速等數(shù)據(jù)繪制曲線如圖7 ～9所示。在仿真開(kāi)始2臺(tái)柴油機(jī)同時(shí)啟動(dòng)并加速，在30 s時(shí)主機(jī)轉(zhuǎn)速達(dá)到1 000 r/min并接排，在30 s時(shí)螺距比由0%開(kāi)始增大至60 s時(shí)為100%，船速也由0 kn增加到14.6 kn；在60 ～70 s之間，主機(jī)轉(zhuǎn)速和螺距比都保持不變，則船舶保持勻速航行；在70 s時(shí)螺距比由100%降至90 s時(shí)的0%，船速開(kāi)始降低，但由于慣性船速在110 s時(shí)降至為0 kn；在90 s時(shí)2#柴油機(jī)轉(zhuǎn)速由1 000 r/min降至120 s時(shí)為0 r/min；在120 s時(shí)，螺距比開(kāi)始由0%增大至150 s時(shí)為100%，船速則由0 kn增加至12.8 kn；在150 ～160 s之間，主機(jī)和螺距比都保持不變，則船舶也保持勻速航行；在160 s時(shí)螺距比由100%降至180 s時(shí)的0%，則船速也開(kāi)始下降，但由于慣性船速在200 s降為0 kn。

圖7 1號(hào)主機(jī)轉(zhuǎn)速仿真結(jié)果Fig.7 Simulation rotate speed of the 1#main engine

由圖7和圖8可以看出2臺(tái)柴油機(jī)在雙機(jī)運(yùn)行和單機(jī)運(yùn)行時(shí)，柴油機(jī)的轉(zhuǎn)速都很平穩(wěn)。由圖9可以看出在可調(diào)槳的螺距比增大和減小時(shí)，船舶航速比較平穩(wěn)也沒(méi)有出現(xiàn)大的波動(dòng)，并且在柴油機(jī)轉(zhuǎn)速和設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速相同的情況下，仿真船速與設(shè)計(jì)船速的誤差在2%之內(nèi)。因此，本文建立的仿真模型很好的解決了雙機(jī)并車(chē)中穩(wěn)定性和精確度問(wèn)題。

4 結(jié)論

圖8 2號(hào)主機(jī)轉(zhuǎn)速仿真結(jié)果Fig.8 Simulation rotate speed of the 2#main engine

圖9 石油平臺(tái)守護(hù)船的船速仿真結(jié)果Fig.9 Simulation sail speed of the Watching ship of the oil platform

采用MATLAB/SIMUL IN K軟件搭建推進(jìn)系統(tǒng)、船槳系統(tǒng)和柴油機(jī)本體等仿真模型，并通過(guò)調(diào)速器控制并車(chē)運(yùn)行技術(shù)，對(duì)該系統(tǒng)模型進(jìn)行仿真計(jì)算。通過(guò)仿真結(jié)果可以得出具有實(shí)際意義和應(yīng)用價(jià)值的結(jié)論：文中搭建的仿真模型較好的解決了CODAD聯(lián)合動(dòng)力裝置控制系統(tǒng)的精確度和穩(wěn)定性的問(wèn)題，可以為從事該類(lèi)型船舶管理和設(shè)計(jì)工作提供借鑒和參考。

[1]安玉昌,陳國(guó)鈞，吳杰長(zhǎng).艦船柴油主機(jī)雙機(jī)并車(chē)功率均衡控制技術(shù)[J].海軍工程大學(xué)學(xué)報(bào)，2003(3)：58-61.

[2]王海剛.高速船可調(diào)槳推進(jìn)系統(tǒng)建模及仿真研究[D].武漢：武漢理工大學(xué),2008.

[3]張貽飛,王曉明,魏緒臻.柴油機(jī)并車(chē)傳動(dòng)裝置及其應(yīng)用[J].艦船科學(xué)技術(shù),1998(1)：22-26.

[4]王長(zhǎng)林,劉永文,翁史烈.傳動(dòng)四沖程船用柴油機(jī)的建模和實(shí)時(shí)仿真[J].中國(guó)造船,1997(4)：4-10.

[5]徐 斌.船舶動(dòng)力裝置仿真中的仿真控制系統(tǒng)[J].交通部上海船舶運(yùn)輸科學(xué)研究所學(xué)報(bào)，2002，25(1):34-39.