基于CAN總線(xiàn)的艦船主動(dòng)力仿真系統(tǒng)設(shè)計(jì)

王曉東，張丹瑞

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基于CAN總線(xiàn)的艦船主動(dòng)力仿真系統(tǒng)設(shè)計(jì)

王曉東，張丹瑞

(上海船舶運(yùn)輸科學(xué)研究所軍品分所, 上海 200135)

為提高艦船主動(dòng)力監(jiān)控系統(tǒng)調(diào)試的效率，縮短主動(dòng)力監(jiān)控系統(tǒng)的出廠檢驗(yàn)時(shí)間，增強(qiáng)學(xué)員系統(tǒng)操作培訓(xùn)的效果，我設(shè)計(jì)了基于CAN現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)的艦船主動(dòng)力半實(shí)物實(shí)時(shí)仿真系統(tǒng)。本文建立了艦船主動(dòng)力系統(tǒng)的Simulink模型，通過(guò)CAN總線(xiàn)將I/O接口箱和仿真計(jì)算機(jī)相連，將Simulink中的模型數(shù)據(jù)與VC程序?qū)崟r(shí)交互，并由VC界面實(shí)時(shí)顯示。該系統(tǒng)應(yīng)用于艦船主動(dòng)力系統(tǒng)調(diào)試中，并獲得了良好的調(diào)試效果，滿(mǎn)足設(shè)計(jì)的要求。

CAN總線(xiàn) 艦船主動(dòng)力系統(tǒng)模型仿真 Simulink實(shí)時(shí)仿真 VC界面顯示

0 引言

國(guó)外自七十年代初開(kāi)始進(jìn)行艦船主動(dòng)力監(jiān)控系統(tǒng)的仿真應(yīng)用研究。剛開(kāi)始是物理模擬，后來(lái)隨著計(jì)算機(jī)的快速發(fā)展，到七十年代末就開(kāi)始進(jìn)入數(shù)字仿真和半實(shí)物模擬，并在指導(dǎo)艦船動(dòng)力系統(tǒng)的論證，設(shè)計(jì)，試驗(yàn)等方面發(fā)揮了重要作用。

本文主要實(shí)現(xiàn)仿真功能有：艦船柴油機(jī)仿真、摩擦片式離合器接、脫排仿真、螺旋槳?jiǎng)恿Ψ抡?、?dòng)力系統(tǒng)監(jiān)測(cè)報(bào)警仿真、故障設(shè)置仿真等。本系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)模型實(shí)時(shí)仿真，與VC界面程序?qū)崟r(shí)交互數(shù)據(jù)，并通過(guò)CAN總線(xiàn)與I/O接口箱通信。采用CAN總線(xiàn)通訊結(jié)構(gòu)，使得本套半實(shí)物仿真系統(tǒng)大大提高了模擬調(diào)試的效率、可靠性，并極大增強(qiáng)了仿真系統(tǒng)硬件接口的擴(kuò)展性。通過(guò)主動(dòng)力監(jiān)控系統(tǒng)實(shí)際項(xiàng)目的調(diào)試，驗(yàn)證這套艦船主動(dòng)力半實(shí)物實(shí)時(shí)仿真系統(tǒng)符合設(shè)計(jì)要求。

1 艦船主動(dòng)力仿真系統(tǒng)的基本原理

1.1 艦船主動(dòng)力仿真系統(tǒng)的硬件原理

艦船主動(dòng)力半實(shí)物仿真系統(tǒng)的硬件組成如圖1所示，虛線(xiàn)內(nèi)為外部系統(tǒng)。模擬機(jī)與I/O接口箱通過(guò)CAN總線(xiàn)相連，I/O接口箱再通過(guò)硬線(xiàn)與某型艦船主動(dòng)力監(jiān)控系統(tǒng)相連。硬線(xiàn)主要傳輸開(kāi)關(guān)量信號(hào)——主機(jī)起動(dòng)命令、離合器接排命令、主機(jī)故障停車(chē)信號(hào)等；頻率信號(hào)——主機(jī)轉(zhuǎn)速、軸系轉(zhuǎn)速、A列增壓器轉(zhuǎn)速等；模擬量信號(hào)——主機(jī)油門(mén)給定、槳角給定、離合器工作油壓等。I/O接口箱中主要包含了CAN-I/O系列模塊，其主要功能為將開(kāi)關(guān)量信號(hào)、模擬量信號(hào)、頻率信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，傳送到CAN總線(xiàn)上或?qū)AN總線(xiàn)上的電信號(hào)轉(zhuǎn)換為開(kāi)關(guān)量信號(hào)、模擬量信號(hào)、頻率信號(hào)，通過(guò)硬線(xiàn)傳送到艦船監(jiān)控系統(tǒng)中。通過(guò)增加、減少CAN總線(xiàn)的節(jié)點(diǎn)數(shù)，就可以對(duì)I/O接口箱中模塊進(jìn)行增減，使得系統(tǒng)具有良好的可擴(kuò)展性；并且單個(gè)模塊損壞不會(huì)影響其它模塊的工作，提高了系統(tǒng)的可靠性。模擬機(jī)選用工控機(jī)主要實(shí)現(xiàn)模型Simulink實(shí)時(shí)仿真、VC界面顯示功能。

1.2 艦船主動(dòng)力仿真原理

艦船主動(dòng)力仿真原理如圖2，虛線(xiàn)內(nèi)為外部系統(tǒng)。通過(guò)外部主動(dòng)力監(jiān)控系統(tǒng)的調(diào)速器對(duì)主機(jī)——柴油機(jī)的控制，實(shí)現(xiàn)調(diào)速功能，柴油機(jī)產(chǎn)生動(dòng)力矩，通過(guò)傳動(dòng)裝置（主要為離合器、齒輪箱、軸系等）傳遞到螺旋槳，螺旋槳產(chǎn)生船舶前進(jìn)或后退的推力，并與船體阻力和其它摩擦力之間的不平衡，導(dǎo)致船速發(fā)生變化[1]。

1.2.1艦船主動(dòng)力仿真公式

根據(jù)圖2所示，主機(jī)、槳、船體平衡方程為：

式中：M為主機(jī)輸出扭矩（Nm）、M為槳阻力負(fù)荷扭矩（Nm）、M主機(jī)、軸、槳摩擦阻力扭矩（Nm）、為主機(jī)轉(zhuǎn)速角速度（rad/s）、為主機(jī)、軸、槳（連水）轉(zhuǎn)動(dòng)慣量(kg*m2)、k為常數(shù)，k=9550*H/60，其中H為常數(shù)、g為循環(huán)供油量(kg/cyc*m)、η為熱效率、Z為螺旋槳數(shù)量、為一個(gè)螺旋槳的有效推力（N）、為船舶質(zhì)量（kq）、m為船舶負(fù)載連水的質(zhì)量（kq）、V為船速（m/s）、V為螺旋槳進(jìn)速（m/s）、為螺旋槳推力減額系數(shù)、w為伴流系數(shù)、k為推力系數(shù)、為水密度（約為1026 kg/m3）、為主機(jī)轉(zhuǎn)速（r/min）、為螺旋槳直徑（m）、為船體的運(yùn)動(dòng)阻力（N）、為阻力總系數(shù)、為浸水面積、k為阻力系數(shù)。其中g為油門(mén)齒條位置h、主機(jī)轉(zhuǎn)速n的函數(shù)：g=f（h，n）且g正比于h、n；η為曲軸輸出的有效功的熱當(dāng)量與所消耗的燃料熱當(dāng)量的比值，隨n上升，η下降；w影響因素很多，簡(jiǎn)化為常數(shù)。

1.2.2摩擦片式離合器的仿真分析

本套仿真系統(tǒng)針對(duì)圖2中的傳動(dòng)裝置之離合器的選型，采用摩擦片式離合器并進(jìn)行仿真，其主要優(yōu)點(diǎn)為接脫排非常迅速，缺點(diǎn)為主機(jī)負(fù)荷變化大。離合器是船舶動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)的重要部件，它依靠主從動(dòng)片之間的摩擦力矩來(lái)傳遞動(dòng)力，并通過(guò)分離與接合來(lái)控制艦船動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)的工作狀態(tài)。圖3是離合器在艦船動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)中的位置及力學(xué)示意圖[2]。

是柴油機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩；是離合器傳遞的摩擦力矩；是等效到齒輪箱輸入軸的螺旋槳運(yùn)行阻力矩；ω是發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸角速度（也是離合器主動(dòng)片角速度）；ω是離合器從動(dòng)片角速度；J是柴油機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)部分慣量；J是等效到齒輪箱輸入軸上的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；

離合器工作過(guò)程可以分為完全接合、完全分離和滑磨3 個(gè)狀態(tài)。圖4是狹義動(dòng)態(tài)摩擦系數(shù)和輸入力矩影響系數(shù)與相對(duì)滑動(dòng)速度的關(guān)系[2]。

1.2.3Simulink實(shí)時(shí)仿真

利用MATLAB中Simulink仿真艦船主動(dòng)力系統(tǒng)。實(shí)現(xiàn)柴油機(jī)、摩擦片離合器、螺旋槳、船舶動(dòng)力、阻力的仿真。利用Simulink中RTW實(shí)時(shí)仿真功能，實(shí)現(xiàn)模型的實(shí)時(shí)仿真[3]。

2 艦船主動(dòng)力仿真系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)

2.1 基于CAN總線(xiàn)的通訊的實(shí)現(xiàn)

本套仿真系統(tǒng)采用CAN收發(fā)裝置、CAN-I/O系列模塊和仿真計(jì)算機(jī)組成CAN總線(xiàn)通訊網(wǎng)絡(luò)，如圖5。仿真機(jī)將開(kāi)關(guān)量、模擬量和頻率信號(hào)通過(guò)CAN收發(fā)裝置發(fā)送到CAN總線(xiàn)上，由CAN-I/O系列模塊接收電信號(hào)，再轉(zhuǎn)換成開(kāi)關(guān)量、模擬量信號(hào)發(fā)送到外部設(shè)備中。通訊協(xié)議為CAN2.0B，利用VC、USBCAN函數(shù)庫(kù)編寫(xiě)程序?qū)崿F(xiàn)通訊。

2.2 Simulink與VC之間實(shí)時(shí)通訊

本系統(tǒng)采用在VC環(huán)境中使用MATLAB引擎的方法。在C/C++與MATLAB混合編程過(guò)程中，使用MATLAB引擎是一種相對(duì)高效、簡(jiǎn)易的方法。MATLAB的引擎庫(kù)提供一些接口函數(shù)，利用這些接口函數(shù)，用戶(hù)可以在自己的程序中以計(jì)算引擎方式調(diào)用MATLAB。主要接口函數(shù)有：enOpen、engGetArray、engEvalString、engClose、engGetVariable、engPutVariable等[4]。利用VC編寫(xiě)界面實(shí)時(shí)顯示數(shù)據(jù)及仿真圖像，主要顯示實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)速等數(shù)值、主機(jī)起動(dòng)等開(kāi)關(guān)量信號(hào)。并實(shí)現(xiàn)起動(dòng)條件聯(lián)鎖等監(jiān)測(cè)報(bào)警點(diǎn)的模擬、主機(jī)滑油壓力等模擬量輸出、A/B列增壓器轉(zhuǎn)速等模擬頻率輸出的功能。

3 結(jié)論

本文基于CAN總線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)了艦船主動(dòng)力半實(shí)物實(shí)時(shí)仿真系統(tǒng)，并在艦船主動(dòng)力監(jiān)控系統(tǒng)調(diào)試中，完全滿(mǎn)足對(duì)仿真系統(tǒng)的要求，充分實(shí)現(xiàn)了艦船監(jiān)控系統(tǒng)對(duì)各項(xiàng)遙控、監(jiān)測(cè)報(bào)警的仿真功能，縮短了設(shè)備出廠調(diào)試的時(shí)間，提高了學(xué)員對(duì)系統(tǒng)操作的能力，達(dá)到對(duì)仿真系統(tǒng)設(shè)計(jì)的目的。

[1] 王國(guó)強(qiáng)，盛振邦. 船舶推進(jìn)[M]. 上海交通大學(xué)出版社，1995.

[2] 王玉海，宋健，李興坤. 離合器動(dòng)態(tài)過(guò)程建模與仿真[J]. 公路交通科技，2004, 21(10) a) 167-171.

[3] 張維競(jìng). 船舶動(dòng)力裝置系統(tǒng)仿真[M]. 上海交通大學(xué)出版報(bào)社, 2006.

[4] 張亮，王繼陽(yáng)等. MATLAB與C/C++混合編程[M].中國(guó)人民郵電出版社, 2008.

Simulating System Design Of Ship Propulsion Supervisory Control System Based on CAN Fieldbus

Wang Xiaodong, Zhang Danrui

(Military Products Sub-Institute, Shanghai Ship and Shipping Research Institute, Shanghai 200135, China)

TP391

A

1003-4862（2013）01-0050-03

2012-05-07

王曉東（1985-），男，碩士。研究方向：輪機(jī)工程。