艦船動力系統模塊化建模方法

胡錦暉，胡大斌，何其偉

(海軍工程大學，湖北 武漢430033)

0 引 言

在艦船動力系統仿真研究中，傳統的建模方法常采用高級程序語言(例如Basic，Pascal，C ++)編寫動力系統各設備的模型，模型結構固定，缺乏通用性，模型的適應性并不好。由于程序的可重用性差，導致代碼資源不能很好地共享，與現代軟件開發所遵循的理念不符。

模塊化的思想逐漸融入到建模仿真過程中:即采用某種規則把被研究系統分為不同的子系統，以模型模塊的形式表示每一個子系統，并按照子系統之間的構建關系將這些模塊連接起來，從而組合為被研究系統的仿真模型。這種思想可稱之為“模塊化建模”。

現代艦船的動力系統盡管設備種類繁多、技術復雜、規模龐大，但從其設備的工作原理來講存在著諸多類似的部件。例如，各種類型的推進電機在原理上基本一致，只是它們在特征參數等指標上有所不同。

在艦船動力系統的仿真研究過程中，可針對不同的子系統分別建立典型模塊的數學模型，然后將這些模型組合起來，以建立整個系統的數學模型。本文通過對模塊的分類、模塊間關系處理等模塊化建模方法的研究，實現了包含某型艦船動力系統主要模塊的模型庫設計，從而達到提高模型可重用性的目的。

1 動力系統模塊化建模方法

1.1 模塊化建模的準則

模塊化建模的基本原則為:采用標準化的規則建立子系統或部件的數學模型，再將該模型轉化為計算機子程序，作為基本的建模模塊，然后按照模塊之間的連接關系將它們組合成各種不同的系統仿真模型。模塊化建模還需滿足以下準則:

1)模型模塊相互間獨立，可單獨用于對某種設備進行仿真，又可參與更大系統的仿真;

2)基本的模型模塊構成系統的仿真模型，它們是組成整個系統的基本元素;

3)應保證各個模型模塊之間連接關系、命名、輸入輸出變量等規范化;

4)以各物理設備進行模型模塊的劃分，如艦船動力劃分為推進電機模塊、發電機模塊等。

1.2 模塊的分類

根據艦船動力系統的特點，可將其劃分為眾多子系統，通過對子系統的分析可將模塊分為設備模塊、邏輯控制模塊和功能模塊3 部分。

1)設備模塊。設備模塊可描述動力系統中各個設備的物理特性，其數學方程反映了其動態特性。同時，需要在設備模塊中考慮預留模擬故障的變量。

2)邏輯控制模塊。由于動力系統的操作使用中存在著大量控制、自動保護、報警等邏輯過程，在模型中需要編制相應的邏輯控制模塊。例如，在艦船動力系統中，推進電機的啟停、反轉等邏輯控制過程。

3)功能模塊。完成某種獨立功能的子系統或設備的模型可以將其定為功能模塊。這類模塊有較為實際的意義，例如柴油機調速系統、增壓器系統等，可表征一個子系統的動穩態特性，完成某項功能。

1.3 模塊的分解

艦船動力系統的模塊化建模研究首先是對動力系統進行合理的模塊化分解，分解過程中應保證模塊間的物理、數學獨立性。合理地進行模型分解有利于建模和后期的模型修改。

在對艦船動力系統進行模塊化分解過程中，根據系統的物理邊界，逐步分拆劃分子系統，從系統到子系統，再到設備，最后分為部件，形成層次分明的層級結構，如圖1所示。

圖1 動力系統的建模層次Fig.1 Modeling hierarchy of power system

本文中，某型艦船動力系統的分層模塊化模型可用圖2 表示。第1 層次是整個系統的模型，由對應于各個子系統的子模型組成，如本文所研究的動力系統模型由原動機、發電機系統、推進電機系統等子模型組成;第2 層次是各個子系統由其對應于各個設備的模塊組成，反映子系統的結構，如推進系統由推進電機、離合器、軸系等組成;第3 層次是部件模型，如柴油機由本體、增壓器、調速器等組成。

圖2 艦船動力系統的分層模塊Fig.2 Hierarchical modules of the warship's power system

2 基于模塊化的動力系統模型庫的建立

某型艦船動力系統的基本工作原理是:柴油機作為原動機帶動發電機工作，在不同工況下工作，直接給推進電機和其他設備供電，或給蓄電池充電;推進電機產生扭矩，并通過軸系帶動螺旋槳旋轉;同時螺旋槳產生推力，通過推力軸承推動艦船向前運動。螺旋槳產生的推力與艇體阻力的不平衡，導致艦船航速的變化。推進電機產生的扭矩與推進軸系的損失扭矩、螺旋槳扭矩的不平衡，導致軸系轉速的變化。

2.1 柴油機系統模塊

根據柴油機的構成及工作原理，將其分解為如圖3所示的模塊化分解圖。

圖3 柴油機模塊化分解圖Fig.3 Block diagram of diesel engine modules

在柴油機系統模塊中，可將其分為調速器模塊、噴油泵模塊、柴油機本體模塊、渦輪增壓器模塊、進氣管和排氣管模塊等子模塊。由于以上模塊運行機理均較為明確，且設計參數已知或測量較為便利，各種模塊的數學模型均可采用機理建模法?？赏ㄟ^模塊的過程機理、物理規律、參數方程直接列出其動態數學方程。例如，機械液壓式調速器可采用簡化的模型:

其中k和τ0為和調速器特性相關的常數。

噴油泵每循環有效噴油量g與循環供油量gc的傳遞函數模型為:

其中，τ為噴油泵的時間常數。

2.2 發電機模塊

該型艦船發電機為單電樞、單換向器、直流發電機，通過控制面板上的勵磁轉換開關可以選擇采用他勵或自勵的方式進行勵磁，采用改變勵磁電流的方式進行輸出電壓的調節。發電機的建模與勵磁方式有關，模型由于勵磁方式的不同而略有差別。

當勵磁系統工作在他勵方式時，其數學模型可用下式表示:

式中:J′為發電機軸系轉動慣量;ω′為發電機軸系角速度;M′e為發電機電磁扭矩;M′f為柴油發電機組軸系上的扭矩損失。

當勵磁系統工作在自勵方式時，勵磁回路不需要蓄電池的供電。由于發電機存在剩磁，電樞端電壓將逐漸升高，最終建立電樞端電壓。

2.3 推進電機模塊

本文研究的動力系統中所有推進電機均為直流電機，其基本工作原理一致，只是電機的特征參數不同，采用雙電樞、他勵直流電機，通過改變電樞連接方式(串聯或并聯)以及調節勵磁電流的方法進行調速，推進電機還可工作于兩組蓄電池串聯的工況下，但電機的持續工作時間受到限制;考慮到仿真的有效性和實時性，對推進電機進行建模時可以考慮進行一些簡化。直流推進電機仿真框圖如圖4所示。

圖4 直流推進電機仿真框圖Fig.4 Simulation block diagram of the DC propulsion moto

忽略電樞回路的自感電勢、電樞反應、互感等因素，直接傳動的單電樞直流推進電機運行時滿足以下方程:

式中:J為電機軸系轉動慣量;ω為軸系角速度;Me為電樞電磁扭矩;Mp為螺旋槳的阻力矩;Mf為推進系統總的扭矩損失。

2.4 螺旋槳、船體模塊

艦船推進系統模型中的船體、推進電機和螺旋槳3個部分共同組成船機槳系統，在這個系統中，僅考慮推進裝置的回轉部分運動和艦船的直線運動2 種運動，它們相應的動力學方程為:

式中:m為船體的總質量，kg;kw為附水系數;vs為艦船航速，m/s;Z為同時工作的螺旋槳數;Pe為螺旋槳的有效推力;RT為船體阻力。

螺旋槳與船體模塊分解圖如圖5 示。

圖5 螺旋槳與船體模塊分解圖Fig.5 Block diagram of the propeller and hull modules

2.5 蓄電池組模塊

由于蓄電池的端電壓、充放電電流受各種因素的影響很大，蓄電池建模是艦船動力系統建模仿真的難點。隨著蓄電池容量的不斷減少，其輸出電壓、電流及電解液密度逐步變化。由于艦船蓄電池的試驗經費和使用壽命受到限制，不能在實艇上進行充分實驗，但可利用其充放電曲線來建模。

本文所研究的艦船蓄電池采用四級恒電流充電方法充電，當達到第四級過渡電壓時，用略高于過渡電壓的恒定電壓進行充電，并根據過渡電壓的變化逐漸降低充電電流，充電結束時對最大充電電流進行限制。充電電量Qc可按照如下公式計算:

式中:I1，I2，I3為一、二、三級充電電流值;t1，t2，t3為一、二、三級充電時間;I4，I5，…，Ik-1為第四級充電過程中的充電電流值;Ik為第四級充電結束時電流值。

蓄電池的放電模型可利用其放電特性曲線并結合電化學經驗公式，進行放電過程的仿真。

2.6 輔助機械模塊

輔助機械包括一些水泵、油泵、離心泵、輔助電機等設備。輔機的功率一般均可從設計資料或銘牌上獲取，在電網電壓一定的情況下，可根據當前使用狀況來確定輔機耗電電流，將其并入全系統的仿真模型參與仿真計算。

2.7 邏輯和控制系統模塊

所有動力系統設備均有相應的控制機構對其實施復雜的邏輯控制，例如推進電機控制系統實現對推進電機的控制。在仿真軟件中，設計的人機交互界面與實裝控制裝置具有對應的關系，當控制系統中的某個開關、指示燈、儀表的狀態發生改變時，人機交互界面上的對應部分也發生同樣改變。人機交互界面以邏輯控制模型為基礎。整個控制系統模型模塊化結構圖如圖6所示。

為了實現對各控制系統的仿真，在仿真系統開發過程中，可建立描述邏輯和控制過程的數學模型，用來模擬系統的操作、控制、安全保護和故障報警等功能。通過描述系統操作和邏輯控制的數學關系式，可以建立邏輯和控制系統的數學模型。

圖6 控制系統模型模塊化結構圖Fig.6 Modular structrue diagram of control system models

在實際控制系統中，通常還具有對被控設備的自動保護功能，這種保護功能的仿真同樣可以用邏輯關系式來進行描述，例如當某艦船處于通氣管航行工況時，如果柴油機轉速大于一定值且排氣外舌閥處于關閉狀態，邏輯控制系統可以在給定時間后對柴油機發出外部停車信號，使其逐漸減速停車，從而實現安全保護功能。這一邏輯關系可用下式表示(邏輯符號之間的圓點表示邏輯“與”):

各邏輯符號的意義為:“P1 =1”為發出外部停車信號， “P2 = 1”為艦船處于通氣管航行狀態，“P3 = 1”為柴油機轉速大于450 rpm，“P4 = 1”為排氣外舌閥關閉，“P5 = 1”為延時過程結束。

3 應用實例及模型驗證

以上述方法建立的模型為基礎，對某型艦船動力系統主要模塊進行模塊劃分，得到其主要模塊結構圖如圖7 示。

圖7 某艦船動力系統主要模塊結構圖Fig.7 Structure of main modules of the warship's power system

本文的仿真對象主要分為柴油發電機系統、電力推進系統及輔助系統等，主要考慮動力系統的2種典型工況:航行工況(包括水面航行、通氣管航行以及水下航行工況)和充電工況。航行工況仿真需綜合艇體、螺旋槳、推進電機、蓄電池放電和輔機耗電等幾部分模型，各種不同航行工況下需設定不同的參數，例如艇體附水系數、阻力系數等。而充電工況的仿真則還需柴油發電機系統的模型參與運算。

為了驗證仿真模型的正確性和精確度，通過試驗對該動力系統主要設備模塊的運行數據進行了實際測量，同時，對艦船航行過程中螺旋槳轉速、航速等參數進行記錄，將仿真研究結果與之進行對比。例如，圖8和圖9 分別是電機轉速和電樞電流隨時間的變化曲線。圖中的參數值均已作無量綱化處理。仿真結果經與實測值比較，能較好地吻合，其動態仿真過程與實測值較為相符，轉速、電樞電流、轉矩等參數的穩態值與實測值的誤差在5%之內。結果表明，以此方法建立的動力系統模型很好地滿足了精度需求，比較精確地反映了系統的動穩態特性。

圖8 電機轉速隨時間的變化Fig.8 Curves of motor speed versus time

圖9 電機電樞電流隨時間的變化Fig.9 Curves of motor armature current versus time

4 結 語

本文首先對模塊化建模方法進行了研究，針對某型艦船動力系統的特殊性，研究了模塊的分類、模塊的分解處理等動力系統模塊化建模方法;在此基礎上，完成了艦船動力系統的模塊庫的建立，包括柴油機系統模塊、發電機模塊、推進電機模塊、螺旋槳艇體模塊、蓄電池模塊、輔助機械模塊、邏輯和控制系統模塊等，克服了傳統建模方法得到的模型可移植性與獨立性較差的缺點，提高了模型的可重用性。

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