基于dSPACE的核電柴油機調速系統硬件在環仿真研究

薛勝峰 譚旭東 周立平 王海寶

摘 要：根據MTU956核電柴油機利用Simulink建立了對應的增壓柴油機平均值模型，利用dSPACE搭建了電控系統硬件在環仿真試驗平臺。利用硬件在環仿真試驗平臺主要進行了起動功能、調速功能、相繼渦輪增壓切換過程的驗證。試驗結果表明，該仿真試驗平臺在滿足實時性的前提下具有較高的精度，可靠性高，靈活方便，能有效地提高開發效率。

關鍵詞：核電柴油機;電控系統;硬件在環

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2019.18.160

0 引言

調速器對于柴油機就相當于是人的大腦，對于柴油機有著十分重要的作用。其原理是當柴油機負荷變化時，調速器根據對應的控制策略自動的加大或者減小油門，從而使柴油機轉速達到目標值[1]。由于柴油機的工作條件十分惡劣，存在許多極限以及危險的工況，對于人身安全存在許多隱患，因此硬件在環仿真測試技術對于控制系統的開發十分重要。本文以MTU956核電柴油機為研究對象，利用dSPACE硬件與Simulink軟件搭建了電子調速系統硬件在環仿真試驗平臺，為調速系統功能的正確性和有效性驗證提供了良好的環境。

1 柴油機實時仿真模型結構原理

根據質量守恒、能量守恒和氣體狀態方程等熱力學公式搭建了柴油機平均值模型，并結合經驗公式和實驗數據標定使發動機各個工況下的性能仿真更加準確。本模型主要分為增壓柴油機模型，調速系統模型以及燃油系統模型等三大部分，其中增壓柴油機模型又包括渦輪增壓器，中冷器以及柴油機本體模型。[2]利用Simulink搭建完各個模塊之后，分析各個模塊輸入輸出之間的相互關系并連接，得到如圖1的增壓柴油機結構圖。

1.1 渦輪增壓器模型

1.1.1 壓氣機模型

在用Simulink設計壓氣機模塊時，輸入的參數為增壓器的轉速和流量，輸出參數為壓氣機消耗的轉矩及出口壓力和溫度，它們分別由下式求得[4]：

式中R為氣體常數，k為氣體絕熱指數，T1為環境溫度，為大氣壓力。

1.1.2 渦輪模型

渦輪方法原理基本與壓氣機相同。

1.2 中冷器模型

為了提高柴油機增壓效果常采用中冷器。增壓空氣流經中冷器后，產生壓力損失和溫度降，這種壓力損失和溫度降將隨著負荷的減小而減小。中冷器出口溫度T3與壓力P3由下式求得：

式中，為中冷器冷卻系數，一般取0.7-0.9，視中冷器實際情況而定。

增壓空氣通過中冷器的壓降△P是通過查表計算得到的，通過發動機轉速與負荷查找壓降。則中冷器出口壓力P3計算公式為：

1.3 柴油機本體模型

柴油機本體模型主要包括充氣效率，進入氣缸的氣體流量，指示熱效率，平均排氣溫度，指示轉矩和摩擦轉矩。

1.3.1 充氣效率

氣缸充氣效率為轉速n的函數，所以充氣效率由查找事先擬合的充氣效率-轉速曲線圖得到。

1.3.2 進入氣缸的氣體流量

氣體流量計算公式為：

式中，為充氣效率，V為發動機總排量（），n為發動機轉速。

1.3.3 指示熱效率

指示熱效率是發動機轉速和空燃比的函數。因此，通過事先做出轉速，空燃比，指示熱效率的MAP圖，即可根據轉速和空燃比查得對應的指示熱效率。

1.3.4 平均排氣溫度

排氣溫度T4是體現增壓器性能的主要因素，主要由下式計算：

式中，為排氣溫度因子，為空氣流量，為燃氣流量。

本文將排氣溫度因子僅看作是空燃比的函數，將空燃比與排氣溫度因子做成MAP圖，通過空燃比查找得到對應的排氣溫度因子，從而求得排氣溫度。

1.3.5 指示轉矩

指示轉矩Mi的計算公式為：

1.3.6 摩擦轉矩

本文將摩擦轉矩僅僅看作是轉速的函數，由下式求得：

1.4 燃油系統

燃油系統的燃油量主要隨柴油機轉速n與齒條位移x改變，其計算公式為：

1.5 調速系統

調速系統主要采用PID來控制柴油機轉速，它根據目標轉速和實際轉速偏差的比例（P），積分（I）和微分（D）進行控制。其原理是轉速偏差經過PID的算法處理轉變為執行器的控制信號，并最終作用于燃油系統的齒條位移，實現噴油。

2 柴油機硬件在環試驗平臺的建立

柴油機電子調速系統硬件在環平臺主要由柴油機實時仿真模型、輸入輸出接口、控制器、執行器等構成。[3]圖3為柴油機硬件在環試驗平臺信號連接原理圖。

dSPACE實時系統具有高速計算能力，包括處理器和I/0接口等，而且可以方便的實現代碼生成、下載和試驗等工作。將Simulink建立的柴油機仿真模型下載到dSPACE上，通過dSPACE上的I/O模塊將柴油機輸出的數字信號轉變為與控制系統相對應的模擬信號。利用dSPACE平臺來模擬柴油機的工作過程并進行相關數據的分析與處理，實現柴油機模型與實際控制器的無縫連接[5]。

其中發動機模型的轉速信號需要轉換成ECU可識別的固定占空比（0.5）的脈沖信號，轉換公式如下：

該柴油機調速系統硬件在環試驗平臺具有可以對實際情況進行模擬而不會產生危險，測試柴油機在極端條件下的性能，降低設備成本以及維護成本等諸多優點，因此，對該柴油機調速系統硬件在環試驗平臺的研究具有重要的意義。

3 柴油機硬件在環仿真試驗

利用建立的柴油機調速系統硬件在環仿真試驗平臺，主要對起動過程、調速過程、相繼增壓過程切換等進行了仿真測試。

3.1 起動過程驗證

起動過程中，首先由電機拖動發動機至65r/min，此時執行器動作，開始噴油，并保持執行器位移為12mm，開環加速至500r/min，此時加入轉速閉環并加速至600r/min保持穩定。起動過程的轉速曲線和齒條位移曲線如下圖4，圖5所示。結果表明，本文搭建的半物理仿真平臺能夠較好的模擬和驗證柴油機起動過程。起動測試內容如表1所示。

由圖中轉速曲線可知，此柴油機仿真模型起動所需的時間大概在2s，符合柴油機的運行規律;與此同時，起動過程中的柴油機轉速超調量大概在50r/min，轉速波動的范圍在合理范圍之內，與柴油機轉速對應的齒條位移變化曲線符合柴油機的運行規律，因此本仿真過程驗證了柴油機的起動過程。

3.2 調速功能驗證

對于調速功能的驗證主要是對柴油機進行突加和突卸負荷，觀察柴油機響應特性。在所建立的增壓柴油機仿真模型中搭建了負荷調節模塊，當柴油機穩定在額定轉速1500r/min時，通過對仿真模型突加和突卸負載，得到柴油機轉速變化曲線以及齒條位移變化曲線，分別如圖6，圖7所示。

從圖中轉速曲線可以看出，柴油機穩定在額定轉速1500r/min時，突然對柴油機施加負載，轉速迅速下降到1470r/min左右，又在很短的時間內恢復到1500r/min，整個過程大概在1s左右;與此對應的齒條位移為了使轉速穩定在1500r/min，迅速上升，最終穩定在13mm左右。然后突然對柴油機卸去負載，轉速迅速上升到1530r/min左右，又在很短的時間內恢復到1500r/min，整個過程持續時間大概在1s左右;同時齒條位移迅速下降最終穩定在6.5mm左右。整個突加突卸過程的轉速和齒條位移響應速度快，符合柴油機的運行規律。

3.3 相繼增壓切換過程驗證

MTU956柴油機所帶的五組渦輪增壓器具體工作過程為：柴油機轉速達到300rpm時，A1/A2渦輪增壓器切入使用;當A1/A2的渦輪增壓器轉速到達39000rpm時，B1渦輪增壓器切入使用;當B1渦輪增壓器轉速達到39000rpm時，B2渦輪增壓器切入使用;當B2渦輪增壓器轉速達到41000rpm時，B3渦輪增壓器切入使用。通過柴油機硬件在環仿真平臺模擬上述渦輪增壓器工作過程，得到如圖所示渦輪增壓器轉速變化曲線。

由上述渦輪增壓器轉速曲線可知，增壓器A1、A2同時工作，因此轉速一致。當增壓器A1、A2轉速隨著工況增大到39000rpm時，增壓器B1開始切入，受B1切入的影響，增壓器A1、A2的轉速斜率降低，即上升速度降低，但依舊處于加速狀態;當增壓器B1轉速達到39000rpm時，增壓器B2開始切入，受B2切入的影響，增壓器A1、A2、B1轉速斜率下降，A1、A2轉速基本保持平穩，B1轉速上升速度降低;當增壓器B2轉速達到41000rpm時，增壓器B3切入，受B3切入影響，增壓器A1、A2、B1轉速由于達到極限而開始下降，增壓器B2依舊處于加速狀態，但轉速上升速度降低;最終由于每個增壓器所流經的流量一致，轉速最終達到一致。整個渦輪增壓器切入到穩定的過程持續10s左右且整個過程符合柴油機的工作規律。

結果表明，所建立的柴油機硬件在環試驗平臺能較好地模擬相繼增壓切換過程，驗證了系統的相繼增壓控制策略。

4 結論

根據核電柴油機調速系統測試需求，通過Simulink建立了柴油機實時仿真模型，利用dSPACE建立了完整的柴油機調速系統硬件在環測試平臺。基于該平臺，主要進行了柴油機起動過程、調速功能以及相繼增壓切換過程測試與驗證。實驗結果顯示：

（1）根據Simulink軟件建立的增壓柴油機實時仿真模型，兼顧了硬件在環測試的實時性以及精確度，為柴油機調速系統硬件在環試驗平臺的測試工作順利進行提供了必要的基礎。

（2）建立的硬件在環試驗平臺可以對實驗所不能完成的極端工況進行測試與驗證，避免了危險事故的產生。同時該測試平臺可以降低成本，具有十分可觀的經濟性，因此該平臺的搭建十分有意義。

（3）本文所搭建的硬件在環試驗平臺通用性較好，可以對柴油機其它的控制功能進行測試與驗證。

參考文獻：

[1]李進.增壓柴油機實時模型的搭建[D].北京：清華大學，2000.

[2]李彬軒.柴油機電控單元硬件在環仿真系統的設計及其相關研究[D].浙江大學博士學位論文，2001：1-44.

[3]宋恩哲，姚崇，孫軍等.大功率柴油機全電式調速器設計與試驗研究[J].船舶工程，2010，32（05）：33-36.

[4]王賀春.TBD234V12柴油機相繼增壓技術研究[D].哈爾濱工程大學碩士學位文，2004：7-8.

[5]恒潤科技.dSPACE一基于Matlab/Simulink平臺的實時快速原型及硬件在回路仿真的一體化解決途徑[M].恒潤科技公司，2003：7-14.

作者簡介：薛勝峰（1987-），男，四川西昌人，本科，工程師，從事電廠應急柴油機及汽輪機儀控設備管理及維護。