基于VeriStand的硬件在環核電應急柴油機仿真系統設計

張杰 吳蘇敏

摘要：考慮核電應急柴油發電機組設備安全及經濟性，對電子控制系統控制策略的驗證需借助應急柴油機實時仿真模型來進行。提出了一種基于VeriStand的硬件在環核電應急柴油機仿真系統，對應急柴油機實時仿真模型進行功能測試，以確定電子控制系統的控制功能。

關鍵詞：應急柴油機;仿真系統;硬件在環;驗證;控制策略;電子控制系統

中圖分類號：TM623.9? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-957X（2021）15-0097-02

0? 引言

核電應急柴油機在緊急情況下被電子控制系統（電子控制系統）控制起動;向核電站核安全系統提供應急電源，保證反應堆安全停堆。電子控制系統控制策略的優良決定了應急柴油機運行的正常與否。

硬件在環技術實現了對電子控制系統控制策略的驗證，同時V模式的驗證方案縮短了驗證周期。故本文基于VeriStand硬件在環平臺，提出了一種有效的硬件在環核電應急柴油機仿真系統。系統包括電子控制系統、執行器、應急柴油機實時仿真模型、VeriStand硬件在環平臺（NI控制器及板卡、柴油機模型顯示控制界面）。首先對電子控制系統及執行器硬件在環技術進行原理闡釋;其次針對采用的VeriStand硬件在環平臺，具體說明柴油機模型的構建方法以及其與電子控制系統及執行器通信的原理;最后對所設計的硬件在環系統進行實驗，證明了該設計的可行性。

1? 仿真系統總體設計方案

仿真系統采用NI公司的VeriStand硬件在環平臺，該平臺包括PXI系列控制器及板卡、自行設計的柴油機模型顯示控制界面。將實時柴油機模型編譯進控制器，并且通過板卡I/O接口實現模型與電子控制系統及執行器的通信，可以快速完成硬件在環仿真系統的搭建及后續仿真功能。

2? 應急柴油機實時仿真模型的搭建

柴油機模型的搭建基于MATLAB/Simulink平臺，包括燃油系統子模型、進排氣系統子模型、氣缸系統子模型、動力學系統子模型、虛擬控制系統子模型、I/O接口子模型、故障注入子模型。

燃油系統子模型通過供油量、齒條位置及噴油特性等數據。供油量q與齒條位移l及柴油機轉速n及系數k、k0、k1的關系為：

進排氣系統子模型計算平均有效扭矩、提供進排氣系統狀態;包括進氣管、中冷器、五組渦輪增壓器、排氣管等部分;

中冷器出口溫度TO與進口溫度TI的關系：

式中，ε為中冷器冷卻系數，一般取0.7-0.9;TW為冷卻水溫328K。

壓氣機的計算通過查找相應的增壓器特性曲線MAP來計算，根據轉速和壓比計算壓氣機的效率和質量流量，依據以下公式計算：

式中R為氣體常數，k為氣體絕熱指數，Ta為環境溫度，Pa為大氣壓力。

氣缸子系統模型通過熱力學公式及MAP模擬柴油機運行過程中缸內的進氣、壓縮、做功、排氣過程。

動力學系統子模型實現柴油機轉速的計算和負載擾動的影響。其中指示扭矩計算公式為：

其中HLHV為燃料的低熱值，ηi為熱效率，通過空燃比MAP獲取。

虛擬控制系統子模型用于在模型在環狀態下實現模型自身的閉環計算及運行。

I/O接口子模型實現了柴油機模型運行所需的執行器位移、齒條位移、起動空氣壓力等數據的輸入以及柴油機轉速、各渦輪增壓器轉速、執行器位移等實時運行數據的輸出。

故障注入子模型提供了柴油機運行過程中典型的故障，實現單一故障或多故障的注入柴油機模型，有助于檢驗電子控制系統的控制策略。

3? VeriStand硬件在環平臺設計

VeriStand為NI公司推出的專用與硬件在環仿真系統的軟件。VeriStand硬件在環平臺包括NI控制器及板卡、柴油機模型顯示控制界面兩部分。柴油機模型被編譯在NI控制器中。借助VeriStand硬件在環平臺可實現了柴油機模型與電子控制系統及執行器的實時信號傳遞;實現柴油機模型運行情況的實時監控。

3.1 NI控制器及板卡

NI控制器PXI系列的控制器及板卡是高效的模塊化實時模型運行、信號轉換及輸入輸出設備。通過該NI控制器及板卡，利用VeriStand軟件進行板卡的I/O接口與柴油機模型中的I/O接口子模型的信號配置后，可將柴油機模型運行中的轉速、執行器位移等信號輸入電子控制系統，將電子控制系統控制后的齒條位移信號輸入模型。該NI控制器通過以太網與PC上位機進行連接。

3.2 柴油機模型顯示控制界面

利用VeriStand軟件進行柴油機顯示控制界面的搭建，界面包括柴油機起停、加減載、轉速實時顯示等功能。故通過該顯示控制界面能夠直觀判斷電子控制系統控制策略有效與否。

4? 仿真系統測試實驗及結果分析

仿真系統測試試驗控制功能包括在電子控制系統的控制下仿真模型的起動、加減載、渦輪增壓器切入切出。

4.1 仿真模型起動驗證

仿真模型初始轉速為0，空氣壓縮機給予模型起動扭矩，將轉速升至給定轉速而空氣壓縮機投出，噴油開始，并進行轉速開環控制，至轉速升至600r/min后轉為電子控制系統閉環控制，電子控制系統控制轉速保持在600r/min。在仿真模型起動驗證中，轉速響應曲線如圖1所示。

驗證結果表明，本仿真系統足以滿足應急柴油機硬件在環起動性能的需求，仿真模型響應迅速，穩定性好。

4.2 仿真模型加減載驗證

仿真模型的額定空載狀態下的轉速為1560r/min。加載驗證時轉速由0增至額定轉速，增加負載至3000Nm，轉速出現變動如圖2所示。

減載驗證時，初始負載為3000Nm，轉速為1540r/min，在將負載降至0，得到轉速響應曲線，如圖3所示。

驗證結果表明，當負載突變時，內齒條位移能在電子控制系統控制下重歸穩定，轉速有小范圍波動，但恢復為突變前轉速所需時間很短。本仿真以滿足應急柴油機硬件在環加減載性能的需求，且調速性能良好。

4.3 仿真模型渦輪增壓器切入切出驗證

仿真模型在初始轉速時開始驗證，此時增壓器切入曲線如圖4。

驗證結果表明，仿真模型由轉速為0，到轉速上升的初期，因被空氣壓縮機帶動，故噴油器未工作，增壓器轉速為0;當轉速大于給定值后，齒條動作，開始噴油，增壓器A1/A2轉速上升，當A1/A2轉速達到37000r/min時，增壓器B1切入，B1轉速由0開始迅速升高，達到3800r/min時，增壓器B2切入，B2轉速超過41000r/min時，B3切入，此時5組增壓器全部切入，且轉速最后均穩定在39000r/min左右。

5? 結語

本文提出基于VeriStand的硬件在環核電應急柴油機仿真系統，首先從系統設計的角度闡釋電子控制系統及執行器硬件在環技術原理;后續闡明了核電應急柴油機實時模型的搭建原理、編譯方法，以及其與電子控制系統及執行器通信的原理方法;提出了VeriStand硬件在環平臺的設計方法;利用所設計的硬件在環系統開展控制功能及故障注入功能驗證實驗，證明了該設計的可行性。

基于VeriStand硬件在環平臺，通過集成NI控制器及板卡、利用VeriStand軟件等，快速完成了本硬件在環仿真系統的設計，降低開發成本、提高經濟性;利用本仿真系統能完成對電子控制系統控制策略的驗證;實驗結果表明本仿真系統中自行搭建的柴油機模型保證了實時性與精度要求，模擬了實際柴油機的工作性能，足應用于本仿真系統完成對電子控制系統控制策略的驗證。

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