某船對轉舵槳推進系統緊急倒車過程仿真

常書平 史孝華 方先進 陳福良

摘? ? 要：基于Matlab/Simulink平臺建立了某保障船推進系統仿真模型，開展了緊急倒車過程仿真和機動性分析。采用PI控制器設計機—槳聯合控制方法，對倒車過程中對轉舵槳的轉向和柴油機的轉速進行調控，得到柴油機的臨界轉速，此時對轉舵槳的轉向快慢將不會造成柴油機超負荷現象；針對全速航行條件下的緊急倒車過程，提出了對轉舵槳轉向時間與柴油機減速時間匹配圖譜。所得結論對于制定船舶緊急倒車工作制、保護柴油機安全運行、挖掘機動性具有指導意義。

關鍵詞：船舶；對轉舵槳；倒車；仿真；負荷控制

中圖分類號：U661.33? ?? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A

Simulation of Emergency Reversing Process of Ship's

Contra-Rotating Azimuth Propulsion System

CHANG Shuping1，? SHI Xiaohua2，? FANG Xianjin3，? CHEN Fuliang1

（1. No. 63983 Unit of PLA，? Wuxi 214035;? ?2. Representative Office of Land Force，? ?Qingdao 266002;

3. Guangzhou Marine Engineering Corporation，? ?Guangzhou 510250 ）

Abstract： Based on Matlab/Simulink platform， a simulation model of the propulsion system of a certain support ship was established， the simulation and mobility analysis of emergency reversing process was carried out. The PI controller was used to design the engine-propulsion joint-control method， which could control the propulsion steering and the engine speed in the course of reversing. The critical speed of the diesel engine was obtained， and the propulsion steering speed would not cause the overload of the diesel engine. The matching diagram of the steering time and the deceleration time was presented as for the process of emergency reversing when navigating at full speed. The conclusions are of guiding significance for establishing the emergency reverse system， protecting the reliable operation of diesel engine and excavating maneuverability.

Key words： ship; contra-rotating azimuth propulsion; reversing; simulation; load control

1? ? ?前言

緊急倒車是船舶動態工況中的常用應急工況，如何提高船舶在該過程中的機動性，是業內長期關注的問題之一。一般來講，在緊急倒車過程中，柴油機的轉速越高、推進器推力由正車轉為倒車的時間越短，則船舶減速越快、停車距離越短、機動性越好。但柴油機在正常工作范圍對輸出功率有限制，由此要求柴油機和推進器兩者匹配操作，使在不超負荷運行情況下將緊急倒車過程的機動性充分發揮出來。

對轉舵槳是一種兼有常規螺旋槳和方向舵兩種功能的船舶推進器，其裝有固定螺距、同軸對轉的前槳和后槳，由液壓系統驅動螺旋槳可繞中心軸做360°回轉，可為船舶提供全方位推力[1]-[2]。本文以某采用雙套柴油機—對轉舵槳動力裝置的保障船為研究對象，建立了推進系統的仿真模型，對緊急倒車過程進行研究，尋求和優化緊急倒車過程的機—槳匹配控制方法。

2? ? ?建模流程

Matlab是一款集工程計算、圖形繪制、系統設計為一體的仿真軟件，在科學研究和工程研發中得到廣泛應用。Simulink是Matlab中的一種可視化仿真工具，它基于Matlab的框圖設計環境，是實現動態系統建模、仿真和分析的一個軟件包，廣泛應用于線性系統、非線性系統、數字控制及數字信號處理的建模和仿真中，可用于動態系統和嵌入式系統的多領域仿真，是一種基于模型的設計工具。對于各種時變系統，包括通信、控制、信號處理、視頻處理和圖像處理，Simulink提供了交互式圖形化環境和可以定制的模塊庫對其進行設計、仿真、執行和測試，可以用連續采樣時間、離散采樣時間或混合的采樣時間進行建模，它也支持多速率系統，即系統中不同部分具有不同的采樣速率。

Matlab/Simulink建模的基本步驟：首先對建模對象進行分析，明確Simulink建模所需的功能模塊，即確定實現既定仿真模型的思路和方法；其次，建立一個新的Simulink模型窗口，選擇模塊，根據系統的數學描述選擇合適的模塊添加到模型窗口中；再次，按照信號從左（輸入端）到右（輸出端）的流向原則將模塊放置到合適的位置，模塊從輸入端至輸出端用信號線相連，搭建完成方框圖，形成既定的模型；然后，根據模型的數學描述及其約束條件，對相關模塊的參數進行設置，使各模塊的參數與模型的數學描述一致；之后，啟動仿真參數對話框，對仿真算法、起止時間、誤差容限、結果輸出和儲存的方式進行設置，也可對仿真過程中的錯誤處理方式等進行設置；最后，運行仿真模型，得到仿真結果；通過對仿真結果的分析，調整仿真參數，重新進行仿真，直至得到理想的仿真結果。

3? ? 仿真模型

根據推進系統的結構組成和能量傳遞關系，將其分為柴油機、調速器、推進器、船阻力、軸系及傳動等多個功能相對集中的模塊[3]?；贛atlab/Simulink軟件平臺建立各模塊的仿真模型，并用信號線將各模塊的輸入、輸出相互連接，構成船體—柴油機—推進器系統仿真模型，如圖1所示：柴油機模塊采用設計數據與實驗數據相結合的方法，即柴油機功率與轉速、齒條位置的數學模型和柴油機功率限制模型、柴油機功率與轉速和燃油齒桿位置由神經網絡插值得到；為限制柴油機的最大功率， 建模時采用輸出功率與對應轉速下的最大功率進行比較，船體模塊和推進器模塊建模的詳細過程同文獻[4]，采用變步長、四階龍格庫塔法對仿真模型進行求解；基于實船穩態正車試航數據對仿真模型進行校驗，四個車令工況下柴油機功率、航速的最大誤差分別為5.39%、1.5%，說明該仿真模型在工程上具有較好的可信度[4]。

考慮到正常倒車時柴油機功率與功率限制線之間有差別的特點，利用Ziegler-Nichols方法設計PI控制器[4-5]，以功率冗余量對柴油機轉速和對轉舵槳轉向實施控制。PI控制器的數學模型為：

式中：U（t）為控制器輸出；e（t）為柴油機發出功率與功率限制線之間的差值；Kp為比例系數；Ti為時間積分常數。

為增加燃油齒桿位置的范圍對柴油機轉速響應的調節控制，在調速器的輸出端加入飽和特性模塊，并取其輸入、輸出之差反饋到積分環節，避免飽和特性模塊可能帶來的控制效果惡化問題。

PI控制器仿真模型如圖2所示。為了使推進系統各參數在緊急倒車始點保持穩定，設置仿真時間開關，當仿真時間小于500 s時PI控制器不起作用。

4? ? 柴油機轉速不變時的緊急倒車

設置對轉舵槳的轉向時間為10 s，調整柴油機轉速，使其在整個緊急倒車過程中不超負荷。根據仿真結果來看，當柴油機轉速為1 400 r/min時，柴油機不會超負荷，該過程中柴油機功率和航速隨時間的變化如圖3、圖4所示，柴油機功率在倒車過程中先增加后減小，這是由于在轉向過程中，產生的推力不是沿船首方向，含有側向分量，因此推進系統效率會降低，導致柴油機發出的功率增加；當轉向完畢后，推力完全沿船尾方向，柴油機功率會下降，因為倒車阻力較正常阻力更大，柴油機功率穩定后還是要高于正車功率，此時停車滑行時間為28.5 s，停車滑行距離為123 m。

分別設置對轉舵槳的轉向時間為20、30、40 s，調整柴油機的轉速，使其在整個緊急倒車過程中不超負荷。根據仿真結果，當柴油機轉速高于1 400 r/min時，不同轉向時間下會出現不同程度的超負荷現象；當柴油機轉速為1 400 r/min時，對轉舵槳的轉向時間變化對柴油機負荷影響不大，均不超負荷。在不同轉向時間下緊急倒車過程的停車時間和停車滑行距離，見表1。

5? ? 全速航行時的緊急倒車

當柴油機保持額定轉速全速正車航行時，柴油機發出功率已與功率限制線很接近，由于倒車阻力比正車阻力要大，若保持額定轉速不變，對轉舵槳換向倒車后必然會導致柴油機超負荷工作，因此，全速航行時若緊急倒車，柴油機必須先減速。根據研究結果，若轉速降到1 400 r/min，對轉舵槳再轉向不會出現超負荷現象，從提高機動性來講，在降轉速的同時對轉舵槳同時轉向會更快達到緊急倒車的目的，但是要注意兩者時間上的匹配控制。

先設定對轉舵槳轉向時間為10 s，柴油機初始轉速為額定轉速1 950 r/min，在倒車過程中以一定的速率逐漸降至1 400 r/min，使其在整個緊急倒車過程中不超負荷。根據仿真結果，當柴油機降速時間為30 s時，柴油機不會超負荷，柴油機功率、轉速和航速隨時間變化如圖5所示；當降速時間超過30 s，柴油機會出現超負荷現象；降速時間為40 s時柴油機功率、轉速和船航速隨時間變化如圖6所示。經計算，減速時間為30 s時，停車時間為26 s，停車滑行距離為139 m；減速時間為40 s時，停車的時間為25 s、停車滑行距離為134 m。

采用相同的方法計算多個工況，得到多個對轉舵槳轉向時間條件下所對應的使柴油機不超負荷的降速時間，如圖7所示。

在確定對轉舵槳的轉向時間后，即能確定柴油機的臨界降速時間，當柴油機的降速時間小于臨界時間時，都能保證緊急倒車過程中柴油機不超負荷；從機動性角度來講，對轉舵槳轉向時間越短、柴油機降速時間越長，則倒車過程的機動性越好。表2給出了對轉舵槳轉向時間下最優的機動性，供相關使用部門參考。

6? ? ?結論

本文基于Matlab/Simulink軟件建立了某保障船推進系統的仿真模型，通過開展緊急倒車過程仿真計算，對制定船舶緊急倒車工作制、保護柴油機可靠運行提出了建議。當柴油機轉速不高于1 400 r/min時，對轉舵槳轉向時間的變化對柴油機負荷影響不大，能夠保證緊急倒車過程柴油機不超負荷；在全速航行條件下緊急倒車時，給出了對轉舵槳轉向時間與柴油機降速時間的匹配聯控曲線，實現在柴油機負荷允許范圍內最大限度地挖掘機動性能。

參考文獻

[1]侯立勛， 王超， 黃勝. 對轉槳綜合設計方法研究[J]. 華中科技大學學報（自然科學版）， 2014， 42（1）.

[2]侯立勛， 胡安康， 尹林林. 對轉舵槳水動力性能理論分析[J]. 船舶力學， 2020， 24（2）.

[3]黃斌， 王永生. 船舶加速過程最優機—槳聯控方法仿真研究[J]. 四川大學學報（工程科學版）， 2011， 42（增刊1）.

[4]常書平， 李昆鵬， 崔益烽. 船舶對轉舵槳推進系統建模仿真[J]. 軍事交通學院學報， 2021，23（12）.

[5]王永生. 全柴聯合動力裝置穩、動態特性和工作制研究[D]. 武漢：華中科技大學， 2005.

[6]黃斌， 王永生. 基于PI控制器的船舶加速過程負荷控制[J]. 西南交通大學學報， 2012， 47（5）.

[7]黃斌， 王永生. 柴燃聯合動力裝置單機失效工況下的緊急倒車過程仿真[J]. 船舶工程， 2011， 33（4）.