动力系统自动化概论

1、武汉理工大学能源动力学院 李煜辉 本课程特点与学习 课程内容 动力系统概论 动力系统特性 动力系统自动化特性分 析 动力系统自动化技术 特点 深入了解发动机动力性 能及其匹配、控制的知 识 开拓知识面 了解动力系统与自动化 的研究领域及关键技术 学习方法 大量阅读相关学科的文 献与资料 针对某一方面的技术发 展进行深入了解 参考资料 动力机械及其系统电子控制，张宗杰，华中科技大学出版社， 2009 柴油机电子控制技术，王尚勇，杨青，机械工业出版社，2004 船舶动力系统，徐筱欣，上海交通大学出版社，2007 轮机自动化，初忠，大连海事学院出版社，2006 现代汽车电子技术与装置，皇甫鉴、 范明

2、强，北京理工大学出版 社，1998 内燃机学，周龙保，机械工业出版社，2000 自动控制原理，张旺，王世鎏，北京理工大学出版社，1994 柴油机电控喷油技术，徐家龙，人民交通出版社，2004 Internal combustion engine fundamentals,John. B. Heywood， McGraw-Hill Company, 1988 自动化基础 动态系统传递函数与方框图 系统的频域分析 反馈控制系统设计 时域控制系统介绍 可控可观性 最有调节与卡尔曼滤波 鲁棒控制 非线性控制 智能控制 动力系统性能特征 原动机特性 内燃机特性 发动机动力特性分析 发动机排放特性分析 发

3、动机燃烧特点分析 燃气轮机动力特性 电动机动力特性 从动机动力特性 螺旋桨特性 汽车动力特性 驱动特性 刹车特性 动力系统控制技术 动力系统建模技术 柴油机零维模型 调速器用动力学模型 动力系统自动化特性分析 动力系统控制技术 船用机控制 船用主机遥控系统 变螺距螺旋桨控制 辅助系统控制 监测报警系统 车用机控制 汽油机电控系统 柴油机电控系统 自动变速器原理与控制 动力系统自动化设计技术 自动化设计技术 自动化开发技术 自动化理论 自动化实现技术 传感器技术 操作系统技术 自动代码技术 自动化、动力系统、设计技术 自动控制技术的发展 n自动控制：自动控制：是指在没有人直接参与的情况 下，利用

4、控制器使被控对象（指生产设备 或生产过程）自动地按预定的规律运行。 n机械化 电气化时代自动化、信息化、 智能化 公元前14001100 年，中国、埃及和 巴比伦相继出现自 动计时漏壶，人类 产生了最早期的控 制思想。 公元前公元前300300年秦昭王时，由李冰父子主持设计年秦昭王时，由李冰父子主持设计 修筑的著名水利工程都江堰，是一种液面控制，修筑的著名水利工程都江堰，是一种液面控制， 是是“系统系统”观念的杰出体现观念的杰出体现。 公元公元100100年，亚历山大的希罗发明开闭庙年，亚历山大的希罗发明开闭庙 门和分发圣水的自动计时装置。门和分发圣水的自动计时装置。 公元公元132132年，

5、中国科学家张衡（公元年，中国科学家张衡（公元7878139139）发）发 明水运浑象，研制出自动测量地震的候风地动明水运浑象，研制出自动测量地震的候风地动 仪。仪。 公元公元235235年，年， 中国马钧研中国马钧研 制出用齿轮制出用齿轮 传动的自动传动的自动 指示方向的指示方向的 指南车指南车( (司南司南 车）车） 公元公元17881788年，英国人年，英国人J.WattJ.Watt用离心式调速用离心式调速 器控制蒸汽机的速度，由此产生了第一次器控制蒸汽机的速度，由此产生了第一次 工业革命。工业革命。 维纳，维纳，MITMIT教授，曾教授，曾 于于19361936年到清华大学年到清华大学

6、任访问教授。早期进任访问教授。早期进 行模拟计算机研究，行模拟计算机研究， 二战期间参与火炮控二战期间参与火炮控 制研究，提炼出负反制研究，提炼出负反 馈概念。馈概念。 1948 1948年，维纳所年，维纳所 著控制论的出版，著控制论的出版， 标志着这门学科的正标志着这门学科的正 式诞生。式诞生。 控制论的奠基人控制论的奠基人 美国科学家维纳美国科学家维纳 （Wiener,N.， 18941964） 1954年，我国科学家钱学年，我国科学家钱学 森在美国运用控制论思想和森在美国运用控制论思想和 方法，用英文出版方法，用英文出版工程控工程控 制论制论，首先把控制论推广，首先把控制论推广 到工程技

7、术领域。到工程技术领域。 “工程控制论是关于工程技术领域各个系统自动控制工程控制论是关于工程技术领域各个系统自动控制 和自动调节的理论。维纳博士和自动调节的理论。维纳博士40年代提示了控制论的基年代提示了控制论的基 本思想后，不少工程师和数学博士曾努力寻找通往这座理本思想后，不少工程师和数学博士曾努力寻找通往这座理 论顶峰的道路，但均半途而废。工程师偏重于实践，解决论顶峰的道路，但均半途而废。工程师偏重于实践，解决 具体问题，不善于上升到理论高度；数学家则擅长于理论具体问题，不善于上升到理论高度；数学家则擅长于理论 分析，却不善于从一般到个别去解决实际问题。钱学森则分析，却不善于从一般到个别去

8、解决实际问题。钱学森则 集中两者优势于一身，高超地将两只轮子装到一辆战车上集中两者优势于一身，高超地将两只轮子装到一辆战车上 ，碾出了工程控制论研究的一条新途径。，碾出了工程控制论研究的一条新途径。” 根据自动控制理论的内容和发展的不根据自动控制理论的内容和发展的不 同阶段，控制理论可分为同阶段，控制理论可分为“经典控制经典控制 理论理论”和和“现代控制理论现代控制理论”两大部分。两大部分。 “经典控制理论经典控制理论”的内容是以传递的内容是以传递 函数为基础，以频率法和根轨迹法作函数为基础，以频率法和根轨迹法作 为分析和综合系统基本方法，主要研为分析和综合系统基本方法，主要研 究单输入，单输

9、出这类控制系统的分究单输入，单输出这类控制系统的分 析和设计问题。析和设计问题。 “现代控制理论现代控制理论”是在是在“经典控制理论经典控制理论”的基础的基础 上，于上，于6060年代以后发展起来的。它的主要内容是年代以后发展起来的。它的主要内容是 以状态空间法为基础，研究多输入，多输出、时以状态空间法为基础，研究多输入，多输出、时 变参数、分布参数、随机参数、非线性等控制系变参数、分布参数、随机参数、非线性等控制系 统的分析和设计问题。最优控制、最优滤波、系统的分析和设计问题。最优控制、最优滤波、系 统辨识、自适应控制等理论都是这一领域重要的统辨识、自适应控制等理论都是这一领域重要的 研究课

10、题，近代计算机技术和现代应用数学的结研究课题，近代计算机技术和现代应用数学的结 合，又使现代控制理论在大系统理论和模仿人类合，又使现代控制理论在大系统理论和模仿人类 智能活动的人工智能控制等诸多领域有了重大发智能活动的人工智能控制等诸多领域有了重大发 展。展。 1 1、经典控制理论、经典控制理论 4050年代形成 SISO系统 基于：二战军工技术 目标：反馈控制系统的镇定 基本方法：传递函数，PID调节器 ( (频域频域) ) 2 2 、现代控制理论、现代控制理论 6070年代形成 MIMO系统 基于： 冷战时期空间技术，计算机技术 目标：最优控制 基本方法：状态方程 （时域）（时域） 控制理

11、论的发展控制理论的发展 3 3、智能控制技术智能控制技术 90年代开始发展 专家系统 模糊控制 神经网络 4 4、正在发展的各个领域正在发展的各个领域 自适应控制 大系统理论 H鲁棒控制 非线性控制（微分几何，混沌，变结构） 第一颗人造卫星（苏联，第一颗人造卫星（苏联，19571957年）年） 第一颗载人飞船（苏联，第一颗载人飞船（苏联，19611961年）年） 人类首次登上月球（美国，人类首次登上月球（美国，19691969年）年） 首架航天飞机（美国，首架航天飞机（美国，19811981年）年） 首次冲出太阳系（美国，首次冲出太阳系（美国，19891989年）年） 仿人机器人（日本，仿人机

12、器人（日本，20012001年）年） 神州五号载人航天成功（中国，神州五号载人航天成功（中国，20032003年）年） 勇气号、机遇号火星探测器（美国，勇气号、机遇号火星探测器（美国，20042004年）年） 土卫六探测器（欧盟，土卫六探测器（欧盟，20052005年）年） v“作为技术科学的控制论，对工程技术、作为技术科学的控制论，对工程技术、 生物和生命现象的研究和经济科学，以生物和生命现象的研究和经济科学，以 及对社会研究都有深刻的意义，比起相及对社会研究都有深刻的意义，比起相 对论和量子论对社会的作用有过之无不对论和量子论对社会的作用有过之无不 及我们可以毫不含糊地说从科学理论及我们可

13、以毫不含糊地说从科学理论 的角度来看，二十世纪上半叶的三大伟的角度来看，二十世纪上半叶的三大伟 绩是相对论、量子论和控制论，也许可绩是相对论、量子论和控制论，也许可 以称它们为三项科学革命，是人类认识以称它们为三项科学革命，是人类认识 客观世界的三大飞跃。客观世界的三大飞跃。” 钱学森钱学森 动力系统的发展（船用动力） 1893至1897年 期间，在德国 的奥古斯堡 MAN制造厂开 发出了第一台 可以应用的柴 油机。今天 MAN公司仍然 是世界上最大 的柴油机制造 商之一 在 此后20余年的竞争中，随着二次世界大 战中“自由轮”的退役，蒸汽机全面退出 了历史舞台，取而代之的是大功率的船用 柴油

14、机。 另一方面在航空领域中涡轮机及喷气机的 崛起，则使星型航空发动机在飞行动力中 被淘汰。 在数十年的竞争过程中很多名牌公司被淘汰或兼 并，其中包括美国、英国、荷兰、瑞典等发达国 家的制造商。今天90%以上的远洋船市场已被 23个大跨国公司所垄断。 这些处于垄断地位的大跨国公司主要是MAN- B&W公司以及Watshila-Sulzer公司，世界主要的 造机或造船厂都是购买了他们的专利许可证生产 他们的产品 在韩国生产的MAN B&W S90 特别是集装箱船,不仅装箱数增多,而且航 速要求提高到2425kn。例如建造装运 TEU12000个，航速2324kn的集装箱船， 要求单机功率近100,

15、000kW The Hamburg Express，the worlds largest container ship，carries up to TEU7500，powered by a huge 12K98MC， 70,000kW Diesel Engine 远洋轮的需求导致低速柴油机巨人的出现 由于螺旋桨转速低时，效率较高，而 较低的转速也有利于燃料的燃烧。因此出 现了6070rpm/min的低速柴油机，柴油机 的高度达到15米以上 ，这种机型称为低速 二冲程发动机，广泛地用于远洋船舶。 军事上的需求导致了增压技术的发展： 在有限的空间和重量下发出最大功率 早期的柴油机都是自然吸气的，在

16、发 动机气缸内，有限的空气只能燃烧有限的 油，从而只能发出有限的功率。 增压(Supercharging)是指把空气压缩，密 度增大后再进入发动机气缸。如此，气多、 油多，功率自然增加 增压技术的突破是在50年代初，至今非增 压的柴油机除了在部分车辆上还有使用外， 在船舶上已经绝迹 燃烧的技术是柴油机最重要的核心技术 燃烧必须及时，并在以毫秒计的时间内结束 燃烧必须完全，不能有黑烟、CO、NOx等有 害排放 燃烧必须平顺，以减少振动和噪声 对于燃烧过程的认识并未穷尽，对于燃烧的 控制也远未达到完善 能源危机与重油的应用 在运价激烈的竞争中，船东提出了降低燃 料费用的要求。 降低燃料费用一个重要

17、措施是使用低品质 的燃料油(Fuel Oil)，柴油(Diesel Oil)和燃料油 的价格相差一倍以上。 这就导致了重油技术的诞生，今天这一技 术已经从低速机普及到中速机。 船用柴油机技术现状 自从柴油机诞生以来，技术性能已经发生 了极大的变化： 效率已经从25%提高到50%，在近十年来，每 年提高1%。这意味着用同样的油现在可以产生一 倍以上的马力 平均压力从0.50.6MPa提高到2.5MPa，这意 味着同样大小的柴油机现在可以产生四倍的马力 新的技术和方法 高新技术正在改变着传统柴油机的面貌。 电子控制及IT技术 常规的机械控制装置被取代 各种芯片、传感器、控制器、执行器成为 发动机运

18、行的灵魂 遥控、无人机舱、一人船桥（One Man Bridge） 智能发动机及中央能量管理系统 （Intelligent Engine） 新的世纪：电子控制的智能发动机的时 代已经来临，MAN的智能发动机2000年11 月已经在挪威的一艘37500dwt化学品船上 试用 船舶电力推进技术的历史与发展 传统的船舶动力系统 柴油机与推进器机械连接的缺点： 1、主机的功率必须按船舶最高航速配置，当 工作在低速时，柴油机的效率迅速降低。 原动机负载低时效率低是不可避免的，这 就象大马拉小车一样。因而机动性要求高 的船舶，例如军舰、邮轮、各种工作船舶， 其油耗高成为难以解决的顽症。 2、柴油机不能工作

19、在最低稳定转速之下 （当转速太低时，柴油机会失火）。对于 操纵性要求高，需要动态定位的船舶无法 满足要求（海上钻井、电缆敷设、海上输 油）。另外在低转速下也发不出大的扭矩 （破冰船），没有制动功能和迅速正倒车。 3、主机与推进器刚性连接，制约了机舱优 化布置，占据了巨大空间，传统的舵螺 旋桨的推进效率低于电力推进船舶的吊舱 推进器。 以上缺点，正好是电力推进船舶的优点。 电力推进船舶的优点 机动性：巡航时，可以关闭部分或大部分发电 机组。 操纵性：现代控制器驱动的推进器可以在零转 速附近工作，并具有大扭矩，并有制动功能。 柔性布置：可以把推进电机放在艉水下吊舱内 和螺旋桨连接，吊舱可以360旋

20、转。 舒适性：振动、噪声小、隐蔽性好 电力推进船舶的市场趋势 包括核动力在内的新一代军用舰船将无一例外地采用电力 推进及综合电力系统。美国会已经通过听证，同意弗吉尼 亚级核潜艇采用综合电力系统。 美海军部长美海军部长Danzig说：说：“Changes in propulsion systems are fundamental and offundamental importance. Thus, we are moving forward to embrace a technology, electric drive technology, and . the integrated powe

21、r system that comes with it, to drive Navy ships. This is a very fundamental step. Were taking it because weve judged that the technology is ripe enough to reach it. ” 油价的高企可能使电力推进迅速用于新的 领域 将广泛应用于滚装船、邮轮、集装箱船、 化学品及LNG船、高速船、离岸工作船 （钻井船）等 在民用船方面，电力推进系统的产值目前仍约 占15左右，约USD800M。但至2013年预测 电力推进系统的产值将增长56倍，达到

22、USD4bn5bn，约为现有动力系统总产值的 7080 尽管如此，船舶电力推进发展的历史却 颇为曲折。 由于结构简单的交流电机其转速取决 于电网的工作频率，而变频问题长期来未 能解决。因此几十年来船舶电力推进只是 用在军舰及特种用途船舶上，而未成为推 进动力的主流。 船舶电力推进技术的发展史 人们在200年前发现了电，在150年前发明了 发动机，其原理简单地说来即为电生磁、磁生力。 通过磁场的媒介，电能可以转变为机械能反之亦 然。 1795年，富兰克林发现电流 1800年，伏尔泰发明电池，人类第一次有了可 使用的电能 1831年，法拉第发现电磁感应，打开了电能与机 械能的转换之门 1834年，

23、Davenport发明了第一台使用电刷及半 圆环（机械换流器）的直流电动机，并用伏尔泰 电池为电源作了电力机车模型，正是这个模型使 卡尔.马克思欣喜若狂 1882年，爱迪生采用同样的原理用蒸汽机作为原 动机发电，并将直流电用于照明 1886年，William Stanley发明变压器 18821892年，Nikola Telsa发现旋转磁场原理， 发明无刷的交流感应电动机及发电机，并实现了 多相功率配送，开始了爱迪生与威斯汀豪斯的交、 直流之战：The War of Currents。最终爱迪生失 败 1900年10月12日，第一艘美海军潜水艇下水， 采用汽油机和电动机驱动，载重64吨，航速6

24、节 1 9 11 年 ， 第 一 艘 柴 油 机 船 下 水 （ 二 冲 程 4x250/370） 1913年，第一艘柴油电力推进船Tynemount 下水，1644吨，300HP/400RPM。但因起动负载 过大而未成功，1914年改装，1916年被击沉于大 西洋 1917年，世界大战爆发刺激了海军的发展，期间 电力推进在舰船中得到了很快的发展。电力推进 的德国潜艇击沉了共650万吨商船；美新墨西哥 级战斗舰为蒸汽透平电力推进，功率已达40， 000HP 1918年电力在世界的迅速应用，使得列宁说出了 “共产主义等于苏维埃+电气化”的名言 1920年，S/S NOMANDY 邮轮下水，功率达

25、到 29MW，采用蒸汽透平为原动机，以同步发电机 及同步电动机组成的电力传动来带动螺旋桨。而 同期使用电力推进的航空母舰其功率已达到180， 000HP 1934年，第一艘使用变距浆的船只下水。在其 专利问世30年以后的这项技术，使交流电机可能 用于电力推进。 第二次世界大战期间：约有300艘水面舰艇采用电力推进 技术。而主要的技术方案或为交流同步电力传动，或为直 流发电、直流电动机驱动。由于其固有缺点，因而限制了 其应用。在民用船方面，除了豪华轮及破冰船之外，很少 采用。而柴油机潜艇只有采用电力推进，因为在水下航行 电池是唯一的能源。在二战中惨烈的大西洋之战，德国有 千余艘潜艇击沉。而其水下

26、航速仅6节/小时。此后在军用 方面，1960年美建造了电力推进的Tullibee号核潜艇 （1988年退役），1974年建造了Lipscomb号核潜艇。但 这些传统的电力推进装置维修困难，性能不佳，并不成功。 1947年，美贝尔实验室发现半导体。这是二十世纪最伟 大的发明之一，以至于我们可以把二十世纪的后五十年称 为硅世纪。期间，半导体的应用向着两个极端的领域迅猛 发展。在微电子方面，大规模集成电路的硅芯片（wafer core）是构成全部的绚烂的信息世界的基础；而在强电的 转换和传递方面，可控硅的应用使大功率电能的电子控制 得以实现，产生了一门新的学科Power Electronics 今天

27、，由于大功率可控硅技术的突破，人们可以 用毫安级的微电流来控制几千安的强大电流，并 且在微秒级的时间内使之导通或关闭。利用这些 高速的大功率电子开关，人们可以轻易地改变交 流电的瞬态波形。包括频率、电压和相位。用这 样的变频器来驱动推进电机，可以满足任何需要， 包括转速和扭矩。 高温超导（HTS）技术 船舶推进电机通常是和螺旋桨直联，最大功率已达 43,000kW(43 MW)。电压通常为6600伏11000伏，电流 达数千安以上。 当强大的电流通过时，即使优良的铜导线也会产生大 量的热，大电流成为电机功率最主要的制约因素，此时只 有增加电缆截面积和增加散热面积。而这将引起电机重量 和体积的增

28、大。目前2万千瓦推进电机的外径都在3米以上。 此外，减少电能与机械能转换中的损失也一直是技术进步 的目标。 超导技术的突破可以大大提高传统电机的性能。这对 舰艇尤为重要。 美国AS公司制造的5MW的HTS电机 HTS Motor的优点包括： 重量和体积缩小，重量减轻1/3以上。在 大功率电机中可减少2/3。 铜损和铁损减小，使效率提高，尤其是在 部分负荷时。 永磁（PM：Permanent Magnetic） 电机 大功率的推进电机也需要强大的磁场，转动 螺旋桨的扭矩正是由磁力所产生。传统电机中的 磁场都是由带有铁芯的线圈（绕组）通电后产生 的。但是向转动着的绕组通电是很困难的事。 在永磁材料

29、方面的突破，可以轻易地克服这 一困难。永磁材料就是一旦充磁后就不会退磁的 材料。 永磁材料也可以和其它技术相结合用于船 舶电力推进。2003年ABB公布已经可以生 产5000kW的吊舱永磁电机。在海军正在 建造的高温超导体电机中很多都同时采用 了永磁材料。2002年西南交大成功研制了 磁悬浮永磁、高温超导机车。 永磁电机的优点： 转子无铁芯，转动惯量小，响应快； 无电刷即集流环。 吊舱推进技术的发展 （Podded Propulsion） Pod指吊于船外的水下舱室，室内有推进电机，通过轴系及推进 轴承和推进器，电机与母船只有动力电缆及通信电缆相连接。 Fix Pod与Azipod： Azip

30、od指可沿Z轴360旋转动的吊舱，其中Azi指Azimurth。 Azimurth传动过去由锥齿轮系组成的Zdrive实现，后来又用于 侧推器（Thruster）。在九十年代中期ABB率先将Azimurth概念用于 主电力推进。其后又提出了对向反转吊舱推进装置的概念。 生产吊舱系统的著名公司： ABB Industry（Azipod） Rolls-Royce （Mermaid） Schottel-Siemens （SSP） John Cranelips （Dolphin） Azipod技术充分发挥了电力推进系统的优 势，因此几年来得到了飞速的发展。吊舱的 结构如图所示。 超导磁流体推进技术 对

31、于海上交通运输，人们日益关注其对全球环境的影响、 运输的效率、速度和旅途的舒适性等。然而，现有的螺旋 桨推进船舶由于技术局限性，无法实现真正安静型高速航 行，很难满足人们日益提高的要求。作为船舶推进新技术 之一的超导磁流体船舶推进是将电能直接转换成海水动能 推动船舶前进。由于推进系统中没有高速旋转部件，消除 了传统螺旋桨推进的“空泡”现象和传动机构产生的振动 和噪声，能实现真正安静型高速航行。该项技术已引起造 船界的关注，被认为是二十一世纪船舶推进技术的发展新 方向，其实用化将引起船舶推进的重大变革，对高速舰船、 远洋轮、破冰船和军事用途舰艇都有重大的实用意义。 磁流体推进技术的基本原理 由于

32、海水是导电流体，给推进器管道中的海水施加一个磁 场和一个与磁场正交的电场，管道中的海水就会受到一个 与电场和磁场垂直的电磁力（洛沦兹力）的作用。当这个 力的方向沿着船尾方向时，海水将向船尾方向运动，同时， 海水的运动给船体一个反作用力，使船体向前运动。 超导磁流体推进技术的特点 1）. 安静。安静。由于超导磁流体推进取消了常规的螺旋桨、喷水推进、泵喷等转动机构， 因而可大大降低由转动机构引起的噪声和振动。尤其在高速船舶中，螺旋桨推进不可 避免地会产生空泡。空泡的产生不仅会引起船舶的振动，产生噪声，而且严重影响螺 旋桨的推进效率，缩短使用寿命。而超导磁流体推进将不受此种危害，使舰船真正实 现安静

33、航行。（所谓螺旋桨的空泡现象是指：螺旋桨在水中工作时，桨叶的叶背压力 降低形成吸力面，若某处的压力降低至临界值以下时，导致爆发式的气化，水汽通过 界面，进入气核并使之膨胀，形成气泡，称为空泡。） 2）. 高速。高速。由于超导磁流体推进的动力输出装置，如磁体、电极等都是相对静止的， 这样就可大大提高船舶主机的功率级，不再受转动机械的功率限制，从而可制造出超 大功率的高航速舰船。 3）. 布置灵活。布置灵活。由于超导磁流体推进器的一切设备无固定地安装在机舱内某个位置的 要求，因此可以在舰船的设计中有效地利用舱室空间，供给设备安装的灵活性。 4）. 操纵性好。操纵性好。通过改变磁流体推进器中电极的极

34、性或电流的大小即可改变推力的方 向或推力的大小，而改变电极的极性或电流的大小较机械逆转或变速更容易实现，并 容易做到平滑调速，从而提高了舰船的灵活性，改善了舰船的操纵性能。 此外，使用磁流体推进还有一个重要的优点，即可能利用磁流体推进器产生的强大水 动力发射水下武器（鱼雷和导弹），这样不仅省去了传统的鱼雷发射装置，而且也避 免了传统水下发射时存在的巨大噪声。 超导磁流体推进器的组成及结构形式 超导磁流体推进器主要由超导磁体、通道、电极 以及电源和控制测量系统等组成。其中，超导磁 体为推进器提供所要求的磁场；通道是指由电极 和绝缘壁组成并承受电磁力的推进器筒体，电极 给推进器提供电场，一般选用具

35、有良好电化学性 能的材料（如金属氧化物DSA、镀铂或钛等）制 成。 目前，磁流体推进器主要有线型通道磁流体推进 器，螺旋型通道磁流体推进器和环形通道磁流体 推进器三种基本结构形式。 线型通道磁流体推进器线型通道磁流体推进器 线型通道磁流体推进器的通道是直线形，管道的截面一般为矩形、圆 形和环形。它的磁体一般是由鞍型线圈绕制的二极或四极磁体。这种 推进器的通道结构简单，海水阻力小，水动力功率转换效率高。它的 磁场方向与电流方向垂直，同时推进器中电磁力的作用方向与流体流 动方向一致，因此，其磁场强度利用率高，电磁功率转换效率高。不 足之处是鞍形磁体的结构复杂，加工工艺和技术要求高。 螺旋型通道磁流

36、体推进器螺旋型通道磁流体推进器 螺旋型通道磁流体推进器磁体内部安装一对圆筒形电极，其中一个为内电极，另一个 为外电极。两电极之间设置由非导磁的绝缘材料制成的螺旋壁，电极与螺旋壁形成螺 旋型通道，在通道的进口处设置有导流器，将海水的轴向流动转换成螺旋运动，在通 道的出口处设置有整流器，以将海水的螺旋运动转换成轴向运动。 在螺旋型通道推进器中采用了螺管超导磁体，和鞍型超导磁体相比，螺管超导磁体具 有结构简单，磁场强度高等优点。如采用多螺管组合式布置，这种结构形式的推进器 在效率、磁场、磁体结构等方面都有其潜在优势 环型通道磁流体推进器环型通道磁流体推进器 环型通道磁流体推进器的通道为圆环形，这种推

37、进器一般布置在潜艇 的壳体上，它不仅可安装成单段结构，也可以分散安置成两段或更多 段的结构，它与总长相等、输入功率相当的其它形式的磁流体推进器 相比，不仅克服了由于磁体及通道太长而导致推进器结构复杂和制造 工艺困难等问题，而且还能使它的推力和效率有所提高。另外，这种 推进器形式可以节约潜艇的内部空间。 超导磁流体推进技术的发展 1961年，美国人赖斯提出磁流体推进系统的设想； 1963年，多拉格提出“直流内磁式超导磁流体”推进器， 这种方案与赖斯最早的设想区别在于磁体磁场对海水作 用的电磁力区域处于推进器内部而非其外。在随后的10 多年间，人们设计和制作了多种磁流体推进系统，但由 于当时超导技

38、术不够成熟，只能采用常规磁体（磁场强 度较低）进行试验，磁流体推进的研究主要停留在原理 阶段。 80年代后，船舶磁流体推进的研究逐步向实用化阶段迈 进。美国、日本、俄罗斯和中国等相继开展了一系列超 导磁流体推进关键技术及实用化研究，包括高场强超导 磁体和磁流体推进器的结构形式及其最佳设计计算方法， 性能分析，试验装置及方法，物理和化学现象，推进器 的辅助和控制设备以及最佳船型的设计等等。 美国 美国磁流体推进研究的目标是QT磁流体推进技术。主要研究单位有： 美国海军水下系统中心，戴维泰勒舰船研究发展中心，阿贡国家实验 室，阿夫可公司。他们在推进器的结构形式，推进通道内部流场特性 等方面进行了大

39、量的理论分析和试验研究。提出了鞍型磁体直线通道 和D型磁体环形通道两种不同结构形式的磁流体推进器。并针对洛杉 矶号攻击型核QT进行了QT的磁流体推进的概念设计。其结果表明， 当磁场强度为6特斯拉，航速为30节时，通过合理地选取推进器的形 状和电场数据，电磁推进效率可达到40% （如图5所示）。同时，在 阿贡国家实验室和美国海军水下作战中心各建有一套大型的超导磁流 体推进器的试验装置，用于研究推进器性能，如压力增加效率与磁场 强度、电极电压、电导率、通道流速、环境压力等相互关系。同时， 进行了电极性能及材料，磁流体推进器与机械泵振动的对比试验及声 学特性的研究等。目前的研究工作据说已进入秘密研究

40、阶段，进展详 情不知。 美国磁流体推进QT概念设计 俄罗斯 俄罗斯在上世纪70年代，前苏联科学院高温物理 研究所、卡尔波夫物理化学研究所等单位开展了 QT磁流体推进的研究，研制出5.8特斯拉、 150800毫米的超导螺旋型磁流体推进器通道模 型，进行了压力分布、电极压降、磁流体性能的 分析和试验，并在此基础上，进行了7特斯拉、 10002200毫米的超导螺旋型磁流体推进器及其 推进的QT概念设计计算；此外，还进行了电极的 腐蚀机理及其试验研究。 俄罗斯磁流体推进回路试验装置 日本 日本鉴于具有超导磁流体推进船模的理论和试验研究基础，具有大 型超导磁体的制造能力。在1985年，日本成立了“超导电

41、磁推进船 的开发研究委员会”，决定建立超导电磁推进船，即超导磁流体推 进试验船，并以实际海域航行试验为目的，从而开始了磁流体推进 在船舶实用化的研究。研究的主要内容包括：磁流体推进器和船的 结构型式及最佳配合，超导磁体的强磁场和轻量化及其可靠性，电 极材料及其电化学性能，磁流体推进器及其动力，制冷和控制设备 的合理布局，船舶的航行及操纵性能，等等。经过理论分析计算和 模型试验，于1992年研制出“大和一号”试验船，该船总长为30 米，排水量为185 吨，设计航速为8节，采用直流内磁式推进器， 并在海上进行自航试验。在试验中，进行了航速试验、操舵试验、 回旋试验等，获得了相当的成功。它标志着世界

42、上第一艘超导磁流 体推进船的诞生。 日本“大和一号 ” 我国磁流体推进技术的研究 我国于70年代开展了对磁流体推进技术的研究。七二所曾经研究过 常规导体的磁流体推进技术，但由于常规导体产生的磁场强度较弱， 回转体水下模型的外磁式磁流体推进自航试验结果表明，其推进效率 极低。它是我国进行磁流体推进技术研究的开端。 作为国家研究发展项目，磁流体推进技术在1992年开始得到中科院的 支持，列入中科院“八五”重点攻关项目，在电工所进行基础研究， 成功地研制了永磁磁体的磁流体推进QT模型，并进行了演示试验。 在“九五”期间，中科院电工所在863 计划的支持下，进行了超导磁 流体推进技术的研究，已建成了较

43、为完整的超导磁流体船舶推进实验 室，包括盐水循环试验系统，航行试验池以及计算机数据采集和处理 系统、激光测速系统等；建立了一套磁流体船舶推进的数学分析方法 和计算模型及相应的数据库。 超导磁流体推进器回路试验装置的研制 其目的是研究影响螺旋型通道推进器性能的各种损失因素以及各种性 能参数之间的关系，验证螺旋型通道推进器性能预测和设计的理论分 析方法，同时，建立螺旋型通道推进器设计和计算时与机械损失相关 的数据库。 超导磁流体推进试验装置由循环海水试验主回路，辅助回路，超导磁 体及低温系统、数据测量及计算机采集系统等组成。其中主回路包括 可拆卸的螺旋型通道试验段、T超导磁体、便于观察气泡的透明段

44、、 气体分离器、带变频调速的循环泵以及不锈钢的联接管件，辅助回路 的目的是将主回路海水（盐水）泵入贮罐中 ，以便多次使用，并能清 除主回路的沉淀物。 试验中各物理量通过传感器转换成模拟信号，进 入计算机的数据采集系统，从而实现试验过程的数据实时显示、存盘 和监控，大大方便了试验操作，提高了试验数据的准确性和精度，同 时也使实验数据库的建立和后期分析变得可能。 超导磁流体推进试验装置 磁流体推进发展 在超导磁流体推进器中，船舶的推力是由电磁力产生，为 了获得大的推力和高的效率，就要求提供高的磁场。初步 的理论分析表明，当磁场强度为10特斯拉以上，磁流体船 舶推进将具有实用价值。在以往的研究中，更

45、多的研究工 作主要集中在直线通道鞍形磁体推进器的研究和试验。由 于鞍形磁体结构复杂，加工工艺要求高，目前的水平很难 制造出适用于磁流体船舶推进使用的场强高，尺寸大，重 量轻的鞍形超导磁体。因此，试验研究的推进器几何尺寸 和磁场强度均处于较低的水平，推进器的效率和推力很难 达到实用。 中日高场强磁流体推进器的试验研究 多年来，中科院电工所主要从事螺管磁体螺旋型通道推进器的研究，在理论 分析和试验研究方面积累了丰富的经验。相对而言，高场强，大温孔的螺管 磁体的制造更为现实。经中国科学院电工研究所的提议，得到日本神户商船 大学和日本国立材料科学研究所的响应，两国三方的科研人员于1999年8 月9月在

46、日本筑波首次完成了14特斯拉高场强条件下的螺旋型通道磁流体 船舶推进器的合作试验研究。 试验结果表明，其性能指标较“HEMS1”试验船及日本研制的“大和一号” 试验船提高了一个数量级。这是世界上首次进行的高场强情况下的磁流体推 进器的试验研究，中科院电工所承担了试验核心部件磁流体推进器的研制 工作，研制和试验中解决了一系列重要技术问题， 当电流密度为1000安培/平方米，推进器电效率为22%，比“大和一号”提高 了近10倍，电磁力密度约为10000牛顿/平方米，比“大和一号”高出一个数 量级。这次试验的成功，不仅获得了颇有价值的实验数据，而且显示了我国 已具备进行大型船舶的磁流体推进系统概念设

47、计的能力和必要的技术基础， 也确立了我国在该领域的国际先进地位。 磁流体推进的展望 超导磁流体推进技术是一项涉及电磁学、流体力学、电化 学等多学科，并且综合性很强的高技术。该技术难度很大， 需要解决的问题很多，有些问题已经解决，有些问题正在 研究，但还有些问题有待未来高新技术，尤其是超导材料 及磁体技术的解决。近几年来，磁流体推进技术在其他领 域的应用研究也得到扩展，如微流体泵，人工心脏辅助装 置，超音速飞机、海水流动控制以及油污海水的分离回收 等技术的研究。可以预言，随着科学的发展、技术的进步、 新材料和新工艺的出现，超导磁流体推进技术将在不远的 将来得到更大的发展，并走向实用化。 面临的挑

48、战 船舶动力装置所面临的挑战： 1、安全 Safety 船舶及其货值愈益昂贵，常以10亿元计；出现事故时 伴随着重大污染；船员数量减少，现场处理几乎不可能。 解决方案 Solutions： （1）驾驶遥控，无人值班机舱。 （2）智能化的监控系统及故障诊断。 （3）故障出现后的自我保护。 2、节能 Engine Saving 化石燃料的供应，全球性不足的时代已经来临。全球 油价高企，燃料成本已经超过全部开销的30%。 解决方案 Solutions： （1）船舶大型化；根据船舶的用途，采用先进的船舶动力 系统。 （2）科学用能：船舶是一个独立的能岛，要建立科学的能 量管理系统，以杜绝浪费。例如要杜

49、绝以电供热，以电致 冷。 3、环保 人类正在面临全球气候突变的威胁。CO2的 过量排放，温室效应，全球变暖，是罪魁祸首。 中国每年排放40亿吨CO2，仅次于美国。京都议 定书要求各国降低CO2排放。 NOx及SOx都是化石燃料燃烧的产物，会引 起酸雨、光化学烟雾等后果，国际公约对其排放 均有要求。 动力系统自动化相关技术的发展 ECU的发展 ECU开发技术的发展 柴油机电控单元研究发展柴油机电控单元研究发展 电控单元的研究取得的飞速进步，主要得益于电 子控制行业的迅速发展和各种现代控制技术在柴 油机领域的应用。为了满足各个方面的性能要求， 电控技术已经渗透到柴油机的各个部分，采用了 许多新的控

50、制技术。现在，柴油机电子控制的内 容已由当初的燃油系统单一控制逐步发展到包括 发动机各个系统控制、故障诊断、实时管理等功 能在内的综合管理系统，各种先进的电子控制技 术在电控单元中得到了越来越广泛的应用 控制理论在电控单元研究中的应用 发动机电子控制使用的控制方法从早期的经典控 制理论的PID算法逐步发展到优化控制、自适应 控制、模糊控制、神经网络控制以及预测控制等 多种现代控制理论。现代控制理论的引入使得电 控系统更能适应柴油机这一类复杂多变量系统， 时变系统和非线性系统，此外，现代控制理论与 不断进步的新型电控器件相结合，使柴油机电控 技术在进入实用化方面不断取得新的突破。 自适应控制和鲁

51、棒控制 内燃机的自适应控制系统首先由Draper和Li在 1951年提出，他们介绍了一种能使性能特性不确 定的内燃机达到最优性能的控制系统 。 基于模型的自适应控制技术逐渐应用于发动机控 制以提高精度，其主要运用范围是发动机的稳态 工况。由于动态工况下参数变化快、自适应算法 收敛速度限制和控制器计算速度限制等因素，在 动态工况下应用存在着不足。 神经网络和模糊控制神经网络和模糊控制 柴油机是一种多输入、多输出的非线性控 制系统，难以用经典的控制方法来满足控 制设计要求。随着控制理论的发展，各种 新颖的控制方法正在逐步取代经典的控制 方法，并在实际中得到推广，如神经网络 和模糊控制等方法。 神经

52、网络和模糊控制神经网络和模糊控制 神经网络本质上是并行结构的非线性系统， 这给发动机非线性控制系统的描述带来了 一种新的数学模型；神经网络是一个多输 入输出系统，在信息综合、信息互补与冗 余等方面有较强的能力，而且在多变量、 大系统与复杂系统的控制方案设计上有很 明显的优势。 神经网络和模糊控制神经网络和模糊控制 模糊理论与神经网络有共同之处，如均为 并行处理结构、都具有非线性映射能力。 模糊神经网络是近年来智能控制领域的热 点，它既具有模糊系统的便于理解，可以 表达人的经验模糊等特点，又有神经网络 的并行处理功能、容错能力、强大的自组 织、自学习能力。 神经网络和模糊控制神经网络和模糊控制

53、在国外，日本丰田公司较早将神经网络应 用于控制，并提出了“智能发动机”的概 念。同时还进行了应用神经网络技术控制 发动机的试验。另外，M. Michael等开发了 一个神经控制器，实现汽车燃油喷射系统 的空燃比的实时自适应控制；Lenz U等利 用神经网络方法提出了一种高精度控制燃 烧室内空燃比的火花点燃式发动机燃烧控 制对策 。 神经网络和模糊控制神经网络和模糊控制 神经网络和模糊控制的特点是其本质为并行结构， 这种特点决定了其计算速度取决于控制器的结构 形式。目前，并行计算芯片还处在研究阶段，远 未进入控制器领域，这使得理论上计算速度很快 的模糊神经网络算法在实际的处理器上速度慢、 资源占

54、用量大，实时性差。此外，两者数学基础 均不完善，对系统稳定性、动态特性等性能分析 都无确定的准则和方法 反馈线性化等非线性反馈技术反馈线性化等非线性反馈技术 20世纪非线性控制理论的突破性进展发端 于20世纪70年代初期。随着微分几何理论 和微分代数方法的引入，使得非线性系统 控制理论及其应用有了一个巨大飞跃。非 线性系统的几何理论在20世纪80年代己经 初步形成了自己的完整体系，基于微分几 何的非线性系统控制理论的出现，也极大 地促进了非线性系统鲁棒控制理论的研究。 发动机管理系统的功能发展 随着电子计算机技术和控制技术的快速发展，车 辆发动机电控的功能由最初的燃油喷射系统电控 逐步发展到集

55、喷油电控、增压电控、怠速电控、 进气涡流控制、电控风扇驱动、怠速稳定控制、 EGR控制、冷启动电控、柴油机电控液压启动系 统、冷却控制、故障诊断为一体的发动机综合电 子控制装置。发动机电子控制逐步形成了包括控 制、处理、故障诊断和实时管理的发动机综合管 理系统 发动机管理系统的功能发展 国外新开发的电控柴油机上都具备监控诊断功能。 这已成为现代发动机的一个重要特征。例如，美 国CUMMINS公司采用CELECT和CENTRY发动 机电子管理系统对发动机进行全面控制和管理。 有些电控系统还包括了对机外排放的控制、安全 性控制、以及与其它电控系统的信息通讯等等。 如：电控柴油机微粒袋滤系统、壁流式

56、微粒过滤 器电加热再生控制系统、电控牵引力控制系统等 等。 电控发动机故障自诊断功能 现代发动机的电子控制系统复杂程度逐步 增加，故障诊断功能也被包含进电控系统 当中，这不仅要求故障系统对发动机的工 作特性进行检测，还要求ECU具有故障自 诊断功能以监测电子控制系统各部分的工 作状况，如：传感器的故障诊断、执行器 的故障诊断和配线电路的故障诊断等等。 电控发动机故障自诊断功能 1988年，美国汽车工程师协会（SAE）、美国环保 署（EPA）、加州空气资源委员会（CARB）协同 提出了OBD-I随车诊断系统，其目的是加快燃油喷 射系统的维修速度，提高其维修质量，以降低汽车 的废气排放。OBD-I

57、系统能够实时监视控制模块、 与控制模块相连的各传感器、燃油表系统以及废气 再循环系统等等。 1993年，美国环保署颁布了OBD-II的规定，一些 1994年出厂的轻型车上开始配备OBD-II随车诊断系 统。 目前已推出了OBD-III型系统 。 现场总线技术 当前，出现了多种现场总线： 基金会总线 LonWorks Profibus HART CAN 现场总线技术 CAN即控制局域网络，最早由德国BOSCH公司 推出，用于汽车内部测量与执行部件间的数据通 信。由于其高性能、高可靠性及独特的设计， CAN越来越受到人们的重视。世界上一些著名的 汽车制造厂商，如BENZ、BMW、PORSCHE、

58、ROLLS-ROYCE和JAGU都已开始采用CAN总线 来实现汽车内部控制系统与各检测和执行机构间 的数据通信。 传感器技术传感器技术 近年来，随着控制技术、计算机技术和宽带网络 技术的快速发展，多传感器系统得到了越来越多 的应用，这对传感器提出了更高的要求，即准确 度高，可靠性好，易于组网，并具有信息处理和 自检等智力功能。 随着新材料及新技术的应用，电控系统要求传感 器集成化和智能化。实现智能化的传感器具有信 号放大、处理功能，各种补偿功能，以及自诊断 功能，其智能部分还应具有编码和译码的能力。 传感器技术传感器技术 网络化智能传感器是以嵌入式技术为核心，集成 了传感单元、信号处理单元和网

59、络接口单元的新 一代传感器。 处理器的引入使传感器成为硬件和软件的结合体， 能根据输入信号值进行一定程度的判断和制定决 策，实现自校正和自保护功能。非线性补偿、零 点漂移和温度补偿等软件技术的应用，则使传感 器具有很高的线性度和测量精度。网络接口技术 的应用使传感器能方便地接入网络。 计算机硬件的发展 电控单元（ECU）是柴油机电控系统的核心，其 硬件就是微处理器。目前，在发动机电控单元中 除了常用的8位和16位的微处理器外，32位特别 是64位微处理器已逐步开始使用，而且，专用的 汽车微机也已研制出来。 当前ECU发展的总趋势是从单系统单机控制向多 系统集中控制过渡，汽车电控系统将采用计算机 网络技术，把发动机电控系统、车身电控系统、 底盘电控系统及信息与通信系统等各个系统的 ECU相联接，形成机内分布式计算机网络。 电控系统开发工具与设计方法的发 展 计算机仿真技术的应用 实时操作系统的应用 计算机辅助控制系统设计 （CACSD）技术 计算机仿真技术的应