柴_柴联合动力实验装置及其仿真设计

1、2001 年愀咙怖希默辎黠盘為嚨腮辭隸艦聽蕊矫龍搐Eg 愀咙怖希默辎黠盘為嚨腮辭隸艦聽蕊矫龍搐Eg 柴-柴联合动力实验装置及其仿真设计哈尔滨工程大学陆平李晓通李俊敏王军摘 要 本文简要地介绍了国内第一套用于柴-柴获合动力系统运行控制技术研究的C() DAD物理模拟实验装置，并用MATLAB/Simuliiik建立其数学模型及在此基础上进行了动态仿真 研究。关键词柴-柴联合动力装置(CO DAD)控制技术数学模型仿真愀咙怖希默辎黠盘為嚨腮辭隸艦聽蕊矫龍搐Eg 愀咙怖希默辎黠盘為嚨腮辭隸艦聽蕊矫龍搐Eg 1前言在众多的船舶动力装置中，柴-柴联合动力装 置(COMBINED DIESEL AND D

2、IESEL)不仅能运 行在最佳状态，提供较人的输出功率，良好的经济 性，而II维修、保养费用较低。故为众多船东和船舶 科研设计单位所关注。但就目前技术而言,其关键 z是单机工作与双机并车工作状况的切换控制技 术及双机并车工作时的负荷分配控制技术。为此 笔者役计并建造了一套用丁柴-柴联合动力装置运 行控制技术研究的实验装置，并用Math Works公 司的图形使能动态仿真软件包M AT LAB/Siniulink 工具建立起柴汕机(及其电子调速器)、并车齿轮箱、 负荷和并乍控制器等的数学模型，以对此实验装置 的动态特性进行综合仿真研究。2实验装置的组成实验装置的组成方案如图1所示。它由网台柴 汕

3、机、双速比并车齿轮箱、水力测功器、监测控制以 及冷却、排气消音、燃油、隔振等部分组成。图1实验装置组成方案框图(1) 柴油机 选用495型柴油#1( 2000r/min. 32k W)两台，按观船机舱实际布置情况作对置式布 置，配用DK100/BDZ01型模拟式电子调速器。两 柴油机均通过疝弹性联轴器与并千齿轮箱的输入端 相连,其间安装扭矩传感器轴段。(2) 并车齿轮箱 由杭州齿轮箱厂具体设计与 制造。通过岛弹性联轴器与水力测功器相连。减速 比分别为1. 273和1,最大输入扭矩为200Nm左 右，最人输出扭矩为40()Nm左右.工作转速范围为 60020001/mino两台柴汕机的三种功率输

4、出工作 模式均通过电控液动或手动摩擦片离合器实现切 换,其具体工作方式如图2、表1所列。图2并车齿轮箱结构图(3) 水力测功器(负荷)选用D4熨水力测功 器。内充水时,其吸收功率与转速的特性曲线为立 方抛物线,与螺旋桨特性Illi线非常相似:通过闭环控 制，可为各实验项忖椅确、可靠地提供各种功率工 况。表1齿轮箱传动关系离合器A离介器B离介器C离合器D工作模式减速比1.273 11： 11.273 11: 1离合器 状态接合脱开脱开脱开1#单机脱开脱开接合脱开2#单机脱开接合脱开接合双机并车运行控制器 以Intel I96KC单片机为核 心的运行控制器.在机旁实现对实验装置的H动控 制,并且和

5、上位机保持通讯，以实现单台柴油机的H 动起动、加速、减速双机的H动并乍、负荷分配、解 列,并车后的自动同步加速、减速，自动与于动控制 方式切换，以及系统的监测、报警等。其总体组成如 图3所示。愀咙怖希默辎黠盘為嚨腮辭隸艦聽蕊矫龍搐Eg 愀咙怖希默辎黠盘為嚨腮辭隸艦聽蕊矫龍搐Eg 26 422申行通信单片机Intel 196KCH A 1 入nullUilll«ft轨：4K4OBA就IM一 < -wirlflll讼Iftl也霍阪|»|一 A 丄 Mlftl為剧 jgilW 反 一 丄 wlftlMIMI怪条IGI比ml一 A- M 諭 nlKI矗- %亠 dl»

6、;l第机：-© 1994-2010 China Academic Journal Eleconic宰软All rights reserved, # © 1994-2010 China Academic Journal Eleconic宰软All rights reserved, # 电的号1A开 XB«AI畳弼II nrron |讦*A出孕动/自鲂心(IM)真它<m>(io«> 图4监测点框图图3运行控制器总成(4) 监控测最器 此上位机选用台湾研华IN DUSTRAL610工控机(PIII 450处理器，内存 128M,硬盘13G),

7、并配置一块PCL-812PG模拟量 输入板、两块P51-15-1电流暈采集板、一块HY6120 数字量输入输出板。通过和运行控制器的通信，为 柴汕机工作模式和运行工况的控制提供良好的人机 接口，以完成两台柴油机、并花齿轮箱、水力测功器 各状态的参数采集、数据处理及显示、数据保、状 态判断、故障报警与安金保护等信号采集和控制功 能。具体的监控测最点如图4所示。监控软件是在WIN98环境下用Deiphi5. 0开发的，详见图5。投入运行后，先於主监控界而下以© 1994-2010 China Academic Journal Eleconic宰软All rights reserved,

8、27Ou" 2S3厂图7柴油机子模空图8并车齿轮箱子模型Te1图9离介器模型数据和图形方式显示系统各参数；在进行了必耍的 系统设置和测试后，通过菜单和匸具条按机两种方 式触发主定时器进行数据來集和界面史新；运行过 程中，当碍要对数据进行保存和打印时同样可以通 过菜单和命令按钮W种方式进行控制；同时根据需 要，可以控制till线图和运行控制窗口的显示与否;完 成实验后,还可以对实验数据进行适当的离线处理。3实验装置的建模实验装置的模型是采用IT顶向下的设计方式, 运用性能优良的图形使能动态仿真软件包MAT- LAB/SIMULINK的工具建立起如图6所示的最上 层的胳个系统模型。它由柴

9、油机（及电子调速器）子 模型、并乍齿轮箱子模型、运行控制器子模型以及负 荷子模型等儿部分组成。各个子模型间通过输入输 出接口形成一个相互作用的有机胳体。（1）柴油机（及电子调速器）子模型实际控制时，以齿条位置作为判断柴油机负荷 大小的主要依据來建龙柴油机子模型。根据转速偏 差及扭矩修匸來控制齿条的位移，从而控制油门的 大小。此子模根相对应的Simulink屮的模犁如图7 所示。（2）并车齿轮箱子模型并车齿轮箱子模型如图8所示。图8中, ChichiCluch4为四个摩擦片离合器A D的模 型，详见图9;输入为主动轴的转速、扭矩和从动轴 转速,输出为转速控制信号和齿轮箱从动轴扭矩；当 主动轴和从

10、动轴Z间的转速差大一定值时则转 速控制信号输出为1,使柴油机的反馈转速取自主 动轴；当转速差小于一定值时,则输出为0.使柴油 机的反馈转速取门从动轴。Subsystem为并乍齿轮 箱输出部吸收扭矩模型详见图1（）。此系根据四个 离合器的状态和逻辑关系來模拟两台柴油机实际扭 矩及齿轮箱输出轴转速值。（）el是1#柴油机的输 出转速和扭矩;（）e2是2#柴油机的输出转速和扭 矩。CT1.为四个离合器接合和脱开的控制信号。 Outl为输出到并车控制器上且可在模拟示波器上 显示其过渡匸况卜转速和扭矩变化曲线的两台柴油 机的转速和扭矩信号，以及并车齿轮箱的输出转速 信号。Load为输出到柴油机子模型的两

11、台柴汕机 的转速和扭矩信号。Spd为并乍齿轮箱输出轴转 速。Switch和Swithl分别为I# 2#柴油机反馈 的实际转速。© 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved, #© 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved, 28 KZDC2DIIO0208图 1U Sul>Syst(in 部 f模型图11运行控制器了模型4仿真及

12、结果分析木文仅给出系统切换匸况过渡过程的仿真及结 果分析。4. 1切换工况过渡过程的仿真© M删曲懈艇血舶眾鮒備氯卑ublish0.60InO®1CO> n fl oi Q M ,ft2 0 8IneQ（3）运行控制器子模型运行控制器子模型如图11所示。图11中， C1C14四个手动开关用丁模拟四个离合器的接合 和脱开命令。C1C5可方便地满足并车后同步加速、 减速。SPD1和SPD2以数值方式动态显示网台柴 汕机转速.Smpe用以动态显示两台柴汕机的转速 扭矩以及齿轮箱输出轴的转速曲线。Engl和Eng2 可以控制I丙台柴汕机的设左转速，同时对其变化速 率有了限制。

13、Logic-System为用丁提供两台柴油机 模型中转速输出的复位信号。（4）负荷子模型负荷子模型按照螺旋桨特性（扭矩与转速的二 次方成比例）处理,并将其与并车齿轮箱模型中S炸 tern子模型一并考虑。台柴油机并乍运行，柴油机发出的功率通过齿轮箱 以1： 1的速比输出。仿真前，使图11中的开关clcl 4置丁 0位，1 #柴油机与2#柴油机的初始转速都为0. 1#柴油 机设定的转速为0. 5（即额定转速的50%,下同），2 #柴油机设定的转速为0. 485（为了 2#柴油机并上 时转速略高于已加载的1#柴油机）。 29开始仿真.当1#柴汕机转速达到设泄值后，双 击开关C1C2.让1#柴汕机带上

14、负荷；待稳定后，双 击开关C1C4,止2#柴油机并上；再次稳定后将2 #柴油机设定转速调到0. 5。这样,得到的仿真曲 线如图12所示。图13为实验采集数据所生成的一段I山线以验 证模型的正确性。其中,a点为离合器接合,柴油机 带上负荷,b点为突卸负荷。4.2结果分析从图12可以看出：1#柴油机由空载启动到达 设定转速,有一个动态响应的过程，这lE反映了调速 器的调节特杵：当离合器刚吸合时，柴油机扭矩有一 阶跃响应的过程（伴随一可调延时过程）同时转速 产生一定的波动有所下降这是由丁离合器刚吸合 时柴油机的负荷突然增加的结果：由可控延时效 应输出轴的转速是逐步增加的:随后由r调速器的 调节，柴油

15、机的转速和扭矩以及输出轴的转速都达 到了稳定；由于带上了负荷，转速有所下降。2#柴 油机以设定转速并乍时，实际转速要比1#柴油机 要略高些（这很必要,否则将出现1#柴油机倒拖2 #柴油机的情况）；2#柴油机并上后，1#柴油机转 速略有上升,2#柴油机略有下降（由于比例的关系， 此图不明显变换y轴比例尺将能比较清楚的看 到），再将设定转速调到相同，稳定后双机达到JU-«j 转速；由于是1： 1的速比，故输出轴转速与它们相 同;2#柴油机并上时，两台柴油机扭矩波动较大，而 转速波动较小，这是由丁 1#柴油机负荷突减,2# 柴油机负荷突加，一个调速器减小油门一个调速器 增大油门之故:此后，

16、因两台柴油机设定转速相同， 所以各H所带负荷也应相同，即1#柴油机将一半 的负荷转移给r 2#柴油机,实现了最终的并车。图13仅给出一段截収曲线來验证模型的1E确 性（离合器接合过程特征参数的动态变化是模型验 证的关键）。尽管由丁仪來样频率的原因，显不的扭 矩变化比实际扭矩变化存在较小滞后，但不难看出 模型与实际情况仍慕本一致，即离合器接合过程心 点）柴油机转速下降、扭矩急升，突卸负载（b点），转 速上升（转速变化程度由调速器的调速率决定）。5结论实验装置建成后，经一段时间的磨合运行及一 些专项实验研究后，表明此系统运行正常，各项功能 与技术指标均达到了设计要求。而为CODAI）系统 所建立的

17、MALAB/Simulink模型及所进行的双机 并车仿真实验衣明，系统的整体模型是可行的对实 际系统的设计具有很重耍的参考价值。借助此系统及模型，还可进行诸如单机实验，双 机负荷转移，双机共同加速、共同减速.以及一些恶 劣工况英或实际很难实现的具有破坏性的实验研 究。6参考文献1 PropuIsion Plant and Associated Systems for a Typical 4000ls DeBtroyer. IM EC. 1987.2刘直,赵兴贤译.自动化船舶的动力装置.人民交通出版 社.1980.3 Cassel C Vi .討於s Propulsion （2ontrok de

18、sign and Dy iiamic P（T（）rnuiice. 5 SCSS, 1978 4陆平等.箔发动机并车技术研究.呛尔滨匸程人学,2001. 5李俊敏.CODAD物理模拟实验台监控系统设计及建模研 究哈尔滨工程大学工程学硕上论文，2001.6翁史烈船舶动力装置仿貞技术上海交通大学出版比 1991.7 Heinz Hersler. Advanced Engine Technology. SAE intermr tionaL 1995.（学术工作委员会供稿）© 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing Hous

19、e. All rights reserved, #（学术工作委员会供稿）© 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved, 30学会动态全国船舶电子商务技术研讨会在北海召开由中国追船丁程学会、北京造船工程学会和中国适船工程学会电子技术学术委员会川算机学术委员会修船技术学术 委负会.水屮兵器学术委负会.水1何兵器学术委员会等7个学术团体联合举办的全国船舶电子商务技术研讨会于2001年1（） 月12 16日在广西北海召开。出席会议的有来自全国船舶航运企事业单位、领导机关等

20、从事科研设计、生产教学、使用和 管理工作的专家学者科技人负和领导干部共50人。全国人大科教文委加会委WJP国航海学会副理事长、海军原刚诃令负 张序三中将中国船舶亶工集团副 理中国造船工程学会副理事长冲国舰船研究院院长王辉出摩会议并讲话.会议收 到论文38篇，16 X专家在会上作了学术报告。会议进行了学术和经验交流国绕电子商务现状、发展动态、趋势.船船电子商 务发展方向途径，以及发展船舶电子商务的建议和对策等进行了认貞研讨并取得共识。与会代农认为这次会议开得及时. 成功.主题明确代表层次高,:效率高。会议做到了老中青相结合,科研.设汁、生产、教学、使用和管理相结处船舶航 运和全国电子商务发展相结

21、合，军民相结合.专家和领导机关、业务管理部门相结合.条条和块块相结介。（学术工作委员会供稿）© 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved, ,there are dif feivnces among the conditions of strained cradles . This paper introduces a coupled model to analyze and calculate the strained cradles9 condition an

22、d the launching calculation of the "Zuoye No. 3" platform done by use of the model .Key words Ship launching Cradle lauiuJiing Coupled model Simulated force analysisExperimental Q)DAD Power Plant and Its Simulation Desii LuPing Li Xiaotong and others(25) complete test equipment , built in

23、Harbin Engiiieering U niversity , mainly for experimental research of control system of CODAD(combined diesel and diesel) propulsion power plant is introduced in this paper . Its mathematical model was established with M AT LAB/Simulink , and based on it . simulation research was carried out Key wor

24、ds CO DA D Control lechnok)gy Model establishment SimulationStud) on Optimum Allocation of Fuzzy Reliability of Marine Main Power System Based on (netic Algorithm AnWei Wu Xiaoping and others (30)In this paper , an opt iinum allocation model of fuzzy reliability is formulated and the model is solved

25、 by ge* net ic iilgorithm Furthermore , by use of the model 、 reliability of nuirine main power system is analyzed . (Zoirr putat ion procedures and result are pivsented The result shows t lie theory and method are feasible and effective .Key words Genetic algorithm Marine main power system Fuzzy re

26、liability Opt imum al beat ion Simulated Computation of Gmbined Ventilation and Temperature Field <f Marine Brushless Non- salient Pole (kMierator YongPingxi Zliai Fiiqing and others(31)In this pq)er , multiple non- linear (juadratic coupled equations are established for preure(ln)p of air passag

27、e of combined ventilation configuration of niaruie non- salient pole generator . And then , by using a concept of functional air drag , the equations are depo w ered to multiple linear coupled equations so as to solve air flow rale of equivalent air parage ; by using a concept of heat flux of air ,

28、non- linear coupled equations for heat flux of pitch points are established so as to soke temperature value at pitch points in the sohed domain .Key words Eunctional air drag Heat flux of air Heat flux equation of pitch pointsResearch on Adaptive Fuzzy Cmtrol and Simulaticn Test for Diesel Tw(r stag

29、e Vibration Isolating System MiaoYuti Liu Shigang and others (36)In this paper, an adapt ive fuzzy controller is designed for diesel tw <r st age vibration isolating system. Adapr live leaining algorithin can adaptively tune the parameters of mntroller oirluie. X a)inputer mntn)l software is desc

30、ribed, resuks of simulation test show that the adapt ive fuzzy cont n)l met hod is effect ive and thereby vil)rat ion level is obviously red needKey words Marine diesel engine Fuzzy cont ml -Adaptive learnuig algont hmSummarized Description of Failures <f Marine Auxiliary Steam Turbine ZhangShaok

31、aif 4()In this paper, the common failures that often occur in tests and operat ion of marine aux iliary steam t urbine aie summarized and analyzed, and the phenomena, causes and trouble-shootiiig meanires of a few examples of failure modes in marine auxiliary steam turbine are presented.Key words Marine auxiliai v steam tuibiiie Failure modeResearch on Digital Netw