3基于SIMULINK的气垫船垫升推进控制系统仿真精

1、2005年2月船舶February,2005第1期SHIP&BOATNO.1研究与设计基于SIMULINK的气垫船垫开推进控制系统仿真刘春光马涛(708研究所上海200011关键词气垫船;垫开推进；仿真；SIMULINK摘要气垫船垫开推进系统是一个复杂的非线性系统。在气垫船的航行过程中,应严格控制动力涡轮转速，这对它的垫升稳定性非常重要。本文应用SIMULINK仿真平台对该系统进行建模，并对其采用了复合控制。针对螺旋桨螺距角的变化，给出了该系统的动态仿真结果。中图分类号U674.943文献标识码A文章编号1001-9855(2005010022-03Air-cushionvehicle

2、'spropulsioncontrolsystemsimulationbasedonSIMULINKLiuChunguangMaTaoKeywords:air-cushionvehicle;lift/propulsion;simulation;SIMULINKAbstract:Theair-cushionvehicle'slift/propulsionsystemisacomplicatedandnonlinearsystem.Duringtheair-cushionvehiclenavigation,itisveryimportanttostrictlycontrolther

3、ateofrotationofturbinetokeepitsliftstability.ThispapermakesmodelingwithSIMULINKsimulationplatformandadoptsinte-gratedcontrol.Itgivesoutthedynamicsimulationresultaccordingtopropellerpitchanglevariation.2垫升推进系统的数学模型1刖H气垫船是现代的一种高性能船舶，它的航速高，并且具有良好的两栖性，因此它对各个系统的要求都比较高。气垫船的动力系统与常规船相比，它增加了为气垫引气用的垫开风机，而使整个动

4、力系统更加复杂。气垫船为了保持航行中的垫升稳定性，必须保持垫开风机转速恒定，即要求燃气轮机动力涡轮的输出转速不变。文中的数学模型的垫升系统和推进系统共用同一发动机。在气垫船的航行过程中，螺距角经常发生变化，这就造成该系统扭矩平衡关系被破坏，继而会使动力涡轮转速发生改变。为保持转速恒定，可控制燃气轮机的燃油量来调整燃气轮机的状态，这是该控制系统的基本原理。型。模型中各变量定义如下：图1该船左右舷各采用三台燃气轮机并车，通过主减速齿轮箱驱动一台垫开风机，再通过推进减速齿轮箱驱动一台变距螺旋桨。其中一舷的简图如图1:因为两侧系统相同，这里只建立一侧的数学模收稿日期2004-11-10作者简介刘春光（

5、1980.1-,男，汉族，山东潍坊人，在读硕士研究生,从事船舶总体设计研究工作。马涛（1944.9-,男，研究员，从事船舶总体设计研究工作。基于SIMULINK的气垫船垫开推进控制系统仿真N1n:每个燃油调节器的转速N2:动力涡轮转速N2OPTn:每个N1n对应的最佳动力涡轮转速SHPOPTn最佳动力涡轮转速下的功率SHPn:涡轮产生的实际功率ETOPn:涡轮产生的扭矩TETOR:一舷的涡轮的总扭矩NFAN:风扇转速NPROP螺旋桨的转速HPFAN:风扇吸收的功率PFAN:风扇压力QFAN:风扇流量NETAF:风扇效率:螺旋桨的螺距角Vx:螺旋桨的轴向相对风速度TPROP螺旋桨推力HPPROP

6、螺旋桨吸U的功率FTOP:风扇的扭矩DN2DT:动力涡轮的轴加速度ISYS=3533:轴转动惯量k1=0.1297:主减速齿轮箱减速比k2=0.6247推进减速齿轮箱减速比上述n=13,表示一舷的3台燃气轮机2.1燃气轮机的数学模型N2OPTn=11672-1.90457NMn+1.21488休XN1nSHPOPTn=14684-2.3976N1n+9.7961>0XN1nSHPn=SHPOPTn0X1+1.8(N2/N2OPTn-0.9(N2/N2OPTn2ETORn=33000>SHPn/(2N>23-52-42如果<0,C1=50X(Vx/127.5(10-PTO

7、R=33000如PROP/(2N>2(112.4轴模型由燃气轮机产生的扭矩与风扇、螺旋桨吸收的扭矩之差产生了轴加速度DN2DT=(TETOR-FTOR-PTOR/ISYS(12此时轴的转速变为：N2+DN2DTdtf3系统仿真模型3. 1控制系统的研究气垫船在某一垫态航行时必须对燃气轮机的转速进行精确的控制，而且由于要求其在发生变化时能迅速地消除误差，因此要在系统中加入一条开环控制通路，即前馈控制。但是开环控制的精度低，还要加入反馈控制。反馈控制可用PID控制器，前馈控制函数要进行求解得出。其中垫开推进系统的一个输入量为燃油调节器转速N1,实际控制可使3个燃油调节器采用同一个控制器，因此

8、转速相同，即N1n=N1,n=13。由于总的控制信号较大，又串联一放大器。实际的燃油调节器转速N1有超速保护，因此在其前加入饱和环节模块来模拟。此处螺距角、风速可看作干扰量，前馈控制的作用是消除干扰量对系统的影响。因此只需螺距角和相对风速一前馈控制函数一垫升推进系统一输出”和螺距角一垫开推进系统一输出”这两通路对输出的合影响为0o对该系统来说，即为轴加速度为00即联立方程(1(12,其中(12左边为零求解方程组，因该方程组复杂，无法求得解析解，只能求数值解来确定与N1的关系。本文应用MATLAB编写了程序来求解。4. 2基于SIMULINK的仿真模型的建立依据上面所述，可建立SIMULINK仿

9、真平台下的模型，如图2所示：积分、微分控制器的参kp、ki、kd分别为比例、NCDOutport为非线性系统控制数。螺距角使用SignalBuilder模块来模拟设计模块，是一个基于最优化技术进行系统时域设计的实用工具。用户指定输出的范围并指定要优化的参数，该模块便可以寻找满足此范围的最优值。这里用来对kp、ki、kd进行寻优。垫开推进系统为子模块，如图3:(1(2(3(4(5(6(7(8TETOR=EETORn=1n2 .2风扇模型NFAN=k1N2HPFAN=PFANQFAN/(550)NETAFFTOR=33000XHPFAN/(2XN22.3螺旋桨模型NPROP=k2>NFAN(

10、93HPROP=(NPROP/1250(450+23.05X+2.562+C1(10如果>0,C1=0;PID控制器2005年2月船舶February,2005第1期SHIP&BOATNO.1PID控制器蛆距角34曲或ChinaAllrights2此N2下降，到5s时，控制器才对N1产生作用,速度逐渐回升，直至稳态。当螺距角从-15°斜坡用10s线性变化到40°并保持40°不变时的系统动态特性如图5所示。可以看出，动力涡轮转速变化和响应时间都较小。由图4、图5,可以得出该控制系统对阶跃和斜坡输入均有良好的响应PID控制劈ChinaAllrightsr

11、eserved.PublishingHouse满足了该系统的要求。图3由于实际上燃油调节器有较大的延迟，这里加入2s的延迟环节；扭矩也有超扭保护，因此同样加入饱和环节模块。各个扭矩函数用S-函数编写。3.3系统动态特性仿真经过对阶跃和斜坡输入应用NCDOutput模块寻优,得到了最优控制器参数kp=19.245,ki=4.712,kd=15.869使用SignalGenerator模块将螺距角从-15°在3s时阶跃到40°,这时的系统动态特性如图4所示PID控制器Alirightst奥闲rvediiPublishingHouse.hllTit/ki图54结束语本文讨论了基于SIMULINK仿真平台的气垫船垫开推进控制系统的仿真，使用该系统的数学模型，选择了合适的控制器，并且对控制器参数进行了寻优，得出了满意的系统动态特性曲线。根据系统的数学模型,在SIMULINK下进行系统仿真,既迅速又准确，对气垫船系统特性的研究具有参考价值。参考文献1AD-A015699.MathematicalModelofanAirC