劉世偉陳海洲(武漢交通職業(yè)學(xué)院,湖北 武漢 430065)

基于Simulink的船舶推進(jìn)系統(tǒng)仿真研究*

劉世偉1陳海洲2
(武漢交通職業(yè)學(xué)院,湖北 武漢 430065)

船舶推進(jìn)系統(tǒng)仿真是分析和改進(jìn)推進(jìn)系統(tǒng)性能的重要方法。文章介紹Matlab/Simulink在系統(tǒng)建模、動(dòng)態(tài)仿真和綜合分析方面的使用,基于Simulink核心組件,建立船舶推進(jìn)系統(tǒng)的仿真模型,并對(duì)所建數(shù)學(xué)模型進(jìn)行仿真分析。

Matlab/Simulink;船舶推進(jìn)系統(tǒng);船用柴油機(jī)

船舶推進(jìn)系統(tǒng)的裝置結(jié)構(gòu)復(fù)雜,加上航行時(shí)工況多變是一個(gè)涉及到眾多方面的非線性系統(tǒng)。因而在其設(shè)計(jì)和優(yōu)化的過(guò)程中,常常需要反復(fù)的修改,傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)與優(yōu)化工作需耗費(fèi)大量的人力物力,且難以準(zhǔn)確掌握其動(dòng)態(tài)特性。隨著計(jì)算機(jī)學(xué)科的快速發(fā)展,現(xiàn)代化的仿真技術(shù)在船舶動(dòng)力工程方面的應(yīng)用越來(lái)越廣泛,為船舶推進(jìn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)和改進(jìn)的各個(gè)階段提供了很大幫助,如推進(jìn)系統(tǒng)的性能分析、狀態(tài)監(jiān)測(cè)、穩(wěn)態(tài)特性和動(dòng)態(tài)特性分析等[1]。本文利用Matlab的Simulink核心組件對(duì)船舶推進(jìn)系統(tǒng)進(jìn)行了模塊化的建立,對(duì)推進(jìn)系統(tǒng)進(jìn)行模擬仿真。研究推進(jìn)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性,為深入了解推進(jìn)系統(tǒng)的控制規(guī)律和相應(yīng)參數(shù)優(yōu)化提供了數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

1 Matlab/Simulink的應(yīng)用

Simulink集成軟件包基于Matlab語(yǔ)言環(huán)境,是Matlab軟件功能的擴(kuò)展。它將框圖界面與交互仿真功能結(jié)合在一起,相比于純粹的數(shù)值模擬編寫具有方便快捷、簡(jiǎn)單易用等特點(diǎn)。得益于Simulink的許多可視化的系統(tǒng)功能模塊,在建模時(shí),操作者只需了解每個(gè)模塊的輸入、輸出以及模塊實(shí)現(xiàn)的功能。將創(chuàng)建的各個(gè)子模塊連接起來(lái)就構(gòu)成了最終所需要的整個(gè)系統(tǒng)模型(以mdl文件進(jìn)行存取),接下來(lái)就可以利用創(chuàng)建完成的整體模型進(jìn)行仿真與分析。Simulink能夠根據(jù)要求處理多種多樣的系統(tǒng),包括:線性、非線性系統(tǒng);離散、連續(xù)及混合系統(tǒng);單任務(wù)、多任務(wù)離散事件系統(tǒng)等。Simulink核心組件提供的是圖形化的單元與模塊,用戶不需要從最底層一步步編寫程序代碼,通過(guò)軟件界面上的GUI操作,就可以創(chuàng)建出復(fù)雜的仿真模型進(jìn)行分析。上述特性使得用戶在使用Simulink時(shí),不需要將過(guò)多的精力放在代碼編寫上,而是專注于完善模型的創(chuàng)建上面。這種利用簡(jiǎn)單的鼠標(biāo)操作創(chuàng)建各個(gè)模塊的方法,使得花費(fèi)在系統(tǒng)仿真研究上面的時(shí)間大大減少。

Simulink采用分層式結(jié)構(gòu),其中模塊表現(xiàn)為方塊式的圖標(biāo)形式。圖形化的模塊呈現(xiàn)形式使得繁瑣的數(shù)據(jù)細(xì)節(jié)得以隱藏,不再是Matlab軟件冰冷的命令行,使用環(huán)境顯得更加親切友好,用戶體驗(yàn)更加輕松。在模型創(chuàng)建方面,Simulink不僅能夠?qū)崿F(xiàn)自上而下式的流程設(shè)計(jì),也能夠?qū)崿F(xiàn)自下而上的逆流程設(shè)計(jì)。在研究分析方面,Simulink創(chuàng)建的系統(tǒng)模型不單單是讓用戶了解各個(gè)環(huán)節(jié)的特性細(xì)節(jié),也能夠讓用戶清晰地了解各器件、各子系統(tǒng)、各系統(tǒng)間的信息交換,從而各部分之間的相互影響。除此之外,在Simulink進(jìn)行仿真分析時(shí),用戶改變想要研究的參數(shù),及時(shí)地觀察系統(tǒng)對(duì)于此參數(shù)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)。最后Simulink還能將分析計(jì)算結(jié)果保存在Matlab的工作空間中,借助Matlab語(yǔ)言所具有的眾多分析功能、可視化優(yōu)勢(shì)和工具箱工具操作數(shù)據(jù)[2]。

2 推進(jìn)系統(tǒng)模型的建立

2.1 推進(jìn)系統(tǒng)的組成

船舶推進(jìn)系統(tǒng)是推動(dòng)船舶正常航行的設(shè)備。主機(jī)通過(guò)將其他形式的能量轉(zhuǎn)換為轉(zhuǎn)動(dòng)動(dòng)力,帶動(dòng)螺旋槳等推進(jìn)器產(chǎn)生推力,推動(dòng)船舶克服航行時(shí)受到的阻力正常行駛。它是船舶動(dòng)力裝置中最根本的組成部分,其中包括:主機(jī)、傳動(dòng)裝置、船舶軸系、推進(jìn)器等[3]。

2.2 推進(jìn)系統(tǒng)的模塊

通過(guò)對(duì)船舶推進(jìn)系統(tǒng)研究,可將其整體模型劃分為:柴油機(jī)模塊、傳動(dòng)裝置模塊、螺旋槳模塊和船舶的阻力模塊等。根據(jù)船舶推進(jìn)系統(tǒng)與船體相互之間的關(guān)系,推導(dǎo)出各個(gè)模塊化的結(jié)構(gòu)體系(以單機(jī)單槳柴油機(jī)推進(jìn)系統(tǒng)為例)。各個(gè)參數(shù)之間滿足公式(1)、(2)、(3)、(4):

式中:TE為推進(jìn)器的有效推力;R(V)為船體的阻力;V為航速;m為船舶的總質(zhì)量;QD、QS、QP、Qf分別為柴油機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩、傳遞給螺旋槳的轉(zhuǎn)矩、螺旋槳受到的阻力矩及軸系產(chǎn)生的摩擦力矩;J是轉(zhuǎn)動(dòng)系統(tǒng)的慣性當(dāng)量;i為減速齒輪箱的減速比;nP、nD分別為螺旋槳的轉(zhuǎn)速和柴油機(jī)的轉(zhuǎn)速。根據(jù)推進(jìn)裝置的基本工作原理,應(yīng)用動(dòng)量定理、能量守恒定律以及流體學(xué)理論,采用機(jī)理建模方法,可以建立系統(tǒng)的各個(gè)模塊。以下以柴油機(jī)、傳動(dòng)裝置、推進(jìn)器模塊的建立為例[4]。

2.2.1 柴油機(jī)模塊

柴油機(jī)模塊又可劃分為增壓器模塊、進(jìn)排氣模塊、中冷器模塊、柴油機(jī)本體模塊等子模塊。其中各個(gè)模塊的數(shù)學(xué)方法為:使用穩(wěn)態(tài)特性曲線表示壓氣機(jī)模型;使用效率特性曲線和流量表示渦輪機(jī)模型;通過(guò)求解數(shù)值積分形式增壓器動(dòng)態(tài)特性力矩方程得到增壓器的轉(zhuǎn)速;根據(jù)冷卻效率推導(dǎo)出中冷器的出口溫度,結(jié)合增壓空氣的質(zhì)量流量得出其壓降。除了上述的增壓器和中冷器模塊外,利用理想氣體狀態(tài)方程、連續(xù)性方程和能量守恒方程,可以求解出進(jìn)排氣模塊的壓力、溫度等參數(shù)。使用柴油機(jī)工作循環(huán)的平均參數(shù),通過(guò)有效壓力等效率數(shù)據(jù)得出扭矩、質(zhì)量流量和出口參數(shù)等,進(jìn)而表示氣缸模塊。采用上述方法完成柴油機(jī)模塊的建立,列舉其中模塊公式如下[5]:

(1)增壓器模塊的數(shù)學(xué)公式為:

2.2.2 傳動(dòng)裝置模塊

離合器和減速齒輪箱組成傳動(dòng)裝置。離合器的形式主要有摩擦式和液壓式兩種,減速齒輪箱則主要有普通減速式、并車減速式兩種,根據(jù)具體的推進(jìn)系統(tǒng)進(jìn)行不同的數(shù)學(xué)建模。離合器模型建立時(shí)主要考慮結(jié)合狀態(tài)、離合過(guò)程和分離狀態(tài)三種情況,但是對(duì)于分離后的離合器應(yīng)將推進(jìn)系統(tǒng)劃分為兩個(gè)子系統(tǒng)進(jìn)行處理。使用功率損失的方法可以建立減速齒輪箱模型,即N輸入×η=N輸出,從而推導(dǎo)出轉(zhuǎn)矩、輸入轉(zhuǎn)速、輸出轉(zhuǎn)速之間的相互關(guān)系。

2.2.3 推進(jìn)器模塊

現(xiàn)在船舶常用的推進(jìn)形式為螺旋槳推進(jìn),其中包括定距槳和可調(diào)漿兩大類。但它們的推力與轉(zhuǎn)矩都可以表示為公式(8)、(9)。

式中,Kt,Kq分別為螺旋槳推力系數(shù)、轉(zhuǎn)矩系數(shù);ρ為海水的密度;D為螺旋槳的直徑。Kt,Kq與螺旋槳的進(jìn)速系數(shù)J和槳葉的旋轉(zhuǎn)角度θ有關(guān),它們可通過(guò)螺旋槳的產(chǎn)敞水特性曲線找出。

螺旋槳工作時(shí),因?yàn)榇w的影響,產(chǎn)生推力減額和伴流現(xiàn)象。螺旋槳的有效推力和槳的進(jìn)速的公式如下:

式中Vs為船速,伴流系數(shù)w和推力減額系數(shù)t可由試驗(yàn)數(shù)據(jù)及經(jīng)驗(yàn)公式獲得。

因此,軸系運(yùn)動(dòng)方程為:

式中Nd為柴油機(jī)轉(zhuǎn)速;Ie為柴油機(jī)及到偶合器輸入軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量;IL為負(fù)載(偶合器輸出軸、軸系到螺旋槳等)的當(dāng)量轉(zhuǎn)動(dòng)慣量;Me為柴油機(jī)有效扭矩;i為齒輪箱減速比;j為每軸柴油機(jī)工作臺(tái)數(shù);Mp為螺旋槳扭矩;Mf為傳動(dòng)軸系及機(jī)組的摩擦扭矩。

船體直線運(yùn)動(dòng)方程為:

式中m為船體直線運(yùn)動(dòng)質(zhì)量;kw為附水系數(shù);Z為同時(shí)工作的螺旋槳數(shù);Rs為船體阻力。

其余部分的模塊參考以上幾個(gè)模塊的創(chuàng)建過(guò)程,最后在Simulink里面完成的推進(jìn)系統(tǒng)仿真的模型如圖1所示。

3 推進(jìn)系統(tǒng)模型的仿真分析

當(dāng)轉(zhuǎn)速變化曲線是無(wú)震蕩或者衰減過(guò)程時(shí)才能夠?qū)崿F(xiàn)推進(jìn)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)穩(wěn)定。通過(guò)對(duì)相關(guān)參數(shù)的優(yōu)化改進(jìn),最終實(shí)現(xiàn)推進(jìn)系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)。此外本文對(duì)調(diào)速器的調(diào)速率要求穩(wěn)定在30%左右,其峰值變化不超過(guò)5%,為此可通過(guò)調(diào)整對(duì)調(diào)速有影響的各個(gè)參數(shù)實(shí)現(xiàn)。

圖1 推進(jìn)系統(tǒng)的仿真模型

進(jìn)而對(duì)該型船舶推進(jìn)系統(tǒng)的單機(jī)單槳、雙機(jī)雙槳以及三機(jī)三槳等工作狀況進(jìn)行了穩(wěn)態(tài)仿真,計(jì)算出不同轉(zhuǎn)速時(shí)對(duì)應(yīng)的船舶航速,并將得出的數(shù)據(jù)與實(shí)際測(cè)得的數(shù)據(jù)進(jìn)行比較。從圖2可以看出,所創(chuàng)建推進(jìn)系統(tǒng)模型的仿真結(jié)果與實(shí)際航行時(shí)的航速轉(zhuǎn)速對(duì)應(yīng)結(jié)果基本相同,其穩(wěn)態(tài)誤差經(jīng)過(guò)計(jì)算4%以內(nèi)[6]。因此,該型船舶推進(jìn)系統(tǒng)的仿真模型符合要求。產(chǎn)生誤差的原因一方面是與實(shí)際航行時(shí)的海況不同,本文推進(jìn)系統(tǒng)的仿真是在標(biāo)準(zhǔn)海況下進(jìn)行模擬的;另一方面是對(duì)推進(jìn)系統(tǒng)進(jìn)行仿真時(shí)船舶排水量存在一定差別。

圖2 航速的穩(wěn)態(tài)仿真結(jié)果和實(shí)測(cè)值的比較

4 結(jié)論

本文基于Matlab的Simulink核心組件,研究和建立了某型船舶推進(jìn)系統(tǒng)的仿真模型。根據(jù)相關(guān)原理,構(gòu)建了推進(jìn)系統(tǒng)的各個(gè)模塊的準(zhǔn)確的數(shù)學(xué)模型。對(duì)其穩(wěn)態(tài)性能進(jìn)行仿真分析,實(shí)測(cè)值和仿真值對(duì)比結(jié)果表明本文模型建立的方法正確,該方法對(duì)船舶推進(jìn)系統(tǒng)的性能研究及運(yùn)行控制極具價(jià)值。除此之外,本文建立的模型還可以用在對(duì)新型船舶推進(jìn)系統(tǒng)的性能預(yù)測(cè)工作上面,利用仿真結(jié)果進(jìn)行推進(jìn)系統(tǒng)的性能分析和優(yōu)化設(shè)計(jì),可以及時(shí)根據(jù)模型仿真結(jié)果修改相關(guān)參數(shù)和模型,相較傳統(tǒng)方法更加直觀。

[1]隋琳,張維競(jìng).CODAD推進(jìn)系統(tǒng)準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)建模方法及運(yùn)行性能分析[J].船舶工程,2004,(1):34-36.

[2]楊高波,簡(jiǎn)清華.基于Matlab Simulink的仿真方法研究[J].華東交通大學(xué)學(xué)報(bào),2000,(4):59-62.

[3]楊承參,施潤(rùn)華.船舶動(dòng)力裝置[M].上海:上海交通大學(xué)出版社,1996:67.

[4]朱小平.艦船主推進(jìn)系統(tǒng)的建模理論、控制策略及優(yōu)化設(shè)計(jì)[D].上海:上海同濟(jì)大學(xué),2007.

[5]龔金科,劉夢(mèng)祥,劉湘玲,譚凱,周立迎.用Simulink實(shí)現(xiàn)柴油機(jī)的建模與仿真[J].湖南大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2002,(4):38-41.

[6]吳小平,楊松林,奚煒.翼滑艇智能推進(jìn)系統(tǒng)仿真研究[J].艦船科學(xué)技術(shù),2004,(4):19-22.

10.3969/j.issn.1672-9846.2014.03.020

TK422

A

1672-9846(2014)03-0080-03

2014-04-28

劉世偉(1982-),男,黑龍江拜泉人,武漢交通職業(yè)學(xué)院船舶與海洋工程學(xué)院講師,主要從事船舶動(dòng)力系統(tǒng)研究。

陳海洲(1959-),男,湖北孝感人,武漢交通職業(yè)學(xué)院船舶與海洋工程學(xué)院教師,主要從事船舶動(dòng)力系統(tǒng)研究。