張 錦，聶 偉，沈 軍

(鎮(zhèn)江船艇學(xué)院動(dòng)力指揮系，江蘇鎮(zhèn)江212003)

船艇主推進(jìn)裝置是一個(gè)復(fù)雜系統(tǒng)，分析、研究其穩(wěn)態(tài)和動(dòng)態(tài)特性，對(duì)其維護(hù)、管理和故障診斷，對(duì)機(jī)電管理具有重要的意義。長期以來，船艇部隊(duì)一直依賴實(shí)船完成機(jī)艙裝備的培訓(xùn)和訓(xùn)練，培訓(xùn)手段單一、周期長、效率低、成本高，且訓(xùn)練質(zhì)量得不到保證，某些重點(diǎn)課目甚至無法進(jìn)行訓(xùn)練，導(dǎo)致船艇效能難以發(fā)揮，制約了船艇部隊(duì)?wèi)?zhàn)斗力的提升。

通過建模技術(shù)建立船艇主推進(jìn)裝置的數(shù)學(xué)模型，并通過計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)來實(shí)現(xiàn)用于仿真訓(xùn)練的機(jī)電模擬器，一直是航海類院校和科研院所的重點(diǎn)研究內(nèi)容。建立能夠反映船艇主機(jī)及系統(tǒng)特性的仿真模型，具有重要的科學(xué)意義和經(jīng)濟(jì)效益。通過模擬器的仿真操作和訓(xùn)練，可使學(xué)員快速掌握真實(shí)對(duì)象的組成、工作原理和工作特性，并能準(zhǔn)確地對(duì)其進(jìn)行故障診斷，而不必像實(shí)裝訓(xùn)練那樣花費(fèi)很大的人力、財(cái)力和時(shí)間［1－3］。此外，仿真系統(tǒng)還可以完成實(shí)裝訓(xùn)練無法做到或十分危險(xiǎn)的實(shí)驗(yàn)(如大風(fēng)浪航行、拉缸、飛車等)。

本文提出一種不犧牲精度又能滿足實(shí)時(shí)性要求的建模和仿真方法，給出以某型船艇主推進(jìn)裝置為主要仿真對(duì)象的實(shí)時(shí)仿真模型;建立該型艇主機(jī)的仿真模型，并應(yīng)用于該型艇主機(jī)及其系統(tǒng)的模擬訓(xùn)練裝置。該模擬訓(xùn)練裝置以陸空軍船艇某主力船型機(jī)電系統(tǒng)為仿真對(duì)象，建成一個(gè)可開展船艇主機(jī)及推進(jìn)系統(tǒng)、船艇電站、船艇輔助機(jī)械、機(jī)艙集控、主機(jī)遙控、機(jī)艙綜合管理等課目訓(xùn)練的模擬系統(tǒng)，可以進(jìn)行船艇機(jī)電專業(yè)人員的技能培訓(xùn)，尤其是完成一些實(shí)裝難以實(shí)現(xiàn)的訓(xùn)練，如機(jī)艙報(bào)警情況下的隨船應(yīng)急處置等模擬訓(xùn)練。

1 船艇主機(jī)仿真系統(tǒng)支撐環(huán)境

仿真支撐環(huán)境是以計(jì)算機(jī)設(shè)備為載體，為訓(xùn)練人員提供一個(gè)輸入輸出界面，并通過此界面與數(shù)學(xué)模型聯(lián)系起來［4］。在仿真支撐環(huán)境的支持下，計(jì)算機(jī)和專用物理效應(yīng)設(shè)備的操作信息傳遞給在后臺(tái)運(yùn)行的數(shù)學(xué)模型，運(yùn)行結(jié)果及時(shí)在計(jì)算機(jī)交互界面和硬件儀表上顯示，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成框圖如圖1所示。

圖1 船艇主機(jī)仿真系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成框圖

主機(jī)系統(tǒng)仿真支撐環(huán)境選用SimuEngine可視化仿真支撐系統(tǒng)，該系統(tǒng)具有獨(dú)立自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)，可采用Fortran語言編寫程序。系統(tǒng)的主窗口集成了數(shù)據(jù)動(dòng)態(tài)顯示、變量數(shù)據(jù)庫管理、多任務(wù)管理、仿真過程實(shí)時(shí)控制等功能。SimuEngine系統(tǒng)由數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)、模型開發(fā)支持系統(tǒng)、模型調(diào)試與試驗(yàn)分析系統(tǒng)、實(shí)時(shí)運(yùn)行與多任務(wù)調(diào)度系統(tǒng)、指導(dǎo)員功能、網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)、API接口與OPC接口等功能部分組成。

2 仿真模型建立與求解方法

主機(jī)系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型必須適用于各種模擬訓(xùn)練工況，包括主機(jī)的啟動(dòng)、停止、工況轉(zhuǎn)換及故障運(yùn)行等，且主機(jī)模擬訓(xùn)練系統(tǒng)應(yīng)具有較高的實(shí)時(shí)性。為了減少過于耗時(shí)的計(jì)算，在滿足精度前提下，仿真系統(tǒng)中一般采用計(jì)算量小的算法并且需要對(duì)模型做一些簡化。

主機(jī)系統(tǒng)各模塊的結(jié)構(gòu)有其相對(duì)的獨(dú)立性，各模塊動(dòng)態(tài)性能的描述都采用微分方程形式，而穩(wěn)態(tài)性能一般采用代數(shù)方程描述。對(duì)于時(shí)間常數(shù)很小的動(dòng)態(tài)過程，則采用準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)近似法進(jìn)行模型簡化。描述連續(xù)系統(tǒng)最基本的數(shù)學(xué)工具是微分方程或狀態(tài)空間方程，由這兩類模型可以導(dǎo)出其他模型。把已建立主機(jī)系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型轉(zhuǎn)換成仿真運(yùn)算模型，但主機(jī)系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型相對(duì)復(fù)雜，求其解析解是很煩瑣、很困難的，大多數(shù)情況求不出解析解，或者根本不存在解析解，因此，必須借助于數(shù)值解法對(duì)連續(xù)系統(tǒng)進(jìn)行仿真研究［5］。連續(xù)系統(tǒng)的數(shù)值積分法，就是利用數(shù)值積分方法對(duì)常微分方程(組)建立離散形式的數(shù)學(xué)模型——差分方程，并求其數(shù)值解。在數(shù)字計(jì)算機(jī)上構(gòu)造若干個(gè)數(shù)字積分器，利用這些數(shù)字積分器進(jìn)行積分運(yùn)算。在數(shù)字計(jì)算機(jī)上構(gòu)造數(shù)字積分器的方法就是數(shù)值積分法，而數(shù)字機(jī)的硬件特點(diǎn)決定了這種積分運(yùn)算必須是離散和串行的。

對(duì)主機(jī)系統(tǒng)仿真模型中常微分方程的計(jì)算，包括非線性及變系數(shù)的常微分方程，主要采用數(shù)值方法求解，主要算法包括歐拉積分法(Euler)、龍格－庫塔法(Runge－Kutta)、亞當(dāng)姆斯法(Adams)等。

3 仿真結(jié)果分析與模型驗(yàn)證

3.1 仿真步長的選擇

在仿真過程中，步長的選擇十分重要。步長太大會(huì)增加截?cái)嗾`差，步長太小不但增加計(jì)算的次數(shù)，還會(huì)增加誤差，運(yùn)算一次出現(xiàn)一次誤差，最終導(dǎo)致誤差不斷增大，同時(shí)還會(huì)增加計(jì)算的復(fù)雜程度。在一般情況下，步長改變對(duì)平穩(wěn)變化變量的總誤差影響較小，但對(duì)變化比較劇烈的變量，步長改變對(duì)積分運(yùn)算所產(chǎn)生的誤差就有很大影響。因此，在確定積分方法之后，選擇積分步長就要考慮變量的變化程度，對(duì)變化劇烈的變量應(yīng)盡可能選擇高階的計(jì)算方法，積分步長要選擇較小的。在選擇仿真算法時(shí)還要考慮計(jì)算速度，有些仿真問題(如實(shí)時(shí)仿真)對(duì)計(jì)算速度的要求比較高。計(jì)算速度主要取決于每步運(yùn)算所花費(fèi)的時(shí)間及計(jì)算的總次數(shù)，而每步的計(jì)算量又與所選擇的具體算法、函數(shù)的復(fù)雜程度、每步積分所要計(jì)算函數(shù)的次數(shù)有關(guān)。一般說來，要提高仿真算法的計(jì)算速度，就要增加仿真步長，但增加步長又會(huì)導(dǎo)致誤差增大，所以，要提高計(jì)算速度必須在保證精度的前提下增大步長，以便縮短計(jì)算時(shí)間［6］。

3.2 仿真研究及模型驗(yàn)證

本仿真對(duì)象主要是船艇柴油發(fā)電機(jī)系統(tǒng)、推進(jìn)系統(tǒng)及其控制系統(tǒng)。因此，需要綜合考慮船艇推進(jìn)系統(tǒng)的不同工況，設(shè)定不同的仿真參數(shù)，如艇體附水系數(shù)、阻力系數(shù)等［7］。典型航行工況的仿真計(jì)算流程如圖2所示。

圖2 主機(jī)系統(tǒng)航行工況仿真計(jì)算流程

船艇在穩(wěn)定航行過程中，推進(jìn)系統(tǒng)各性能參數(shù)是漸進(jìn)變化的，短時(shí)間內(nèi)可認(rèn)為系統(tǒng)是穩(wěn)定的，在對(duì)整個(gè)航行過程進(jìn)行仿真時(shí)，可認(rèn)為主機(jī)系統(tǒng)是以準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)的方式工作，仿真計(jì)算時(shí)將這兩種航行過程分成有序的時(shí)間間隔，并逐步遞推得出其在各時(shí)間間隔點(diǎn)上的狀態(tài)參數(shù)。圖3為柴油機(jī)啟動(dòng)過程的動(dòng)態(tài)仿真曲線。圖中參數(shù)值已進(jìn)行無量綱化處理。

圖3 柴油機(jī)啟動(dòng)過程的動(dòng)態(tài)仿真

在船艇航行工況仿真時(shí)，柴油發(fā)電機(jī)組模型將參與仿真運(yùn)算。圖4為柴油機(jī)加速到一定轉(zhuǎn)速后突加負(fù)荷時(shí)，柴油機(jī)轉(zhuǎn)速、發(fā)電機(jī)功率及電流等性能參數(shù)的仿真曲線。圖中參數(shù)值均已進(jìn)行無量綱化處理。

圖4 突加負(fù)載時(shí)機(jī)組性能參數(shù)的變化

圖5 所示為螺旋槳阻力矩隨轉(zhuǎn)速變化的曲線，其阻力矩先成拋物線上升，當(dāng)轉(zhuǎn)速穩(wěn)定后，則成一條直線。仿真結(jié)果與實(shí)測值能較好吻合，其動(dòng)態(tài)仿真過程與實(shí)測值較為相符，轉(zhuǎn)速、輸出轉(zhuǎn)矩等參數(shù)的穩(wěn)態(tài)值與實(shí)測值的誤差在5%之內(nèi)，表明仿真模型滿足系統(tǒng)的精度要求。圖中參數(shù)值均已進(jìn)行無量綱化處理。

圖5 航行工況螺旋槳阻力矩隨轉(zhuǎn)速的變化

在系統(tǒng)模型中，還包含體現(xiàn)設(shè)備自動(dòng)控制、聯(lián)鎖、保護(hù)等邏輯數(shù)學(xué)模型，這些模型是完成主機(jī)系統(tǒng)仿真的重要組成部分，因此，需要對(duì)其進(jìn)行驗(yàn)證。仿真表明，主機(jī)系統(tǒng)的聯(lián)鎖、保護(hù)等控制邏輯與實(shí)艇完全一致，控制器功能符合各設(shè)備的實(shí)際控制規(guī)律。

4 結(jié)語

以某型艇主機(jī)為研究對(duì)象，提出了主機(jī)建模和仿真方法，建立了主要仿真對(duì)象的實(shí)時(shí)仿真模型，模擬了該型艇主機(jī)的工作特性，研究結(jié)果已經(jīng)應(yīng)用于模擬訓(xùn)練裝置。

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