薛勝峰 譚旭東 周立平 王海寶

摘 要：根據(jù)MTU956核電柴油機(jī)利用Simulink建立了對(duì)應(yīng)的增壓柴油機(jī)平均值模型，利用dSPACE搭建了電控系統(tǒng)硬件在環(huán)仿真試驗(yàn)平臺(tái)。利用硬件在環(huán)仿真試驗(yàn)平臺(tái)主要進(jìn)行了起動(dòng)功能、調(diào)速功能、相繼渦輪增壓切換過程的驗(yàn)證。試驗(yàn)結(jié)果表明，該仿真試驗(yàn)平臺(tái)在滿足實(shí)時(shí)性的前提下具有較高的精度，可靠性高，靈活方便，能有效地提高開發(fā)效率。

關(guān)鍵詞：核電柴油機(jī);電控系統(tǒng);硬件在環(huán)

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2019.18.160

0 引言

調(diào)速器對(duì)于柴油機(jī)就相當(dāng)于是人的大腦，對(duì)于柴油機(jī)有著十分重要的作用。其原理是當(dāng)柴油機(jī)負(fù)荷變化時(shí)，調(diào)速器根據(jù)對(duì)應(yīng)的控制策略自動(dòng)的加大或者減小油門，從而使柴油機(jī)轉(zhuǎn)速達(dá)到目標(biāo)值[1]。由于柴油機(jī)的工作條件十分惡劣，存在許多極限以及危險(xiǎn)的工況，對(duì)于人身安全存在許多隱患，因此硬件在環(huán)仿真測(cè)試技術(shù)對(duì)于控制系統(tǒng)的開發(fā)十分重要。本文以MTU956核電柴油機(jī)為研究對(duì)象，利用dSPACE硬件與Simulink軟件搭建了電子調(diào)速系統(tǒng)硬件在環(huán)仿真試驗(yàn)平臺(tái)，為調(diào)速系統(tǒng)功能的正確性和有效性驗(yàn)證提供了良好的環(huán)境。

1 柴油機(jī)實(shí)時(shí)仿真模型結(jié)構(gòu)原理

根據(jù)質(zhì)量守恒、能量守恒和氣體狀態(tài)方程等熱力學(xué)公式搭建了柴油機(jī)平均值模型，并結(jié)合經(jīng)驗(yàn)公式和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)標(biāo)定使發(fā)動(dòng)機(jī)各個(gè)工況下的性能仿真更加準(zhǔn)確。本模型主要分為增壓柴油機(jī)模型，調(diào)速系統(tǒng)模型以及燃油系統(tǒng)模型等三大部分，其中增壓柴油機(jī)模型又包括渦輪增壓器，中冷器以及柴油機(jī)本體模型。[2]利用Simulink搭建完各個(gè)模塊之后，分析各個(gè)模塊輸入輸出之間的相互關(guān)系并連接，得到如圖1的增壓柴油機(jī)結(jié)構(gòu)圖。

1.1 渦輪增壓器模型

1.1.1 壓氣機(jī)模型

在用Simulink設(shè)計(jì)壓氣機(jī)模塊時(shí)，輸入的參數(shù)為增壓器的轉(zhuǎn)速和流量，輸出參數(shù)為壓氣機(jī)消耗的轉(zhuǎn)矩及出口壓力和溫度，它們分別由下式求得[4]：

式中R為氣體常數(shù)，k為氣體絕熱指數(shù)，T1為環(huán)境溫度，為大氣壓力。

1.1.2 渦輪模型

渦輪方法原理基本與壓氣機(jī)相同。

1.2 中冷器模型

為了提高柴油機(jī)增壓效果常采用中冷器。增壓空氣流經(jīng)中冷器后，產(chǎn)生壓力損失和溫度降，這種壓力損失和溫度降將隨著負(fù)荷的減小而減小。中冷器出口溫度T3與壓力P3由下式求得：

式中，為中冷器冷卻系數(shù)，一般取0.7-0.9，視中冷器實(shí)際情況而定。

增壓空氣通過中冷器的壓降△P是通過查表計(jì)算得到的，通過發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速與負(fù)荷查找壓降。則中冷器出口壓力P3計(jì)算公式為：

1.3 柴油機(jī)本體模型

柴油機(jī)本體模型主要包括充氣效率，進(jìn)入氣缸的氣體流量，指示熱效率，平均排氣溫度，指示轉(zhuǎn)矩和摩擦轉(zhuǎn)矩。

1.3.1 充氣效率

氣缸充氣效率為轉(zhuǎn)速n的函數(shù)，所以充氣效率由查找事先擬合的充氣效率-轉(zhuǎn)速曲線圖得到。

1.3.2 進(jìn)入氣缸的氣體流量

氣體流量計(jì)算公式為：

式中，為充氣效率，V為發(fā)動(dòng)機(jī)總排量（），n為發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速。

1.3.3 指示熱效率

指示熱效率是發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速和空燃比的函數(shù)。因此，通過事先做出轉(zhuǎn)速，空燃比，指示熱效率的MAP圖，即可根據(jù)轉(zhuǎn)速和空燃比查得對(duì)應(yīng)的指示熱效率。

1.3.4 平均排氣溫度

排氣溫度T4是體現(xiàn)增壓器性能的主要因素，主要由下式計(jì)算：

式中，為排氣溫度因子，為空氣流量，為燃?xì)饬髁俊?/p>

本文將排氣溫度因子僅看作是空燃比的函數(shù)，將空燃比與排氣溫度因子做成MAP圖，通過空燃比查找得到對(duì)應(yīng)的排氣溫度因子，從而求得排氣溫度。

1.3.5 指示轉(zhuǎn)矩

指示轉(zhuǎn)矩Mi的計(jì)算公式為：

1.3.6 摩擦轉(zhuǎn)矩

本文將摩擦轉(zhuǎn)矩僅僅看作是轉(zhuǎn)速的函數(shù)，由下式求得：

1.4 燃油系統(tǒng)

燃油系統(tǒng)的燃油量主要隨柴油機(jī)轉(zhuǎn)速n與齒條位移x改變，其計(jì)算公式為：

1.5 調(diào)速系統(tǒng)

調(diào)速系統(tǒng)主要采用PID來控制柴油機(jī)轉(zhuǎn)速，它根據(jù)目標(biāo)轉(zhuǎn)速和實(shí)際轉(zhuǎn)速偏差的比例（P），積分（I）和微分（D）進(jìn)行控制。其原理是轉(zhuǎn)速偏差經(jīng)過PID的算法處理轉(zhuǎn)變?yōu)閳?zhí)行器的控制信號(hào)，并最終作用于燃油系統(tǒng)的齒條位移，實(shí)現(xiàn)噴油。

2 柴油機(jī)硬件在環(huán)試驗(yàn)平臺(tái)的建立

柴油機(jī)電子調(diào)速系統(tǒng)硬件在環(huán)平臺(tái)主要由柴油機(jī)實(shí)時(shí)仿真模型、輸入輸出接口、控制器、執(zhí)行器等構(gòu)成。[3]圖3為柴油機(jī)硬件在環(huán)試驗(yàn)平臺(tái)信號(hào)連接原理圖。

dSPACE實(shí)時(shí)系統(tǒng)具有高速計(jì)算能力，包括處理器和I/0接口等，而且可以方便的實(shí)現(xiàn)代碼生成、下載和試驗(yàn)等工作。將Simulink建立的柴油機(jī)仿真模型下載到dSPACE上，通過dSPACE上的I/O模塊將柴油機(jī)輸出的數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)榕c控制系統(tǒng)相對(duì)應(yīng)的模擬信號(hào)。利用dSPACE平臺(tái)來模擬柴油機(jī)的工作過程并進(jìn)行相關(guān)數(shù)據(jù)的分析與處理，實(shí)現(xiàn)柴油機(jī)模型與實(shí)際控制器的無縫連接[5]。

其中發(fā)動(dòng)機(jī)模型的轉(zhuǎn)速信號(hào)需要轉(zhuǎn)換成ECU可識(shí)別的固定占空比（0.5）的脈沖信號(hào)，轉(zhuǎn)換公式如下：

該柴油機(jī)調(diào)速系統(tǒng)硬件在環(huán)試驗(yàn)平臺(tái)具有可以對(duì)實(shí)際情況進(jìn)行模擬而不會(huì)產(chǎn)生危險(xiǎn)，測(cè)試柴油機(jī)在極端條件下的性能，降低設(shè)備成本以及維護(hù)成本等諸多優(yōu)點(diǎn)，因此，對(duì)該柴油機(jī)調(diào)速系統(tǒng)硬件在環(huán)試驗(yàn)平臺(tái)的研究具有重要的意義。

3 柴油機(jī)硬件在環(huán)仿真試驗(yàn)

利用建立的柴油機(jī)調(diào)速系統(tǒng)硬件在環(huán)仿真試驗(yàn)平臺(tái)，主要對(duì)起動(dòng)過程、調(diào)速過程、相繼增壓過程切換等進(jìn)行了仿真測(cè)試。

3.1 起動(dòng)過程驗(yàn)證

起動(dòng)過程中，首先由電機(jī)拖動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)至65r/min，此時(shí)執(zhí)行器動(dòng)作，開始噴油，并保持執(zhí)行器位移為12mm，開環(huán)加速至500r/min，此時(shí)加入轉(zhuǎn)速閉環(huán)并加速至600r/min保持穩(wěn)定。起動(dòng)過程的轉(zhuǎn)速曲線和齒條位移曲線如下圖4，圖5所示。結(jié)果表明，本文搭建的半物理仿真平臺(tái)能夠較好的模擬和驗(yàn)證柴油機(jī)起動(dòng)過程。起動(dòng)測(cè)試內(nèi)容如表1所示。

由圖中轉(zhuǎn)速曲線可知，此柴油機(jī)仿真模型起動(dòng)所需的時(shí)間大概在2s，符合柴油機(jī)的運(yùn)行規(guī)律;與此同時(shí)，起動(dòng)過程中的柴油機(jī)轉(zhuǎn)速超調(diào)量大概在50r/min，轉(zhuǎn)速波動(dòng)的范圍在合理范圍之內(nèi)，與柴油機(jī)轉(zhuǎn)速對(duì)應(yīng)的齒條位移變化曲線符合柴油機(jī)的運(yùn)行規(guī)律，因此本仿真過程驗(yàn)證了柴油機(jī)的起動(dòng)過程。

3.2 調(diào)速功能驗(yàn)證

對(duì)于調(diào)速功能的驗(yàn)證主要是對(duì)柴油機(jī)進(jìn)行突加和突卸負(fù)荷，觀察柴油機(jī)響應(yīng)特性。在所建立的增壓柴油機(jī)仿真模型中搭建了負(fù)荷調(diào)節(jié)模塊，當(dāng)柴油機(jī)穩(wěn)定在額定轉(zhuǎn)速1500r/min時(shí)，通過對(duì)仿真模型突加和突卸負(fù)載，得到柴油機(jī)轉(zhuǎn)速變化曲線以及齒條位移變化曲線，分別如圖6，圖7所示。

從圖中轉(zhuǎn)速曲線可以看出，柴油機(jī)穩(wěn)定在額定轉(zhuǎn)速1500r/min時(shí)，突然對(duì)柴油機(jī)施加負(fù)載，轉(zhuǎn)速迅速下降到1470r/min左右，又在很短的時(shí)間內(nèi)恢復(fù)到1500r/min，整個(gè)過程大概在1s左右;與此對(duì)應(yīng)的齒條位移為了使轉(zhuǎn)速穩(wěn)定在1500r/min，迅速上升，最終穩(wěn)定在13mm左右。然后突然對(duì)柴油機(jī)卸去負(fù)載，轉(zhuǎn)速迅速上升到1530r/min左右，又在很短的時(shí)間內(nèi)恢復(fù)到1500r/min，整個(gè)過程持續(xù)時(shí)間大概在1s左右;同時(shí)齒條位移迅速下降最終穩(wěn)定在6.5mm左右。整個(gè)突加突卸過程的轉(zhuǎn)速和齒條位移響應(yīng)速度快，符合柴油機(jī)的運(yùn)行規(guī)律。

3.3 相繼增壓切換過程驗(yàn)證

MTU956柴油機(jī)所帶的五組渦輪增壓器具體工作過程為：柴油機(jī)轉(zhuǎn)速達(dá)到300rpm時(shí)，A1/A2渦輪增壓器切入使用;當(dāng)A1/A2的渦輪增壓器轉(zhuǎn)速到達(dá)39000rpm時(shí)，B1渦輪增壓器切入使用;當(dāng)B1渦輪增壓器轉(zhuǎn)速達(dá)到39000rpm時(shí)，B2渦輪增壓器切入使用;當(dāng)B2渦輪增壓器轉(zhuǎn)速達(dá)到41000rpm時(shí)，B3渦輪增壓器切入使用。通過柴油機(jī)硬件在環(huán)仿真平臺(tái)模擬上述渦輪增壓器工作過程，得到如圖所示渦輪增壓器轉(zhuǎn)速變化曲線。

由上述渦輪增壓器轉(zhuǎn)速曲線可知，增壓器A1、A2同時(shí)工作，因此轉(zhuǎn)速一致。當(dāng)增壓器A1、A2轉(zhuǎn)速隨著工況增大到39000rpm時(shí)，增壓器B1開始切入，受B1切入的影響，增壓器A1、A2的轉(zhuǎn)速斜率降低，即上升速度降低，但依舊處于加速狀態(tài);當(dāng)增壓器B1轉(zhuǎn)速達(dá)到39000rpm時(shí)，增壓器B2開始切入，受B2切入的影響，增壓器A1、A2、B1轉(zhuǎn)速斜率下降，A1、A2轉(zhuǎn)速基本保持平穩(wěn)，B1轉(zhuǎn)速上升速度降低;當(dāng)增壓器B2轉(zhuǎn)速達(dá)到41000rpm時(shí)，增壓器B3切入，受B3切入影響，增壓器A1、A2、B1轉(zhuǎn)速由于達(dá)到極限而開始下降，增壓器B2依舊處于加速狀態(tài)，但轉(zhuǎn)速上升速度降低;最終由于每個(gè)增壓器所流經(jīng)的流量一致，轉(zhuǎn)速最終達(dá)到一致。整個(gè)渦輪增壓器切入到穩(wěn)定的過程持續(xù)10s左右且整個(gè)過程符合柴油機(jī)的工作規(guī)律。

結(jié)果表明，所建立的柴油機(jī)硬件在環(huán)試驗(yàn)平臺(tái)能較好地模擬相繼增壓切換過程，驗(yàn)證了系統(tǒng)的相繼增壓控制策略。

4 結(jié)論

根據(jù)核電柴油機(jī)調(diào)速系統(tǒng)測(cè)試需求，通過Simulink建立了柴油機(jī)實(shí)時(shí)仿真模型，利用dSPACE建立了完整的柴油機(jī)調(diào)速系統(tǒng)硬件在環(huán)測(cè)試平臺(tái)?；谠撈脚_(tái)，主要進(jìn)行了柴油機(jī)起動(dòng)過程、調(diào)速功能以及相繼增壓切換過程測(cè)試與驗(yàn)證。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示：

（1）根據(jù)Simulink軟件建立的增壓柴油機(jī)實(shí)時(shí)仿真模型，兼顧了硬件在環(huán)測(cè)試的實(shí)時(shí)性以及精確度，為柴油機(jī)調(diào)速系統(tǒng)硬件在環(huán)試驗(yàn)平臺(tái)的測(cè)試工作順利進(jìn)行提供了必要的基礎(chǔ)。

（2）建立的硬件在環(huán)試驗(yàn)平臺(tái)可以對(duì)實(shí)驗(yàn)所不能完成的極端工況進(jìn)行測(cè)試與驗(yàn)證，避免了危險(xiǎn)事故的產(chǎn)生。同時(shí)該測(cè)試平臺(tái)可以降低成本，具有十分可觀的經(jīng)濟(jì)性，因此該平臺(tái)的搭建十分有意義。

（3）本文所搭建的硬件在環(huán)試驗(yàn)平臺(tái)通用性較好，可以對(duì)柴油機(jī)其它的控制功能進(jìn)行測(cè)試與驗(yàn)證。

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作者簡(jiǎn)介：薛勝峰（1987-），男，四川西昌人，本科，工程師，從事電廠應(yīng)急柴油機(jī)及汽輪機(jī)儀控設(shè)備管理及維護(hù)。