伍賽特

（上海汽車集團股份有限公司，上海 200438）

本文所說的燃氣輪機聯合動力裝置控制是指推進裝置的控制，即從燃氣輪機機組至螺旋槳的整個推進系統(tǒng)所有部件的聯合控制。不僅要控制燃氣輪機機組本身，還要控制其后傳動的各部件，如齒輪箱離合器、調距槳，以及由其驅動或為其服務的各種輔助機械。如果是電力推進裝置，則還必須控制由其驅動的發(fā)電機以及帶動螺旋槳的電動機[1]。而且，在軍用船舶上，一個推進軸系中不止一臺燃氣輪機，一般總是2臺或更多燃氣輪機共軸，或與柴油機共軸，以適應各種航行狀態(tài)的要求[2]。因此，在操縱系統(tǒng)中要考慮這些機組并車運行或相互轉換的問題。故燃氣輪機聯合動力裝置的操縱控制所涉及的內容非常廣泛[3]。

1 燃氣輪機的穩(wěn)態(tài)控制

艦艇在各種航行狀態(tài)下要求燃氣輪機機組提供相應的功率以保證艦艇獲得所需要的航速，為此，必須對燃氣輪機機組進行控制，控制的方法有2種。一種叫做速度控制，即根據駕駛員下達的指令使動力渦輪達到指令所需的轉速，從而保證艦艇的航速。另一種控制方式叫做功率控制，即主要控制燃氣發(fā)生器的轉速，而動力渦輪有一超速調速器防止其轉速超過安全運行的范圍。燃氣發(fā)生器的轉速一定時，則其提供的燃氣動力能一定，因而動力渦輪輸出的功率也基本上是恒定的。這時，動力渦輪的轉速取決于其輸出軸所受的負載，當其轉速超過安全值時，超速調速器起作用。

如果動力渦輪的噴嘴是隨著負荷的變化而進行調整的，則自動控制系統(tǒng)必須把噴嘴的調整和燃油的調整聯合起來控制（和燃油與調距槳的螺距聯合起來控制的情形相似），改變噴嘴的目的是為了維持燃燒室出口溫度于額定值，以改善部分負荷時的發(fā)動機效率。當速度或功率調節(jié)器調整燃油量以適應負荷變化時，噴嘴自動控制系統(tǒng)調整噴嘴的位置以保持上述溫度（或與之密切相關的溫度，如排氣溫度）不變，但是壓氣機喘振的限制妨礙了在整個負荷范圍內足夠寬廣地維持溫度不變。因此在低功率時必須進行程序控制。典型程序是：在負荷為0%～50%時使壓氣機轉速維持在其額定值的80%不變。溫度隨著負荷而變，至50%負荷時達到額定溫度，然后噴嘴維持不變，而允許壓氣機轉速升高，在100%負荷時達到額定轉速。

2 瞬態(tài)控制

所謂瞬態(tài)控制是指燃氣輪機機組的工況大幅度變化時，為了確保安全運行而對某些參數給予必要的控制。首先需要控制的是燃油流量，無論是加油還是減油都不能太快，因此燃油流量的變化速度必須給予限制。譬如加油時，燃油流量的突然增加會導致轉速和溫度的急增，而正常的保安設備還沒有來得及起保護作用，因此加油必須限制，或者采取限制加油速度的方式，或者采取以空氣流量增加速率來制約燃油量增加速率的方式。壓氣機的排出壓力常被用作測量空氣流量的間接參數，燃油流量被限制在不因空氣/燃油比的變化而使溫度過分升高，因此燃油的增加速率限制在燃氣發(fā)生器所能夠加速的水平上。

減油則存在相反的危險性：突然關小油門使得空氣/燃油比率太高以致引起熄火，因此，燃油減少的速率通常被限制在不至于熄火的范圍內。

3 燃氣輪機推進裝置的控制

以某驅逐艦為例，其裝備有2臺奧林普斯（Olympus）燃氣輪機和2臺泰因（Tyne）燃氣輪機，前者在全功率和機動工況時使用，后者在經濟巡航工況時使用。加速機和巡航機通過齒輪箱驅動變距槳，SSS離合器和齒輪箱在一起，可使奧林普斯燃氣輪機與輸出軸相連接，或者使泰因燃氣輪機輸出功率。

控制系統(tǒng)的中心是機械控制臺，其位于機械控制室（MGR）中，控制臺上配備有一個操縱桿控制一個推進系統(tǒng)，操縱桿發(fā)出指令，控制系統(tǒng)自動地控制被選定的發(fā)動機以及螺旋槳，操縱桿的移動范圍為100°。

像一般的現代化推進裝置控制系統(tǒng)一樣，可以在駕駛臺直接控制推進裝置，也可以由輪機值班人員在機械控制室根據駕駛臺的車鐘信號來控制推進裝置。在駕駛臺控制時，駕駛臺上的操縱桿一移動，機械控制室的操縱桿也跟著同步移動，并對推進裝置的功率螺距控制器發(fā)出指令。

4 柴油機-燃氣輪機推進裝置的聯合控制

4.1 柴油機-燃氣輪機推進裝置的運行方式

上文介紹了燃氣輪機與燃氣輪機交替推進調距槳的聯合控制系統(tǒng)[4]，即COGOG的控制系統(tǒng)。隨著大功率中高速柴油機技術的發(fā)展[5]，用柴油機作為大中型水面艦船的巡航機組，與作為加速機的大功率燃氣輪機交替推進調距槳，構成CODOG裝置。這種裝置將成為我國海軍大型水面航艇動力裝置發(fā)展方向之一。下文介紹一種CODOG裝置的聯合控制。這種裝置用MTU的高速柴油機作為巡航機，以LM2500燃氣輪機為加速機，通過SSS自動同步離合器和減速器驅動調距槳，一般驅逐艦應具備兩套這樣的推進裝置。這類裝置的運行方式可分為以下3種。

（1）柴油機巡航運行方式，柴油機通過SSS離合器和減速器與推進軸系結合，為調距槳提供助力，而燃氣輪機被脫開，或被停機，或處于空轉狀態(tài)[6]。

（2）燃氣輪機運行方式，燃氣輪機通過SSS離合器和減速器與推進軸系結合，為調距槳提供動力，而柴油機被脫開、或被停機、或處于空轉狀態(tài)。

（3）發(fā)動機相互切換的運行方式，在艦艇航行期間，當需要由巡航狀態(tài)轉入加速狀態(tài)，或相反轉換時，則就要求柴油機運行方式和燃氣輪機運行方式之間進行相互切換，這不是一種長時間的運行方式，而僅僅是一種過渡的短時間運行方式，但作為OODOG裝置的聯合控制系統(tǒng)，必須考慮這種過渡運行的特殊要求。

4.2 柴油機-燃氣輪機推進裝置聯合控制功能概述

柴油機-燃氣輪機推進裝置遠操縱系統(tǒng)（Remote Control System），RCS-DOG，該系統(tǒng)的核心是微處理機，設計緊湊，被置于比較狹小的控制盤內，控制盤在主控室MCR，要求系統(tǒng)使用方便、易于保養(yǎng)和安全可靠，其必須具備下列3種可供選擇的操縱方式。

（1）全自動控制：由一根操縱桿發(fā)出的指令，通過電子控制設備自動地調整柴油機或燃氣輪機的功率輸出和調距槳的螺距以適應艦艇航行的要求。

（2）半自動方式：通過MCR的控制盤上批按鈕，借助儀表來對推進裝置的各部分進行控制。

（3）機旁操縱：借助各自的就地操縱盤LOP（Local Operaging Panel），分別在機艙的各個部位對柴油機，燃氣輪機，調距槳和離合器齒輪箱等進行操縱。

全自動控制時，可以在橋樓進行操縱，也可以在主控室MCR進行操縱。橋樓與主控室之間有一隨動系統(tǒng)傳遞操縱指令，操縱部位的轉換借助于按鈕來進行。

上述柴油機-燃氣輪機推進裝置的遠操縱系統(tǒng)RCS-CODOG中要確定的是在穩(wěn)態(tài)工況下航速與調距槳的螺距，航速與螺旋槳的轉速（即柴油機或燃氣輪機的轉速）之間的關系[7-8]。這種函數關系可以通過船機槳的工況匹配訓算，并且最終在試航時得以驗證或修整。

船舶在正車航行時，對應于任何一個航速都使螺距達到在該航速下的最大值，而柴油機或燃氣輪機的轉速則處于該航速下的最小值。最大的螺距，最小的轉速使其調距槳處于最高的效率下運轉，因而耗油量最小，這和民用船舶有些不同。而在倒車時和正車不一樣，隨著后退航速指令的增加，倒車螺距和轉速同步增加，這和美國早期的COGOG全燃驅動的DDH-280驅逐艦的航速螺距、轉速的匹配線不同。后者在慢速倒車時轉速保持在最小值而首先增加倒車螺距。顯然，前者的機動性要比后者為好。代表航速的指令是和橋樓或主控室的操縱手柄的位移成比例的。

應當指出，根據上述匹配線，對應任何一個航速就可以求得相應的功率，因而可以得到相應的柴油機油門位置或燃氣輪機的油門位置（功率桿的位置）。

4.2.1 柴油機控制

（1）柴油機在不同航速時需要達到的轉速是由船機槳的匹配特性所確定的，推進裝置的功率控制桿，PCL（Power Control Lever）發(fā)出的指令（與航速成正比的控制桿的位移）通過一個程序器變?yōu)椴裼蜋C的轉速指令，其為一個簡單的函數發(fā)生器，使柴油機的轉速指令與相應的航速對應。

（2）柴油機轉速指令變化率的限制，這是保護柴油機安全運行所必須的，通常是由柴油機的制造商規(guī)定的。

（3）螺距PCL反向，當實際螺距與PCL發(fā)出的指令方向相反時，必須防止柴油機的轉速指令增加，直至反向的螺距值減少到低于某個特定值。此功能主要用于航向變換時。

（4）柴油機的負荷控制，為防止在變工況操縱時，柴油機長時間超載；為通過柴油機可以利用的功率來得到最佳的艦船機動性，通常將把柴油機的轉速和油門位置作為控制調距槳螺距的一個因素。

4.2.2 燃氣輪機控制

（1）和柴油機控制時相仿，有程序器把來自PCL的指令（與航速對應）轉換成燃氣輪機LM2500的功率桿執(zhí)行器PLA（Power Lever Actuator）的指令，其為一個函數發(fā)生器，確保艦艇的航速指令與LM2500油門位置之間的函數關系。

（2）推進軸的轉速指令對PCL指令的函數關系是由轉速指令程序器確保，其由反饋來的實際軸轉速形成的閉環(huán)系統(tǒng)來修正燃氣輪機的PLA指令。與上述程序器接受同樣的PCL指令，但二者的函數關系是不同的。前者是確定LM2500的油門和航速的關系，后者是確定軸的轉速和航速的關系。這一轉速閉環(huán)系統(tǒng)能自動修正由于船體污染和排水量變化而引起的軸轉速對其指令值的偏差。

（3）螺距與PCL指令反向的功能，在應急倒車操縱時。PCL的指令與當時的螺距處于相反方向，為防止發(fā)動機超速，把PLA的指令降低到“快速空轉設定值”（Fast idle setling）等待。

（4）螺距越前功能，在上述應急倒車操縱過程中，不是在調距槳到了零螺距之后取消Pitch/PCL反向功能，而是在這之前，當接近零螺距時，即可取消Pitch/PCL反向功能，即提前允許燃氣輪機加大油門，因此提高了艦艇的機動性。

（5）PLA指令變化速率限制，實際上是限制燃氣輪機油門的變化速率以保護其本身。

（6）螺距限制功能，根據當時所達到的螺距，限制PLA指令值以防動力渦輪超速。

（7）最低軸轉速控制，當槳軸轉速低于某一值時，輸出一個信號增加燃氣輪機的功率指令，阻止軸速下降。

4.2.3 調距槳的控制

駕駛臺或主控室發(fā)出的PCL指令，經過螺距程序器轉換為螺距指令，再經過螺距指令變化速率限制，以防在機動工況下由于螺距變化太快而造成超速或超載。另外再根據柴油機實際轉速和實際油門位置來限制螺距及螺距的變化速率，借以控制柴油機的負荷。

4.2.4 柴油機和燃氣輪機運行的相互轉換

由柴油機或燃氣輪機作為船舶推進動力時的相互轉換是由RCS-DOG的電子設備進行自動控制的，推進方式的轉換只能在RCS-DOG系統(tǒng)處于全自動方式的條件下才能進行。而且柴油機和燃氣輪機必須都處在運轉狀態(tài)，也就是說準備投入推進系統(tǒng)的發(fā)動機首先必須起動并進入正常運轉狀態(tài)。然后在自動控制RCS-DOG的操縱盤上選擇準備投入的發(fā)動機，接著就開始進行推進方式的自動轉換。

在具備上述轉換的條件后，只要在RCS-DOG操縱盤上按下相應的按鈕后就開始由柴油機運行至燃氣輪機運行的轉換。燃氣輪機從“空車轉速”開始升速，在升至相當于柴油機當時的轉速后，燃氣輪機的自動同步離合器結合，并開始慢慢地增加輸出功率。柴油機則由于燃氣輪機的功率加入而使其負載減少，并通過柴油機調速器的作用自動關小油門，降低功率輸出。在轉換過程中，調距槳的轉速和螺距維持不變，故而推進的總功率保持不變。當燃氣輪機的輸出功率增加到等于推進所需的全部功率時，也就是說柴油機的輸出功率降到零的時候，則柴油機的自動同步離合器脫開，柴油機逐步降至“空車轉速”，至此，轉換過程結束。在這個轉換過程中，燃氣輪機的功率是根據操縱系統(tǒng)的功率指令逐步增加的，而柴油機的功率輸出或油門開度是依靠其調速器而自動減少的，這個轉換過程只有3 s就完成了，應該說是很快的。

當由燃氣輪機轉為柴油機推進時，柴油機的轉速首先從空車轉速開始增加，直至增加到相當于燃氣輪機當時轉速的97%以后，才開始減少燃氣輪機的供油量，使動力渦輪的轉速下降。當其轉速和柴油機的轉速相對一致時，柴油機的轉速再進行增加，同步離合器即嚙合。隨著燃氣輪機的輸出功率不斷減少，柴油機則通過其本身的調速器自動加大油門。當燃氣輪機的輸出功率減少到零時，即柴油機承擔了推進系統(tǒng)所需的全部功率時，再稍稍關小燃氣輪機的油門，則可使燃氣輪機的自動同步離合器脫開，推進方式的轉換就此結束。在上述轉換過程中，燃氣輪機的油門（或功率）是根據其指令來減少的，而柴油機的油門由其調速器自動開大的。綜上所述，在ROS-CODOG的控制系統(tǒng)中，對柴油機是轉速控制，被控參數是轉速，柴油機的輸出功率是由其調速器加以控制油門。對燃氣輪機則是功率控制，被控參數是功率。在柴油機和燃氣輪機的轉換過程中，二者功率的轉換只要控制燃氣輪機的功率就可以了。如果要增加柴油機的功率，只要減少燃氣輪機的功率即可，相反則可增加燃氣輪機的功率。在轉換過程中柴油機的調速器起了功率自動平衡的作用，即由調速器自功控制柴油機的油門以確保推進系統(tǒng)所需的總功率和轉速，從而維持轉換過程中的航速不變。

4.2.5 齒輪箱油泵的控制

該推進裝置的齒輪箱的潤滑由兩套泵來提供潤滑油，在一般情況下由軸帶泵供油，但是當推進軸的轉速低于85 r/min時或者滑油壓力過低時，電動潤滑油泵的自動控制系統(tǒng)將自動啟動該泵，并為齒輪箱補充潤滑油。當軸的轉速超過了85 r/min且供油壓力正常時，又會自動卸荷或使泵停止運轉。如由于某種原因而使?jié)櫥蛪毫档椭翀缶€時，就發(fā)出報警信號。再降低某一值時，進入電動油泵的工作區(qū)，則電動泵自動起動。

4.3 柴油機的控制系統(tǒng)

駕駛臺或主控室的操縱手柄根據駕駛的需要移到相應的位置，發(fā)出轉速和正倒車指令。轉速指令必須先經過選擇，因為同樣的航速，對單軸推進和雙軸推進，發(fā)給柴油機的指令有所不同。當柴油機推進系統(tǒng)脫開的時候則會差別更大。所以，要用這個單元來選擇對應的轉速指令。通過選定的程序后輸出的信號分別進入兩個程序器。在上面的程序器中按輸入信號確定相應的轉速設定值，由其輸出的信號經過比例調節(jié)器和指令信號變化速率限制器，以防因柴油機的轉速設定值的變化太快而損傷柴油機。這個信號再經過自動/半自動的選擇到達放大器。由放大器輸出的信號，作為轉速設定信號進入柴油機本身的控制回路。由上述比例調節(jié)器至放大器所組成的回路叫轉速設定回路。轉速設定信號作用于PI調節(jié)器，實際上就是柴油機的調速器，是柴油機不可分割的一個部件。其根據輸入轉速的設定信號調整柴油機的油門，改變柴油機的轉速。而柴油機的實際轉速信號又會反饋到調速器的輸入端，并與輸入信號相比較，同時力求使柴油機的實際轉速與其轉速設定值相符，這是柴油機調速器內部進行的反饋。由柴油機及其調速器組成的回路為副回路，能及時抑制施加于柴油機的各種高頻干擾，還能使駕駛臺發(fā)出的轉速指令得到快速響應。而由積分調節(jié)器組成的附加環(huán)節(jié)卻互主同路，由上述主回路和副回路組成柴油機轉速的串級控制系統(tǒng)。而由比例調節(jié)器，速率限制器和放大器組成的轉速設定回路不過是主回路和副回路之間的接口。由實際轉速的匹配程序器輸出的信號進入主回路后與柴油機的實際轉速信號進行比較，如果兩者有偏差，則積分調節(jié)器輸出一個不斷增長的信號至比例調節(jié)器，借以修正轉速設定值。再通過轉速設定回路和柴油機的調速器改變柴油機的油門，直至柴油機的實際轉速與其匹配程序器輸出的信號一致時為止。

以上述積分調節(jié)器為主形成的主回路確保了推進裝置穩(wěn)態(tài)控制的精確性。由于這個回路中的積分調節(jié)器的作用很慢，其積分時間常數取得較大，由于海浪等因素引起的柴油機轉速的瞬時波動，對這個主回路不起作用，因而不會引起整個控制系統(tǒng)產生不必要的波動。上述串級控制系統(tǒng)和鍋爐，水位和燃燒串級控制系統(tǒng)有共同之處，就是用副回路抑制高頻干擾，由主回路抑制低頻干涉。當然兩者各有其特點，前者的設定值經常有大幅度變化，所以其在本質上是屬于隨動系統(tǒng)范疇的，其要求盡可能快的動態(tài)響應。而后者的設定值是很少變化的，要求盡快地抑制擾動以使被控參數與其設定值保持一致。柴油機的實際轉速信號還送入MCR（Maximum Continuous Rating）限制器，由MCR輸出一相應轉速下允許的最大油門值，使其與柴油機的實際油門作比較。如果柴油機的實際油門位置超過了MCR允許的值，則作用于調距槳的螺距設定系統(tǒng)，限制或修正螺距以減少柴油機的油門。這樣來保證在加速或應急操縱時使得柴油機的轉速和調距槳的螺距得到最佳的設定值而又不使柴油機超載。柴油機的轉速設定優(yōu)先于調距槳螺距的設定[9]。

在以半自動方式控制柴油機時，借助“半自動控制”的相關按鈕來控制柴油機的轉速。當選定半自動控制方式后，自動控制信號就從RCS的調速器脫開，操縱手柄和控制系統(tǒng)對柴油機的轉速不再起作用了。

從“全自動控制方式”轉為“半自動控制方式”時，柴油機的轉速保持不變。而從“半自動方式”轉為“全自動方式”時，柴油機的轉速將會自動地改變到由操縱手柄所確定的轉速。

如果按住兩個按鈕中的一個按鈕時，柴油機便從當時的轉速開始增加或減少，其變化的速率由半自動邏輯和速率限制單元的硬件確定，這是為了防止柴油機過快地加速或減速。有個軟起動單元確保柴油機的平穩(wěn)起動和精確的轉速設定。

4.4 燃氣輪機的控制系統(tǒng)

在“全自動控制”的情況下，和柴油機推進的運行情況一樣。操縱手柄根據駕駛要求發(fā)出的轉速和正倒車指令，首先通過指令曲線的選擇單元，按單軸推進、雙軸推進或空車的不同選擇，輸出不同的轉速設定信號和螺距設定信號。這兩個設定信號進入一個乘法器，使轉速（n）與螺距（P/D）相乘，其乘積代表所需要的航速V，并作為航速設定信號輸出給燃氣輪機的功率設定單元。其實際上是一個函數發(fā)生器，在這里進行信號的函數變換，因為一定的航速（或一定的螺距和轉速）對應著一定的燃氣輪機輸出功率（與燃氣輪機的功率操縱桿PLA的位置相對應），這是由船機槳的匹配特性所決定的。所以由這里輸出的信號代表燃氣輪機的功率指令，其最終會傳給燃氣輪機的功率操縱桿的執(zhí)行器PLA，直接控制燃氣輪機的油門。這個功率指令信號接著要通過曲線選擇單元，其有3種值可供選擇，除了上述與推進特性匹配的曲線外，還有空車功率和快速空車功率的設定值。在應急倒車操縱時，實際螺距與指令反向，因而把功率指令降到“快速空車功率”以防動力渦輪超速，但仍高于“空車功率”。功率設定信號在這里還要和限制單元來的最大允許功率進行比較，允許低者通過。限制單元的輸入信號是當時的實際螺距值，也是這一限制特性的橫坐標，也就是用實際到達的螺距來配制燃氣輪機最大的允許功率，以防超速。由選擇單元輸出的信號通過比例調節(jié)器，信號變化速率的限制單元和自動/半自動選擇開關到達放大器。其會輸出4～20 mA的信號作為功率設定信號給功率操縱桿的執(zhí)行器PLA的輸入端去控制燃氣輪機的油門。這個功率設定信號又會反饋到比例調節(jié)器的輸入端，構成功率設定的控制回路。

由指令曲線選擇單元輸出的轉速設定信號和燃氣輪機發(fā)出的動力渦輪實際轉速信號進行比較，兩者的偏差即實際轉速與指令之差值，作為輸入信號并傳輸至積分調節(jié)器，這是一個慢速的數字積分調節(jié)器。其輸出一個不斷增長但受到限制的信號，作為功率設定值的修正信號加到比例調節(jié)器的輸入端，最終作用到燃氣輪機PLA，修正燃氣輪機的功率輸出，以使動力渦輪的轉速達到推進特性所要求的轉速指令值。所以，轉速控制系統(tǒng)是一個閉環(huán)的無靜差的控制系統(tǒng)，轉速控制的精度相當高。在“半自動運行方式”時，其工作原理和柴油機推進的“半自動運行方式”時一樣。

4.5 調距槳的控制系統(tǒng)

調距槳的控制系統(tǒng)和柴油機或燃氣輪的控制一樣，PCL發(fā)出的指令，首先通過指令曲線的選擇單元，再通過正常指令與零推力的選擇后分兩路。一路經過螺距設定的匹配單元，輸出螺距指令信號。這是一個通用的標準信號，這個信號通過比例調節(jié)器、螺距指令變化速率的限制單元，以及放大器和設定調整器。同時有反饋信號至比例調節(jié)器的輸入端，形成螺距的設定控制回路。另一路通過實際螺距的匹配單元后與來自調距槳的實際螺距信號比較，比較所得的誤差作積分調節(jié)器的輸入信號，其輸出一個與上述誤差的積分值成比例的信號。當然這個積分是有限制的，將該積分值加入比例調節(jié)器的輸入端，作為對于螺距及其指令信號的校正。這個附加信號通過螺距設定控制回路使螺距改變，直到調距槳送出的實際螺距信號與實際螺距匹配單元輸出的信號一致時為止。這樣形成的回路才是螺距控制的閉環(huán)回路，其與實際螺距的匹配單元能一起確保調距槳的實際螺距精確地符合本艦推進特性的要求。為防止柴油機超載，由柴油機控制系統(tǒng)中轉速一油門限制單元輸出的信號和實際油門位置作比較。超過極限油門時有一限制信號送入螺距控制系統(tǒng)，作用在積分調節(jié)器、比例調節(jié)器以及零推力螺距設定選擇單元。這樣，一旦當柴油機超負荷運行時，就可以根據超負荷的幅度和時間使螺距降低，或者在加速機動工況時降低螺距的變化率，直至柴油機回到正常運轉范圍內。

4.6 柴油機-燃氣輪機聯合動力裝置控制系統(tǒng)的動態(tài)分析

隨著計算機技術的飛躍發(fā)展，近二十多年來，應用計算機仿真的方法來研究各種中大型艦艇推進裝置控制系統(tǒng)的動態(tài)過程，也很快得到了發(fā)展。無論在推進裝置各部件數學模型的研究方面，還是在仿真方法的研究方面，都取得了很大成就，不僅具備了實用的條件，而且已成為推進裝置控制系統(tǒng)設計時極為重要的內容。這種控制系統(tǒng)的仿真就是借助于推進裝置各個部件的數學模型，采取不同的控制策略，用計算機求得各主要狀態(tài)參數的響應。分析其對艦艇及其推進裝置機動性的影響，從而尋求一種最好的控制策略，以確保推進裝置在各種工況下都有良好的匹配，既有盡可能好的機動性，又能保證安全可靠的運行。用仿真的方法研究其動態(tài)特性，無疑是一種效率最高，代價最低的研究方法，下面分析這種控制系統(tǒng)的動態(tài)性能。

4.6.1 推進裝置概況

該裝置系雙軸推進，每軸配有1臺四沖程高速柴油機，在1 485 r/min時的最大功率為2 060 kW，通過SSS離合器和齒輪箱驅動調距槳，從柴油機至調距槳的減速比為10.4∶1。在巡航時由柴油機驅動調距槳。在加速航行時，由燃氣輪機通過SSS離合器和減速器驅動調距槳，每軸各配有一臺GELM2500燃氣輪機。每臺燃氣輪機在3 600 r/mm時所能發(fā)出的最大功率為19 500 kW。該裝置與前述GODOG裝置稍有差別，主要是巡航機的功率不同。

4.6.2 柴油機-調距槳聯合控制系統(tǒng)的動態(tài)分析

這里主要分析柴油機驅動調距槳控制系統(tǒng)的動態(tài)響應。在柴油機控制系統(tǒng)中有一個MCR限制單元，在這一單元中存放著一條MCR限制特性線，其為柴油機實際轉速的函數。在一定的轉速下，對應著一個最大的油門位置，不得超過。如果油門位置已超過了MCR限制特性線，則必須盡快減小螺距，降低柴油機的負荷，以防柴油機因超載而受損。所以柴油機的實際油門位置和MCR特性比較后的信號送到調距槳的控制系統(tǒng)。當實際油門位置接近M（3R線時，修正積分調節(jié)器和比例調節(jié)器，以使螺距增長率降低。如果超過了MCR線，則把螺距指令立即轉入零推力螺距指令，因而使螺距立即減小，柴油機很快將回到正常負荷范圍內。以上所述就是艦艇柴油機-調距槳控制系統(tǒng)中的負荷控制。這和民用船上機槳匹配中負荷控制有所不同。下面介紹采用負荷控制和不采用負荷控制時用計算機仿真所得的兩組不同的動態(tài)響應曲線。

在沒有負荷控制時，駕駛臺操縱手柄PCL從停車位置移至全速前進位置后的一組動態(tài)響應曲線。其中柴油機的轉速設定信號，以設定值變化速率限制了單元限定的速率等速增長直至其額定值。這一設定值作用于柴油機的調速器，并使柴油機的轉速增加。與此同時，調距槳的螺距也以其最大速率增加到其指令所要求的螺距，即最大螺距。然而柴油機的實際轉速并沒有跟隨其轉速設定值實現同步增長，只是在開始階段有一定的增長，到了某一時刻非但不增長，相反柴油機的轉速又下降了，柴油機進入半失速狀態(tài)。這是因為調距槳的螺距增加很快，艦艇的航速又尚未明顯增加，所以螺旋槳的負荷即柴油機的負荷一下得以快速增長，當柴油機的調速器需要快速加大油門，但又受到調速器本身的DBR所限制（DBR是一個具有速敏元件的部件，在一定的轉速下，其限定一最大油門位置不得超過MCR）。所以柴油機的輸出扭矩不足以克服調距槳的水動力矩和阻力距，引起轉速下降。而轉速的下降又導致DBR所限定的油門進一步減小，這樣形成惡性循環(huán)，導致柴油機的半失速狀態(tài)。由此可見，增壓器轉速一個簡單的聯合控制方式雖然能使推進裝置得到滿意的穩(wěn)態(tài)匹配，但卻不能滿足艦艇對于動態(tài)性能的要求。因此這種推進裝置的控制系統(tǒng)必須要有負荷控制系統(tǒng)來改善動態(tài)性能。

隨著螺距的增長，柴油機的油門接近或達到MCR限制特性線時，負荷控制系統(tǒng)對調距槳螺距設定系統(tǒng)發(fā)出的修正信號，使螺距的增長率減慢或暫停增加螺距，甚至減少螺距，從而確保柴油機的轉速平穩(wěn)上升。柴油機的油門則處于相應的最大位置（在MCR線上），也就是說使柴油機在這個動態(tài)過程中處于最大功率的運行狀態(tài)。實際上螺距也是處于當時狀態(tài)所允許的最大值。柴油機的負荷和調距槳的負荷的動態(tài)響應也比較平緩。由上述計算機仿真所得的兩組動態(tài)響應曲線看，柴油機-調距槳聯合控制中的負荷控制系統(tǒng)明顯地改善了這個機-槳聯合控制的動態(tài)性能，提高了這種推進裝置的機動性。

柴油機在低轉速、低負荷時，開始根據轉速設定值的要求來快速增加油門，柴油機的轉速開始時增加很快，這是因為柴油機的油門增加很快，而調距槳的負荷增加不多。促隨著螺距的增長，其負載增加較快，以至柴油機轉速的增長漸趨緩慢。對于不帶負荷控制的系統(tǒng)而言，調距槳的螺距仍然以最大的速度增長而未受限制。調距槳和柴油機的負載迅速增加，但柴油機的油門受到調速器DBR的限制，因而轉速下降，動態(tài)響應曲線向左拐，出現失速現象。對于帶有負荷控制的系統(tǒng)來說，當其接近或達到MCR線的時候，就不斷修正螺距設定值，使其逐步增加了油門和轉速，最終達到柴油機的額定轉速。

同理，可以對不同的控制策略進行計算機仿真，求取其動態(tài)響應，從中選取最佳者。

4.6.3 燃氣輪機-調距槳聯合控制系統(tǒng)的動態(tài)分析

燃氣輪機-調距槳聯合控制系統(tǒng)的動態(tài)響應，在各種機動工況中，急停機動過程變化最劇烈，要求也最高。其要求推進裝置在極短的時間內，從全速正車的運行狀態(tài)轉為全速后退，要求艦艇在大約1 min內，從全速前進的航行狀態(tài)停下來，而且滑行距離不超過3倍艦長。

隨著駕駛臺PCL發(fā)出的全速前進到全速后退的指令，螺距設定值、轉速設定值和油門設定值PLA立即減小。調距槳的螺距從正車最大值向倒車最大值等速變化，螺距的變化速率是由限制單元限制的。燃氣輪機的油門執(zhí)行器PLA由于實際螺距和PCL指令反向，因而以最大的限定速率來關小油門。當到達“快速空車”油門位置時，PLA不再繼續(xù)關小油門，而是維持在這一位置，等待螺距不斷減小。當螺距減小到零螺距之前某一數值時，提前解除對油門的限制，允許PLA把油門開大到倒車所需油門位置。

同理，對于不同的螺距指令變化率，不同的PLA快速空車設定值，不同的螺距補償設定值，不同的最大倒車螺距，不同的最大倒車PLA值，應用計算機仿真，求取上述狀態(tài)參數在各種機動工況下的動態(tài)響應。從這些動態(tài)響應的分析比較中合理地確定一組比較理想的結構參數，作為設計控制系統(tǒng)時的依據。

采用電子計算機仿真來求得機動工況下各參數的動態(tài)響應，在控制系統(tǒng)的設計過程中是必需的，但更重要的是實踐。因此，必須對以后航行的艦艇進行試驗，觀察與其有關參數究竟是怎樣變化的。

5 結束語

對于軍用艦艇推進裝置而言，由于對其強載性和機動性的要求特別高，所以對其控制系統(tǒng)的性能要求也特別高，處理不好就會使推進裝置的某些部件受到損傷，甚至受到嚴重破壞，或者沒有充分發(fā)揮推進裝置的最大潛力去得到最好的機動性。所以對這種艦艇推進裝置控制系統(tǒng)的分析是十分重要的。本文關于推進裝置的控制僅限于典型的水面艦船，對于其他型式的推進裝置，以此為借鑒同樣可根據其本身的特點進行正確的分析。