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大型船舶柴油机推进系统建模及转速控制研究
| 论文题名： | 大型船舶柴油机推进系统建模及转速控制研究 |
| 关键词： | 船舶柴油机;推进系统;平均值建模;转速控制 |
| 摘要： | 船舶的航行安全和能效水平与船舶柴油机推进系统的可靠高效运行密切相关。船舶柴油机推进系统的运行工况受到船舶操纵运动以及海况干扰的显著影响：船舶的机动操纵会导致主机的机械负荷与热负荷的急剧变化，进而影响到推进系统运行的可靠性；恶劣海况下螺旋桨负载扭矩的剧烈波动，将导致主机转速难以控制，容易出现飞车等危险工况。因此，研究船舶柴油机推进系统的运行特性、实现其高效控制对于提升船舶的航行性能具有实际意义。 本文以某大型集装箱船为研究对象，围绕船舶操纵运动与船舶柴油机推进系统运行工况之间的相互影响以及海况干扰下船舶柴油机转速的控制等具体问题开展建模与仿真研究，主要研究内容如下： （1）建立了某大型低速二冲程船舶柴油机的平均值模型，涵盖了废气涡轮增压器、空冷器、扫气箱、气缸、排气管、调速器等主要部件的模型。对比研究了Kriging算法、BP神经网络方法、曲线拟合三种压气机特性建模方法，综合考虑模型的精度和计算的实时性，确定了选用基于曲线拟合方法的压气机模型用于船舶柴油机的平均值建模。最后利用稳态工况下的台架实验数据验证了柴油机平均值模型的有效性和精度。 （2）建立了某大型集装箱船的水平面三自由度MMG运动模型，通过与实船回转轨迹和降速曲线的对比，验证了船舶运动模型的有效性与精度。将船舶运动MMG模型与柴油机平均值模型相结合，形成船舶运动与柴油机推进系统一体化的耦合仿真模型。 （3）基于模型进行柴油机推进系统与船舶运动的耦合仿真研究。首先，对船舶匀速直航工况下船-机-桨系统的稳态工况点进行匹配计算；然后，研究了船舶直航加减速、改变航向、Z型操纵、回转过程中柴油机推进系统的瞬态运行特性；最后，分析了扭矩限制环节、主机控制模式（等转速、等扭矩及等功率）、船舶装载状况对回转运动以及柴油机推进系统的瞬态运行工况的影响。 （4）研究了基于线性自抗扰控制（LADRC）的船舶柴油机转速控制方法。设计了基于LADRC控制算法的船舶柴油机转速控制器，在设定转速变化、模型参数变化以及负载扭矩波动等扰动作用下测试LADRC控制器的性能，仿真结果表明LADRC的动态特性和扰动抑制性能均明显优于目前实船采用的PI控制。为削弱测量噪声对油门控制信号的干扰，利用具有微分预测补偿功能的跟踪微分器对含有测量噪声的转速反馈信号进行滤波，从而得到具有较好的抗噪性的改进型 LADRC。基于船舶柴油机的状态空间模型，讨论了 LADRC控制器扰动抑制性能的影响因素，为控制器设计过程中控制参数与状态误差反馈控制律的选取提供参考。 |
| 作者： | 涂环 |
| 专业： | 轮机工程 |
| 导师： | 陈辉 |
| 授予学位： | 博士 |
| 授予学位单位： | 武汉理工大学 |
| 学位年度： | 2015 |
| 正文语种： | 中文 |
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