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原文传递船舶柴油主推进装置及其控制系统的建模与仿真研究

论文题名：	船舶柴油主推进装置及其控制系统的建模与仿真研究
关键词：	准稳态模型;船舶动力装置;主机遥控;螺旋桨特性;气动操纵系统;压缩机喘振;主推进装置
摘要：	本文结合大型轮机模拟器的开发和研制工作，对船舶柴油主推进装置及其控制系统的建模与仿真进行了深入系统的研究，完成了以下研究工作： 1．针对现有船舶动力装置仿真模型在实时性和仿真精度方面存在的缺点，利用模块化设计思想，提出并建立了包含大型低速二冲程船用柴油机、轴系、螺旋桨和船体动力学特性的准稳态实时仿真模型，并利用VC++开发了主机的可视化仿真系统软件。 2．鉴于柴油机的准稳态仿真模型无法给出一个工作循环内气缸压力变化的参数(例如P-V图、P-(Ф)图、爆发压力等)，本文提出了一种不牺牲精度又能满足实时性要求的建模和仿真方法。提出了一种船舶柴油主推进装置的零维仿真模型，利用面向WINDOWS精确定时技术建立了精度为1毫秒的定时器来完成仿真模型的解算，开发了大型船舶动力装置的仿真系统软件。仿真试验证明了本建模方法和仿真方法的正确性，仿真误差小于5﹪，可满足实时性要求。该模型可用于船舶动力装置的性能分析、预测和调速器系统的设计和优化。 3．在废气涡轮增压器仿真计算中，普遍利用增压器制造厂商提供的稳态区域的特性曲线来得到压缩机的流量和效率，但由于无法得到压缩机非稳态区域的特性曲线，这样的仿真模型无法预测和再现柴油机在变工况下的压缩机喘振。本文在现有的增压器仿真模型基础上，提出了压缩机非稳定工况特性的确定方法，提出了模型的改进方案，给出了一种可以预测压缩机喘振动态特性的仿真模型，仿真计算和试验数据对比分析表明，该模型可用于预测和分析压缩机喘振的动态特性。 4．螺旋桨特性计算的核心问题是推力系数和转矩系数的确定和计算，在通常情况下，这两个系数是利用螺旋桨的图谱并通过复杂的计算获得。本文提出了一种定距桨特性计算的回归算法，该方法简单实用，避免了利用螺旋桨图谱的复杂计算过程，可满足全工况范围的仿真需要。紧急倒车工况的仿真数据和试航数据比较表明，这种简便算法能准确地描述螺旋桨特性，可用于螺旋桨特性的分析和建模。 5．在现有的轮机模拟器系统中，主机气动操纵系统的仿真模型过于简化，故障数少，无法满足管理级轮机员仿真训练的要求。本文采用了模块化建模思想，首次建立了MAN B&W：MC主机气动操纵系统的可视化仿真模型，并开发了MANB&W MC气动操纵仿真软件和硬件系统。仿真实验和模拟器训练表明，系统的稳态和动态仿真结果和实现的功能与实船操纵系统的相同，现象完全一致。该系统的可视化图形多达783幅，147个控制元件，单源故障数218个。 6．利用模块化建模的思想，建立了柴油机一定距桨船舶推进控制系统(AutoChief4，简称AC4)的可视化仿真模型，开发了AC4仿真软件和硬件系统。仿真试验表明，系统的功能完善，实时性好，故障设置点多，显示模式多样化，能满足不同层次轮机模拟器培训的需要。该系统已经成功应用于5台大型轮机模拟器的仿真系统中。 7．改进了现有主机重复起动控制的逻辑回路，克服了原逻辑回路存在的缺点，并通过仿真试验验证了改进后逻辑回路的正确性和有效性。 8．建立了柴油机一调距桨推进装置和及其控制系统的仿真模型，并利用VC++6．0完成了调距桨推进装置及其控制系统的仿真软件的编程，分别计算给出了MANB&W 6S35MC柴油机在稳态和动态工况下的仿真结果、船舶紧急倒航工况下的仿真结果以及推进控制系统(Alphatronic2000 PCS)的可视化仿真结果。仿真软件在稳态和动态下的仿真数据与实船试航试验数据基本吻合，误差小于5﹪，表明本文的建模方法和数学模型是有效的，模型能正确反映调距桨推进控制系统的稳态和动态特性，实时性好，仿真周期可以减少到50毫秒。本文提出的上述模型、建模方法和仿真系统软件已经成功应用在大连海事大学船舶自动化与仿真器研究所开发研制的5台大型轮机模拟器的仿真系统中，在一定程度上丰富了船舶轮机系统仿真技术的理论和方法。
作者：	孙建波
专业：	轮机工程
导师：	郭晨
授予学位：	博士
授予学位单位：	大连海事大学
学位年度：	2007
正文语种：	中文