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船舶推进系统在动态工况数据仿真和全面验证

摘要：本文描述了船舶推进系统的建模与仿真，该模型是在MATLAB-SIMULINK软件中开发的，是一种模块化的结构形式。该系统中各种元素都是独立部分，如船体，发动机，齿轮，喷水推进器等，然后将他们联系在一起考虑相互作用，这样一来就能表征出单独个体和整个装置的动态特征。

这个模型被用来分析系统对非设计工况和动态工况下的反应。特别是电脑的模拟代码能有效的原动机和推进器在一般操作工况下的匹配。作者通过正常运行一艘游轮对其进行了全面测试，进而获取了一个模型，本文展现了在该模型上的一些应用情况。

1. 介绍

船舶及其主要装置在动态工况下的表现对设计和操作一艘船是十分重要的。对于典型的动态工况，船舶必须遵守国内和国际标准，比如IMO标准。而且船上的设备还得考虑到船主的需求以及供应商的规格问题。

按照惯例，会通过海上测试对船舶进行全面评估，在这种背景下，对船舶及其相关系统进行建模及仿真分析似乎是有用而明智的。仿真能有效减少实船测试时所需要的操作成本和时间成本。

目前这项工作的目标是开发一直仿真模型，让它既能用于优化最初的设计阶段对推进系统组件的选择，又能在后续阶段预测推进设备在临界工况或非正常工作条件下的表现。

在初始设计阶段，仿真建模可以作为一个有效的工具去促进原动机和推进器在广泛操作工况下的合理匹配。特别是在稳定工况下，不强调设计工况或动态工况，对齿轮比的选择和对可调距螺旋桨的调试。在后续设计阶段，仿真主要用于评估船舶推进系统在各种操作情况的表现，如急启急停等。同时预测系统在难以进行现实实验的情况下的表现，如恶劣工况或故障条件下。

在遵守IMO适航标准的情况下，仿真技术可有效用于设计和实验阶段的整合，比如在碰撞停止机动时，可通过仿真系统进行低于船舶设计工况的海上测试，并且可通过计算机对全速机动情况进行评估，后者只能在灵敏的仿真系统中实现。

为了测试所采用的仿真系统的精确性，模型已经在近期建造的一艘游轮上进行调试，为了收集在动态工况的操作数据，一系列全面测试已经安排在船舶日常运营中，仿真的结果和船舶上收集的比较也展现了出来。

1. 船舶推进系统建模

该模型能代表推进系统中各元素的连接情况，在该模型中输出和输入变量的关于微积分方程等功能关系能被描述出来。该模型包括一个有可调距螺旋桨的双系统，每个系统都经过减速齿轮被两个涡轮增压中速柴油机驱动，图一显示模型功能表格。推进系统主要建模部件包括柴油机、调速器、船体、可调距螺旋桨和竖井线。

每个部件都有不同精确度的模型，根据仿真的不同目的采用最有效的模型，并考虑平衡仿真的真实性和性能要求。

2.1.船体模型

船体模型包括船舶纵向运动的方程式：

（ms mad）dV/dt=Thp-Ths (1)

Mad是一个常数，船舶助力是用一个一维表格建模的，速度函数如下，拖拽阻力曲线R，vgt;0;正向阻力函数，Vlt;0;船体所需推力是THs=R/(1-t),t是推力减额系数，运动方程的第一次积分给出了船速v.

运动方程第二次积分给出了船的运动路径

S=Vdt （2）

2.2.螺旋桨模型

螺旋桨模型是基于螺旋桨敞水特性。可调距螺旋桨敞水特性包括一套关于p/d的KT、KQ曲线。对于这些船舶，敞水特性来自一系列可调距螺旋桨的已知的标称螺距曲线和公布的测试数据。

该模型的输入是前进速度VA，节径比p/d,以及轴每秒转速np，来自于轴的动力学方程积分：

2pi;J`dnp/dt=Qe-Qp （3）

Qe和Qp是发电机和螺旋桨的扭矩，J`是转动质量的惯性。敞水特性来自二维表。

每次输入的进速系数都是估算过的，并且需要插入敞水的P/D瞬时值图表。获得的KT、KQ值，由螺旋桨获得的推力Thp，螺旋桨轴的扭矩Qp，都能即时计算出来.

以这种方式，任何操作条件下都能评估螺旋桨性能。

2.3发动机模型

柴油机的动态仿真是从参考模型发展过来的，目前的应用是被安排来适应新的发动机仿真的特点。

和船舶模型一样，发动机模型以模块形式安排。图二显示了涡轮增压发动机的整体仿真方案，每个部分都通过代数和微分方程描述一个子系统的表现，根据充填和排空方法。图二报告了部件间机械能和热力能的交换。

2.3.1.基本方程

Benson和Whitehouse真实气体模型被用来测定流体性质。在发动机缸和管路中，流体的温度和压力被假定为一系列控制量，它们由质量和能量的动态平衡方程确定。

d(rho;v)/dt=Mi-Mo (4)

d(rho;uv)/dt=Mihi-Moho Mfhf theta;`-p （5）

通过能量方程测定发动机部件随时间变化而变化的壁温

dTw/dt=1/CwMw(theta;`i-theta;`0) (6)

发动机和涡轮增压器的转速由平衡转矩方程确定。

2.3.2.汽缸

一种实际周期计算方法用于缸内现象的评测，在气体交换过程中，该过程假定在汽缸中的压力恒定，汽缸的计算从压缩阶段开始一步步移动，并且将曲柄角度q作为一个独立变量。

汽缸体积和壁面积的测定从确定活塞到上止点的几何距离开始。

（8）

汽缸进气质量ma通过方程确定。

（9）

能量动态方程5是在压缩阶段计算的，在这个方程中，在计算步骤Delta;theta;中汽缸气-壁热量对流转换是用下面这个关系：

（10）

其中对流参照系数Kcon是由参照12中的理论公式确定的。

喷射开始角度被假定为发动机转速和总质量的应变量，后者是汽缸模块的一个输出量，从下面的方程：

（11）

点火延迟角先确认，然后再开始燃烧过程的计算，在这个阶段采用两区方案。

汽缸容积燃烧区和非燃烧区两部分，在燃烧区，燃料热能释放：

（12）

Mf是注入燃料总质量，Delta;xb是Delta;theta;中的燃烧率，后者是由韦伯方程14测定的：

（13）

在方程13中，燃烧角长度是从mf值和通过喷射孔的mf确定的，后者是通过下面确定的：

（14）

在方程14中，pcy是汽缸在注气工程中的压力，此时ptn是燃油注入压力。

在此时的计算步骤中，燃烧区应用燃烧方程2，进气质量是通过：

（15）

Delta;mfb是燃烧的燃油质量，Kexc是过量空气，最后一个参数的值参照关于中速柴油机燃烧的参照16.

关于气缸壁的传热：

（16）

其中包括对流的辐射条件的影响，方程中废气质量等于方程15中进气质量。在方程10中仅仅考虑了每个缸中流体和气缸壁的对流换热，气缸壁温度是通过方程6计算的，在这种情况下，热导率已被假定。壁面和冷却液之间对流热交换由方程10确认，一个恒定传热系数在这种情况下被假定。

在能量方程5中，活塞上的工作由下面方程：

（17）

其中pcy是Delta;theta;中气缸平均压力，Delta;v是在这一步骤中的气缸容积变化，在能量方程5中，燃烧区和非燃烧区的燃油温度都能确定，因此，每个曲轴转角，气缸压力都能通过下面方程确认：

（18）

并且通过气体状态方程，然后新压力值和方程17中的压力值比较，然后通过试错逐步达到收敛。

2.3.3.调温器和空气接收器

一个单独模块用来模拟这两个发动机部件，控制单元里质量和能量的积累分别通过方程4、方程5测定。

空气冷却效果计算会考虑热交换效率，整个组的压力的降低作为进气压力和质量流量的一部分评价。

2.3.4.废气回收器

这个部件和上一个空气接收器类似，比如都应用连续性方程4和能量方程5，在这个模块通过排气阀的排污效果，用下面方程考虑：

（19）

2.3.5.涡轮增压压缩机

由制造商给出的一个稳定的压缩机标签，采用图二所示的二维矩阵压缩机模块，修正后的体积流量如下：

（20）

修正后的转速如下：

（21）

它是矩阵的输入变量，输出量是压缩机压力比，以及等熵效率；

2.3.6.涡轮增压器涡轮

图二的涡轮模块和压缩机模型很像，双稳态映射，代表流量和效率的膨胀比和运动比，在一个二维平台中应用。

2.3.7.发动机扭矩

制动平均有效压力参数用于对发动机传递的扭矩大小的评估，制动平均有效压力从总有效平均压力开始确认：

（22）

其中f.m.e.p被作为i.m.e.p的功能，在方程17中有描述；因此制动扭矩在四冲程的柴油机中：

（23）

2.4.自动化

2.4.1.通讯模型

推进控制由一个杠杆执行，通讯被安置在杆上，每个杆通过组合曲线对应一个间距设置和发动机所需专属，然后将信号传送给调速器。

通讯模型由两个平台组成，输入量是杆位置，输出量是调速器和螺旋桨螺距设定的参考值。

2.4.2.调速器

船舶推进调速器在图一中调速器模块建模，所以主船舶调速器的主要功能都在该模块中，调速器输入量是要求的和实际的发动机转速，以及要求的螺旋桨螺距；发动机转速和螺旋桨螺距由工作人员通过通讯设定。

主调速器控制进气缸的燃油量一保证发动机所需转速。在这里用了PID调节，为了防止发动机过载，第二个嵌入的调速器遵从燃油限制曲线，后者表示为发动机转速的函数。

为进一步防止过载，螺旋桨螺距控制被运用。一个PI调节器系统减小了螺旋桨螺距，以减小当燃油达到发动机燃油限制曲线时的螺旋桨扭矩。

推进控制系统的执行器并不是直接建模的，它们的影响是通过时间延迟反映的。发动机燃料系统和螺旋桨螺距设置设备被认为用的一阶滞后。

2.5方程求解器

对于一个高效可靠的模型来说，解决方案是至关重要的，SIMULINK6.0提供几种模型的微分方程的解答。

目前，采用不同时间步长的亚当斯算法，最小为30ms的时间步长用在模型中，为了减少计算时间，汽缸模型和柴油机主要模型，都用c 编写并连在SIMULINK代码中。

用以上提到的特点，一艘船舶能在个人电脑的桌面被大致模拟出来。

1. 机载测试

为了验证之前提到的船舶推进模型的动力学，一个全面测试被安排在客船的正常运营过程中，船舶主要特征报告在平台1中。

船舶运营中最重要参数被测量了，平台2中包括了这些参数和一个测量精度的估算方法，参考轴功率和转速的实验数据只涉及一个轴的线，发动机数据也只与两个发动机中的一个有关。

1. 模型的验证

推进模型在静态和动态工况下都被验证过，从模拟的角度看，稳态是指船舶以恒定速度航行，动态是指船舶在加速或停止条件下。

静态的验证已通过比较仿真结果和船舶船东和发动机制造商提供的海上试验数据完成。

为了验证模型在动态下，在船上测得的数据已被使用，结果已呈现在无量纲表格中，通过引用的数量的推进装置的最大连续额定值。

4.1.稳态下的验证

发动机模型已在模拟试验台上通过各种负载下的试验。平台3呈现了仿真结果和不同工况发动机测试数据的比较。

发动机动力和转速作为发动机MCR的百分比被呈现，其他变量作为模拟结果和测试数据的错误百分比被呈现。而压力，不是错误百分比，计算和测量值的差别被呈现。在平台3中，可看到，模拟和测试台数据之间的错误在所有监测数据中是可以被接受的，尤其在发动机高负载时。

进一步的发动机验证在图6中，比较了具体油耗率的计算曲线和发动机制造商提供的数据，计算曲线和实验取得的结果高度一致。

船舶模型验证已通过比较恒定转速和螺距情况下模拟结果与船舶设计师公布的船舶性能预测数据完成。图7呈现螺旋桨需要的动力，不同螺距情况下，叠加在发动机功率/转速图上，在这种情况下，模拟和设计数据也配合良好。

4.2.动态下的验证

这节描述了冬季进行的测量活动的结果，为了收集船舶动态工况下验证模型的数据。对于一个典型运营工况，数据被收集和相应的模拟结果作比较。

图8中表现了船舶离港时一些记录系数的实验时间历程，由于比较的缘故，模拟结果被叠加了。模拟结果通过在运营中同样时间历程中强加给模型而获得。螺距和轴转速彼此配合，不过只在高速情况下。

对于发动机参数，图9显示了实验值和计算值的比较，发动机轴动力，涡轮增压器转速，汽缸缸内压力，空燃比，涡轮增压器进出气温度都被绘制成与时间相关的图像。在这种情况下，所以监测参数都能相互匹配。

模拟结果的一种典型应用可以在图6和图10中看到。这些图片分别表现发动机和压缩机状态，通过离港时模拟的工作要点。当定义和检查机械的适当匹配时，这些数据很重要。

图11中可以看到提高船速增加在操作工况下的错误，这和额定螺距下很不一样。在图8中可以看到同样的趋势。

在图12中，计算的空燃比和实验得出的差别很大，这是由于在动态中参数会有很大

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