柴油机双机并车系统的数学模拟和智能化控制研究
摘要
随着船舶和潜艇的发展,单一动力的动力装置在某些特殊舰艇和潜艇上已经无法达到相应的工作要求,特别是用于军事的舰艇和潜艇,联合动力装置因此应运而生。经过50年的发展,柴柴联合动力装置、柴燃联合动力装置和柴电联合动力装置等都有了广泛的应用。
双机并车系统是联合动力装置的关键部分,如何实现双机的并车运行、如何在单机运行和双机运行过程中进行工况切换、如何通过双机并车系统进行单机间的切换运行以及如何实现双机并车一系列工况中的功率分配,是研究双机并车系统需要解决的问题。
本文首先通过对异型柴油机双机并车系统进行建模,得到了异型柴油机双机并车中单机运行和单机运行向双机并车运行切换工况下的仿真实验结果,通过不断的理论分析和实验调试得到了可靠的异型柴油机双机并车系统的仿真模型;第二,本文着重分析了双机并车试验系统的控制方案,提出了多种基于调速装置的控制策略方案,对各种方案进行了模拟仿真,得到并分析了仿真结果;除此以外,本文还结合常规动力潜艇的实际工作情况,对在常规动力潜艇上得到广泛应用的柴电联合动力系统进行了研究,通过对潜艇用电动机以及柴电联合动力装置整体的建模仿真,完成了柴电联合动力装置柴油机单机运行向电动机单机运行平稳切换的工况模拟,获得了实验结果曲线并对实验结果进行了分析,在对模型进行调试和修改后,得到了可靠的柴电联合动力装置双机并车系统模型。
得到的模型能很好的反映双机并车试验系统的工作情况,可以通过对模型的仿真实验分析双机并车系统在不同工况运行中的系统技术参数,从而可以对双机并车系统进行优化设计。
Along with the development of ship and submarine, the power plant of some special ships and submarines with one kind of power can not do well in their work field, especially in some martial ships and submarines, which brought on the naissance of combined power plant. Under the development of combined power plant since 1960s, CODAD(combined diesel and diesel), CODAG(combined diesel and gas turbine) and CODOE(combined diesel or electromotor) had got a wide application.
Twin engine incorporation is the key point of combined power plant, how to make the twin engine works, how to make the switching between single engine work state and twin engine work state, how to make the work state switching between the two engines by using the twin engine system and how to get a good power distribution when the system in any work states are the problems should be solved in the research of twin engine system.
In this thesis, firstly, I founded a model of twin engine incorporation system based on different diesel engines, and got the simulation result of two work states in the twin engine system, single diesel engine work state and switching work state between single diesel engine and twin engine, then got a credible model of twin engine system by a lot of analyzing and simulation experiment; secondly, I mainly analyzed the control strategy of twin engine experiment system, proposed some kinds of control strategy based on speed control device, got the simulation result by the simulation of every control strategy; besides these, I had done some research of CODAE which was widely used in normal power submarine by the practical work state of normal power submarine. And then I made the model of electromotor used in submarine and CODOE system, in order to get the simulation result of smooth switching between the work state of single electromotor and the work state of single diesel. At last I got a credible model of CODOE by analyzed the simulation result.
The model I got can commendably show the work states of twin engine system. We can optimize the design of twin-engine system by doing some experiment on the twin engine system model, analyzing the simulation results of the experiments when the system in different work states.
双机并车系统是联合动力装置的关键部分,如何实现双机的并车运行、如何在单机运行和双机运行过程中进行工况切换、如何通过双机并车系统进行单机间的切换运行以及如何实现双机并车一系列工况中的功率分配,是研究双机并车系统需要解决的问题。
本文首先通过对异型柴油机双机并车系统进行建模,得到了异型柴油机双机并车中单机运行和单机运行向双机并车运行切换工况下的仿真实验结果,通过不断的理论分析和实验调试得到了可靠的异型柴油机双机并车系统的仿真模型;第二,本文着重分析了双机并车试验系统的控制方案,提出了多种基于调速装置的控制策略方案,对各种方案进行了模拟仿真,得到并分析了仿真结果;除此以外,本文还结合常规动力潜艇的实际工作情况,对在常规动力潜艇上得到广泛应用的柴电联合动力系统进行了研究,通过对潜艇用电动机以及柴电联合动力装置整体的建模仿真,完成了柴电联合动力装置柴油机单机运行向电动机单机运行平稳切换的工况模拟,获得了实验结果曲线并对实验结果进行了分析,在对模型进行调试和修改后,得到了可靠的柴电联合动力装置双机并车系统模型。
得到的模型能很好的反映双机并车试验系统的工作情况,可以通过对模型的仿真实验分析双机并车系统在不同工况运行中的系统技术参数,从而可以对双机并车系统进行优化设计。
Along with the development of ship and submarine, the power plant of some special ships and submarines with one kind of power can not do well in their work field, especially in some martial ships and submarines, which brought on the naissance of combined power plant. Under the development of combined power plant since 1960s, CODAD(combined diesel and diesel), CODAG(combined diesel and gas turbine) and CODOE(combined diesel or electromotor) had got a wide application.
Twin engine incorporation is the key point of combined power plant, how to make the twin engine works, how to make the switching between single engine work state and twin engine work state, how to make the work state switching between the two engines by using the twin engine system and how to get a good power distribution when the system in any work states are the problems should be solved in the research of twin engine system.
In this thesis, firstly, I founded a model of twin engine incorporation system based on different diesel engines, and got the simulation result of two work states in the twin engine system, single diesel engine work state and switching work state between single diesel engine and twin engine, then got a credible model of twin engine system by a lot of analyzing and simulation experiment; secondly, I mainly analyzed the control strategy of twin engine experiment system, proposed some kinds of control strategy based on speed control device, got the simulation result by the simulation of every control strategy; besides these, I had done some research of CODAE which was widely used in normal power submarine by the practical work state of normal power submarine. And then I made the model of electromotor used in submarine and CODOE system, in order to get the simulation result of smooth switching between the work state of single electromotor and the work state of single diesel. At last I got a credible model of CODOE by analyzed the simulation result.
The model I got can commendably show the work states of twin engine system. We can optimize the design of twin-engine system by doing some experiment on the twin engine system model, analyzing the simulation results of the experiments when the system in different work states.
引文
[1]汤天浩.船舶智能化信息系统的探讨[J].上海造船.2007.3:29-33.
[2]孙存楼,王永生,丁江明,刘承江.一种新式联合动力装置在现代战斗舰艇上的应用分析[J].舰船科学技术.2006.5.
[3]蒋德松,林洪贵.电力推进原动机双机并车过程控制特性研究[J].集美大学学报(自然科学版).2006.4.
[4]陈林根,曹水,孙丰瑞.联合动力装置的性能特征[J].大自然探索.1997.4.
[5] WatsonN., Marzouk M.A Non-Linear Mathematical Simulation of Turbocharged Diesel Engine under Transient Conditions,SAE Technieal PaPer Series 770123,1977
[6]王忠,魏长河,袁银南,钱恒荣,黄成海.ISAD柴油机控制策略的研究[J].汽车工程.2006.12.
[7]张彪.柴燃联合动力装置的仿真及实验研究[D].哈尔滨工程大学动力工程系硕士学位论文.1997.
[8]蒋德松,田颖,张正一,等.CODOG系统的三S离合器的一种数学模型[J].哈尔滨工程大学学报自然科学版.2001.22.
[9] Averill M.Law and W.David Kelton: Simulation Modeling and Analysis,3rded,清华大学出版社,2000:112-115页
[10]张维竞.舰船动力装置系统仿真[M].上海交通大学出版社.2006.
[11]陈林根,曹水,孙丰瑞.联合动力装置的性能特征[J].大自然探索.1997.04:34-36.
[12]张振海,张仁兴,龚建政.舰船燃气轮机双机并车控制仿真技术研究[J].海军工程大学学报.2005.17.
[13]安玉昌,陈国钧,吴杰长.舰船柴油主机双机并车功率均衡控制技术[J].海军工程大学学报.2005.15.
[14]段征,张维竞.柴油机双机并车控制系统的设计[J].造船技术.2003.1.
[15]Streit,E.,Borman, G.L. Mathematical Simulation of a Large Turbocharged Two-Stroke Diesel Engine. SAE Paper 710176, 1971.
[16]徐斌.舰船主柴油机双机并车控制仿真技术的研究[J].交通部上海船舶运输科学研究所学报.2001.2.
[17]李淑英,李杨,孙聿峰,糜杰,王敏.柴-燃联合动力装置(CODAG)的实验研究[J].燃气轮机技术.2007.1.
[18]蒋德松,孙聿峰.基于联合动力装置的舰船电力推进原动机模块的负荷分配方案[J].哈尔滨工程大学学报.2003.2.
[19]蒋德松.联合动力装置系统三S离合器的控制模型研究[J].集美大学学报(自然科学版).2006.3.
[20]张林森,王永生.柴柴联合动力装置单调速器并车控制法的数学建模和仿真.内燃机工程[J].2006.5.
[21]刘孟祥.基于SIMULINK的柴油机及其控制系统的建模与仿真研究[D].湖南大学硕士学位论文.2001.
[22]蒋德松,谢春玲,孙聿峰.一种基于联合动力装置的船舶电力推进原动机模块[J].热能动力工程,2003.3.
[23]陈景锋,蒋德松.基于联合动力的电力推进原动机并车过程研究[J].船舶工程.2007.5.
[24]林缨,屈卫东.柴-燃联合动力装置控制系统的设计要点[J].柴油机.2003.1.
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[31]赵国光.船舶动力装置自动化[M].上海交通大学出版社.1993.
[32]郑凤阁主编.轮机自动化[M].大连海事大学出版社.1993.4.
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[34]翁史烈主编.船舶动力装置仿真技术[M].上海交通大学出版社.1991.
[35]高孝洪.船舶内燃机仿真及应用[M].人民交通出版社.1993.
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[40]孙建波.船舶柴油主推进装置及其控制系统的建模与仿真研究[D].大连海事大学博士学位论文.2007.
[41]张晓云.S_S_S_离合器数据记录仪的设计以及其故障诊断的研究[D].哈尔滨工程大学硕士学位论文.2006.
[42] Benson, R. S., Ledger, J. D., Whitehouse, N. D., Walmsey,S .Comparison Experimental and Simulated Transient Responses of a Turbocharged Diesel Engine, SAE PaPer 730666,1973.
[43]孙建波.船舶柴油主推进装置及其控制系统的建模与仿真研究[D].大连海事大学博士学位论文.2007.
[44]刘长永.内燃机热力过程模拟[M].机械工业出版社.2001.
[45]顾宏中.涡轮增压柴油机性能研究[M].上海交通大学出版社.1998.
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[2]孙存楼,王永生,丁江明,刘承江.一种新式联合动力装置在现代战斗舰艇上的应用分析[J].舰船科学技术.2006.5.
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