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1、第卷第期年月中国航海文章编号：（）某船主推进系统建模与仿真韩冰，王钊（上海船舶运输科学研究所航运技术与安全国家重点实验室，上海）摘要：实船航行试验的问题是耗费高、周期长。通过构建某船用柴油机推进系统模型，包括柴油机、调速器、 液力偶合器、螺旋桨及船体运动模型，在 环境下对该船的加速过程和紧急停船过程进行仿真研究。经分析对比船体在不同机桨联控策略下的运动情况，得出加速和停船过程中最佳的机桨匹配策略，为航行试验提供了理论依据。关键词：船舶、 舰船工程；推进系统；仿真；模型；策略中图分类号：文献标志码：， （。 ，）： ， ， ， ：，；利用计算机对船舶主推进系统的性能进行仿真对遥控系统控制规律的设
2、计有一定帮助 。机和螺旋桨工作安全性的前提下，从船舶的机动性角度出发，研究了不同机桨联控策略下船体的动态性能。国内外船舶推进动力装置的仿真建模方法大致分为两类：基于神经网络、传递函数等方法的推进系统模型。推进系统模型仿真对象为一套四机双桨，带有液力偶合器和并车齿轮箱的柴油机推进系统（见图） 。柴油机模型根据能量守恒原理建立的多维工作过程仿真模型 。前者具有较好的实时性，但仿真误差较大，后者需要经过多次迭代计算，计算耗时较长且实时性差。考虑到在推进系统仿真过程中，实时性是一项重要根据达兰贝尔原理建立柴油机的循环平均值模型，考虑柴油机摩擦扭矩，得平衡方程：的指标，同时必须兼顾仿真的精确性，因此采用
3、循环平均值的方法建立了柴油机推进装置模型，重点研究了机桨匹配对船舶机动性的影响。运用 工具建立了某船柴油机推进系统的数学模型并进行仿真分析。在保证主收稿日期：一蠢警， 式（）中：的转动惯量； ， 为柴油机转速。（ ）为柴油机发出的扭矩；为柴油机的摩擦力矩；为柴油机负载摩擦力矩；为柴油机柴油机的循环平均值模型重点考虑其外特性，作者简介：韩冰（一），男，吉林省吉林人，副研究员，工学博士，主要从事船舶动力系统研究： 韩冰， 等：某船主推进系统建模与仿真图推进系统结构图 忽略了内部参数变化对推进系统的影响。因此，在进行加速和停船的仿真过程中，既保证了仿真的实时性又不损失其精确性。柴油机的 模型见图。图
4、柴油机动力学模型 调速器模型螺旋桨模型 调距桨水动力模型电子调速器由控制器、执行机构、转速测量传感器三部分组成（见图）。控制规律形式为：调距桨的水动力模型即不同螺距下的螺旋桨水动力模型。“（） （）（）（ ）（）（）（）瀛一式（）和式（）中：为螺旋桨的推力；为螺旋桨的水阻力距； 为水的密度；为螺旋桨直径；为螺旋桨转速；为推力系数；。为扭力系数；、图电子调速器框图 。均为无因次系数，与进程比有关，需要参考螺旋桨敞水试验数据表。液力偶合器模型一液力偶合器的建模采用人工神经网络的方法，）对特性曲线进行了拟合。结合液力偶合器传递的扭矩与滑差及泵轮转速，之间的关系（见图）使用 建立二维查找表。液力偶合器
5、的模型见图。式（）中：为进程比；为船速（桨的进速）。螺旋桨的运动学模型警一 一（ ）中国航海年第期图不同滑差情况下液力偶合器传递的扭矩与泵轮转速之间的关系 ，图液力偶合器模型 蠢一一伴流系数与推力减额系数（ ） 一（）（）一（）、。与的关系曲线是在敞水（均匀流场）中试验得到的，而实际上螺旋桨在船尾工作时，它必然受船体、尾流的影响。另外，螺旋桨在船尾运动，产生了推力减额与伴流现象。一一（）式（）和式（）中：为推力减额系数；为伴流系数； 为船体阻力，一（）。船体阻力与航速之间的关系由船模试验得到。仿真结果根据所建立的推进系统模型，分别对船舶从静止一加速一全速工况和紧急停车两个过程进行了式（）中：为
6、有效推力；为计算推力；为计算损失。 。（一）（）仿真。加速过程仿真式（）中：为推力减额系数。（） 户船舶在设计状态下航行时，螺旋桨的效率要达到最佳，主机一螺旋桨联控策略的选择至关重要。针对两种主流的机桨联控策略进行仿真研究，以获得适合该船的机桨联控策略。 儿 ）推力减额系数由螺旋桨敞水试验获得。船体运动模型埔一 一一一）螺旋桨螺距比和主机转速按照车令表同步变化（策略甲）。式（）中：为船体质量。若考虑推力减额和伴流则有：）是螺旋桨螺距和柴油机转速分别按各自规律变化的联控策略（策略乙）。韩冰，等： 某船主推进系统建模与仿真姗枷啪咖咖啪瑚枷枷姗针对这两种机桨联控策略，对船舶从静止加速到额定航速的过程
7、进行了仿真（见图）。：蔷羹时 司 图两种机桨联控策略 柴油机在空车运行状态下，转速保持在，在时离合器接排。按照策略甲的机桨联控曲线，螺距按照车令中既定的转速一螺距关系跟随主机转速变化。与之对应，按照策略乙的机桨联控曲线，柴油机给定转速按照热机加减速曲线增加到额定转速 ，同时，调距桨从零螺距按照螺距变化规律（螺距从负向最大到正向最大需要）快速增大到设计螺距一。在两种机桨联控策略下，柴油机转速、油门、航速、船体前进距离和的变化曲线见图图。（）柴油机转速晕翥埏图空车加速至全速丁况柴油机转速 （）油门婆嫠时间 图空车加速至全速 况油门 （）航速图空车加速至全速工况航速 （）前进距离柱时间图 空车加速至
8、全速工况船体前进距离 （）螺距比皋时间 图 空车加速至全速工况螺距比 紧急停船过程仿真紧急停船过程中的机桨联控采用螺距比和主机转速按照车令表同步变化的策略，分别对以下两种情况进行了仿真。）从“前进五”降低至“后退三”对应转速后保持不变（策略一）。）把主机转速降低至怠速后再升至“后退三”对应转速（策略二）。控制方法说明：中国航海年第期（）为防止柴油机飞车，在紧急减速时先将主机转速降低至“前进四”对应转速，再开始降低螺距比；（）为防止刹车过程中轴系超扭矩，待船速降低到一定值时再开始反向增加螺距。根据经验，在航速降低至时再反向增加螺距。分别对两种控制策略进行了仿真，其控制效果见图图。柴油机转速。口宕
9、辩暴墓 图紧急停船过程柴油机转速 航速时间图 紧急停船过程航速前进距离褪制：窿图 紧急停船过程船体前进距离五、 鳝螺距比图 紧急停船过程螺距比（两种策略相同） 结语由图和图可知船体从静止加速到最大航速的时间和距离，仿真结果见表，其中单位船长为。表 加速过程仿真结果 机桨联控策略加速时间加速距离加速距离单位船长策略甲策略乙 从图可知，“策略乙”螺距比增大的速度较快，但这样会造成柴油机超负荷，使得油门一直处于限制状态（见图），柴油机转速不能快速上升到额定值（见图），最终造成船舶加速较缓慢（见图）。由表知，按照“策略甲”的机桨联控曲线加速时， 加速时间和距离均较短，而“策略乙”较长。紧急停船过程中，
10、由图和图可知，船体从全速前进工况紧急刹车，停船时间和距离见表。表刹车过程仿真结果 转速控制策略停止时间停止距离单位船长停止距离策略一 策略二 由表知，按照“策略一”进行机桨联控较“策略二”能够略微缩短刹车时间和距离。对某船的主推进系统进行了建模，分别对船由静止到全速过程和最大航速下紧急停船过程进行了仿真研究。通过仿真分析对比，得到了船舶加速过韩冰，等： 某船主推进系统建模与仿真程和紧急停船过程的较为理想的机桨联控策略，为实船操作提供了理论依据。参考文献 孙建波，郭晨，张旭，等大型船舶动力装置的建模与仿真研究 系统仿真学报， （）：， ，（）：张元涛，王凤霞，石为人大型低速二冲程船用柴油机建模及
11、仿真 船舶工程，（）：卜， ，（）：田靓，高孝洪，陈辉基于 的船舶主柴油机转速控制系统的动态仿真船海工程，（）： ， ，（）： ， ，（）：， 王永生，陈华清，敖晨阳， 等舰船液力偶合器数学建模新方法海军工程大学学报， （）：， ，一 ，： ，（）：徐斌船舶动力装置仿真中的仿真控制系统上海船舶运输科学研究所学报， （）： 盛振邦，刘应中船舶原理 上海： 上海交通大学出版社， 吴爽船舶调距桨推进装置及其控制系统的建模与仿真研究大连：大连海事大学， ，（上接第页） ， 持算法 大连海事大学学报，（）：， ，： ，（）： 张显库，任光，颜德文，等一种低成本的综合船舶监视系统计算机测量与控制，（）：尹勇，张秀凤，张显库船舶自动舵和自动避碰算法仿真测试平台的研究系统仿真学报，（）： ， ， ，（）： ，（）：中华人民共和国海事局年海员培训、 发证和值班标准国际公约马尼拉修正案大连：大连海事大学出版社， 张显库，金一丞控制系统建模与数字仿真大连：大连海事大学出版社，杨盐生，贾欣乐船舶运动数学模型机理建模与 张显库，陈伟用实现船舶运动航迹控制轨迹中国航海，（）：，辨识建模大连：大连海事大学出版社，张显库 工程应用实例大连：大连海事大学出版社， 张显库，金一丞，尹勇全任务航海模拟器的航迹保 ，（）：