船用柴油機電控系統(tǒng)半物理仿真平臺開發(fā)研究

宋恩哲，宋百玲，馬修真

(1.哈爾濱工程大學 動力與能源工程學院，黑龍江 哈爾濱 150001;2.東北林業(yè)大學 交通學院，黑龍江 哈爾濱 150040)

電控系統(tǒng)是保證柴油機可靠、穩(wěn)定運行的關(guān)鍵部件，新開發(fā)的電控系統(tǒng)或電控系統(tǒng)的新應用必須經(jīng)過嚴格的功能和性能測試才能裝機使用，而傳統(tǒng)的測試方法就是將電控系統(tǒng)在真實的柴油機上進行配機實驗.而半物理仿真技術(shù)的發(fā)展為柴油機電控系統(tǒng)的實驗室測試創(chuàng)造了良好的條件.作為一門新興的應用技術(shù)，半物理仿真技術(shù)可以看成是一套軟硬件集成的實時仿真測試環(huán)境，在對外部電控系統(tǒng)進行調(diào)試時，開發(fā)的半物理仿真測試平臺作為虛擬柴油機載體直接與柴油機電控系統(tǒng)相連，接受電控系統(tǒng)的控制調(diào)節(jié)，并向控制系統(tǒng)提供相應的柴油機實時運轉(zhuǎn)工況信息［1］.半物理仿真系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)在實驗室環(huán)境下對控制系統(tǒng)進行測試考核，從而可以大大降低開發(fā)費用，縮短開發(fā)周期［2］，為實現(xiàn)柴油機電控系統(tǒng)一體化開發(fā)與研究奠定堅實的基礎(chǔ)，也為并行技術(shù)在柴油機電控系統(tǒng)開發(fā)中的應用提供了快捷的途徑［3］.本文利用dSPACE硬件和Tesis DYNAware/Simulink軟件，研究開發(fā)了船用柴油機電控系統(tǒng)半物理仿真平臺，在實驗室對已開發(fā)的柴油機電控系統(tǒng)進行測試試驗.

1 柴油機建模研究

1.1 柴油機數(shù)學模型

以研究控制系統(tǒng)為目的，把船用柴油機整體簡化為如圖1所示的若干分系統(tǒng)或模塊，模擬柴油機的運行特性，即根據(jù)柴油機的不同工況計算當前所需要的空氣量和噴油量送入氣缸，混合氣體在氣缸內(nèi)燃燒使缸內(nèi)氣體壓力增加，燃燒氣體的壓力以力的形式作用在活塞上，然后通過連桿以扭矩的形式作用在曲軸上，即燃燒扭矩.該燃燒扭矩克服泵氣扭矩和柴油機工作過程中的摩擦扭矩得到柴油機瞬時扭矩，柴油機輸出扭矩通過動力學過程轉(zhuǎn)化為柴油機的轉(zhuǎn)速輸出.

圖1 柴油機模型結(jié)構(gòu)框圖Fig.1 The structure diagramof the dieselmodel

在滿足柴油機基本性能的前提下，從研究柴油機控制系統(tǒng)實時性需求的角度出發(fā)對建模過程作如下簡化:

1)忽略柴油機工作過程中氣體、液體壓力和溫度的周期性波動;

2)忽略氣缸內(nèi)復雜的工作過程和曲柄連桿機構(gòu)的動力學計算，假設(shè)氣缸內(nèi)氣體的狀態(tài)滿足理想氣體狀態(tài)方程和能量守恒定律;

3)氣缸內(nèi)氣體燃燒滿足均勻混合氣燃燒的假設(shè);

4)對于一些相關(guān)部件和過程，不考察部件的工作機理和復雜的工作過程，根據(jù)大量實驗數(shù)據(jù)回歸的曲線來實現(xiàn)其功能，如噴油泵等.

以圖1所示的柴油機工作過程為基礎(chǔ)，根據(jù)平均值建模原理建立了進氣管、渦輪增壓器、扭矩計算、噴油泵、排氣管和柴油機動力學的數(shù)學模型.所研究的柴油機為16V396TE94柴油機，其主要參數(shù)如表1所示.

表1 16V396TE94柴油機主要參數(shù)Table 1 Themain parameters of the 16V396TE94 diesel

1.1.1 進氣系統(tǒng)數(shù)學模型

根據(jù)容積法定義，把進氣管簡化為一個容積相當?shù)摹叭萜鳌?假設(shè)進氣管前后的氣體濃度不變、溫度相同且為等熵流動，則進入進氣管的氣體流量計算公式為

式中:m表示通過進氣管的氣體質(zhì)量流量，kg/s;p1表示進氣管前壓力，Pa;p2表示進氣管后壓力，Pa;mmax表示通過進氣管的氣體最大質(zhì)量流量，kg/s;T表示進氣溫度，K;Tref表示參考環(huán)境溫度，K;pref表示環(huán)境壓力，Pa;k表示絕熱指數(shù).

進入氣缸的平均進氣量mcly.in的計算公式為

式中:T表示氣缸前氣體的溫度，K;plm表示氣缸前氣體的壓力，Pa;Vdisp表示氣缸容積，m3;n表示柴油機轉(zhuǎn)速，r/min;η表示充氣效率.

1.1.2 廢氣渦輪增壓器模型

廢氣渦輪增壓器主要由壓氣機和廢氣渦輪兩部分組成.壓氣機模型主要用于計算壓氣機的折合轉(zhuǎn)速、通過壓氣機的空氣質(zhì)量流量和壓氣機所吸收的功率，其中壓氣機的壓比定義為壓氣機出口與進口氣體的壓力比值.

壓氣機折合轉(zhuǎn)速的計算公式［4-5］為

式中:ωcy表示壓氣機的折合轉(zhuǎn)速，rad/s;ωy表示壓氣機的實際轉(zhuǎn)速，rad/s;Tref表示壓氣機工作的參考環(huán)境溫度，K;Tbef表示壓氣機入口氣體的溫度，K.

流過壓氣機空氣的折合質(zhì)量流量計算公式［4-5］為式中表示通過壓氣機的空氣折合質(zhì)量流量，kg/s表示通過壓氣機的空氣實際質(zhì)量流量，kg/s;pbef表示壓氣機入口空氣的壓力，Pa;pref表示壓氣機工作的參考環(huán)境壓力，Pa.

壓氣機所吸收的功率計算公式［4-5］為

式中:Py表示 壓氣機所消耗的功率，kW;cp表示空氣的定壓比熱，kJ/(kg·K);pbeh表示壓氣機出口空氣的壓力，Pa;k表示絕熱指數(shù);ηk表示壓氣機的絕熱效率.

圖2所示為本文所研究的壓氣機map圖.

圖2 壓氣機的特性線Fig.2 The 16V396TE94 compressormap

渦輪的模型用于計算渦輪的轉(zhuǎn)速、通過渦輪的氣體流量和渦輪的輸出功率，其中渦輪的壓比定義為渦輪出口和入口氣體的壓力比值.渦輪折合轉(zhuǎn)速的計算公式［4-5］為式中:ωcv表示渦輪的折合轉(zhuǎn)速，rad/s;ωv表示渦輪的實際轉(zhuǎn)速，rad/s;Trefv表示渦輪工作的參考環(huán)境溫度，K;Tbefv表示渦輪入口氣體的溫度，K.

通過渦輪的氣體折合質(zhì)量流量計算公式［4-5］為

渦輪的輸出功率計算公式［4-5］為

式中:Pv表示渦輪輸出的功率，kW;cpv表示通過渦輪的氣體的定壓比熱，kJ/(kg·K);ηT表示渦輪的效率;pbehv表示渦輪出口氣體的壓力，Pa;kv表示經(jīng)過渦輪氣體的絕熱指數(shù).

圖3、4所示為本文所研究的渦輪map圖.

圖3 渦輪的流量特性Fig.3 Themass flowmapof the 16V396TE94 turbine

圖4 渦輪的效率特性Fig.4 The efficiencymapof the 16V396TE94 turbine

1.1.3 柴油機的扭矩計算

柴油機的實際輸出扭矩為燃燒扭矩、摩擦扭矩和泵氣扭矩的代數(shù)和.燃燒扭矩計算公式為

式中:mfuel表示循環(huán)供油量，kg;ω表示柴油機角速度，rad/s;λ表示空燃比;αlnj表示供油提前角，rad.

建立柴油機仿真模型時，擬合燃燒扭矩隨供油量和柴油機轉(zhuǎn)速變化的map圖，實際工作時，采集柴油機轉(zhuǎn)速和供油量，查map圖得到相關(guān)工況的燃燒扭矩，圖5為燃燒扭矩隨供油量和柴油機轉(zhuǎn)速的變化關(guān)系map圖.

圖5 燃燒扭矩隨供油量和柴油機轉(zhuǎn)速的變化關(guān)系Fig.5 The combustion torque changes with fuel mass and diesel speed

柴油機泵氣扭矩是根據(jù)進氣管壓力與曲軸箱壓力的差值，以及排氣管壓力與曲軸箱壓力的差值來計算的，根據(jù)曲軸角度和實時進、排氣壓力計算的實時泵氣扭矩公式為

當為進氣沖程時，

當為壓縮沖程時，

當為排氣沖程時，

式中:Apiston表示活塞頂面積，m2;S表示活塞行程，m;α表示曲軸轉(zhuǎn)角，rad;p∞表示曲軸箱壓力，Pa;ε(α)k表示隨曲軸轉(zhuǎn)角變化的氣體壓縮效率.

柴油機平均摩擦損失壓力是衡量摩擦扭矩大小的參數(shù).計算平均摩擦損失壓力的經(jīng)驗公式為

式中:Pma表示平均摩擦損失壓力，Pa;Pmax表示缸內(nèi)最大壓力，Pa;vpis表示活塞的平均速度，m/s.

根據(jù)平均摩擦損失壓力和氣缸平均容積變化可計算出平均摩擦損失功率，然后根據(jù)扭矩與功率、轉(zhuǎn)速之間的關(guān)系，得到平均摩擦扭矩的計算公式為

式中:Mfric表示摩擦扭矩，N·m;Vz表示柴油機總排量，m3.

在柴油機實驗臺架上，根據(jù)柴油機不同的工況點獲得Pmax和vpis的值，由式(11)、(12)計算出柴油機的摩擦扭矩.根據(jù)16V396TE94柴油機在不同工況點的實驗結(jié)果在Simulink中繪制摩擦扭矩與柴油機轉(zhuǎn)速冷卻水溫度之間的map圖，如圖6所示.

圖6 柴油機摩擦扭矩map圖Fig.6 The friction torquemapof the diesel

1.1.4 噴油泵模型

油泵特性是指每循環(huán)供油量隨柴油機轉(zhuǎn)速n和齒條位移xc的變化關(guān)系.即q=f(n，xc)，仿真模型中根據(jù)16V396TE94試驗測試參數(shù)，繪制循環(huán)供油量、齒條位移和轉(zhuǎn)速三者間的關(guān)系map圖，構(gòu)成噴油泵模型.如圖7所示.

圖7 供油量隨齒條位移變化曲線Fig.7 The relationships between fuelmass and rack position

1.1.5 排氣管

建立排氣管模型時，假設(shè)從氣缸內(nèi)排出的氣體在進入排氣管瞬間立刻與排氣管內(nèi)氣體均勻混合，計算時排氣壓力取氣缸內(nèi)計算燃燒扭矩時的氣體壓力，作為已知量;同時，計算排氣管參數(shù)時，忽略排氣管散熱;并且所有的排氣均送入渦輪.計算排氣溫度的簡化公式:

式中:Tp表示排氣溫度，K;Pp表示排氣壓力，Pa;mp表示排氣管的氣體質(zhì)量，是氣缸內(nèi)進氣質(zhì)量和燃油質(zhì)量之和，kg.

1.1.6 柴油機動力學模型

由于柴油機在一個工作循環(huán)中只有一個做功沖程，這就造成柴油機運動件運轉(zhuǎn)的不均性.即在柴油機工作時，運動件(如活塞、連桿、活塞銷等)存在加速和減速現(xiàn)象，并以扭矩的形式在曲軸上體現(xiàn)出來，該扭矩為震蕩.根據(jù)柴油機轉(zhuǎn)速、曲軸轉(zhuǎn)角及震蕩部件質(zhì)量，忽略曲軸轉(zhuǎn)角的角加速度，則震蕩扭矩近似計算為

式中:ω表示柴油機角速度，rad/s;s表示活塞沖程，m;α表示曲軸轉(zhuǎn)角，rad;mosc表示震動部件質(zhì)量，kg，本文取活塞、連桿和活塞銷質(zhì)量之和.

柴油機動力學特性以牛頓第二定律為基礎(chǔ)，由動力傳動系統(tǒng)能量守恒可推出轉(zhuǎn)速與扭矩之間的關(guān)系:

式中:Mo表示震動扭矩，N·m;Ml表示負載扭矩，N·m;Mfri表示摩擦扭矩，N·m;Mcom表示燃燒扭矩，N·m;Ms表示起動機扭矩，N·m，當柴油機達到起動轉(zhuǎn)速后該值為零;ΘE表示柴油機轉(zhuǎn)動慣量，kg·m2;ΘS表示起動機轉(zhuǎn)動慣量，kg·m2，當柴油機達到起動轉(zhuǎn)速后該值為零.

通過柴油機動力學模型將柴油機輸出的扭矩轉(zhuǎn)換成研究控制系統(tǒng)所需求的柴油機轉(zhuǎn)速.

1.2 柴油機仿真模型

圖8 船用柴油機控制系統(tǒng)信號流圖Fig.8 The signal chart of the diesel control system

以建立的柴油機數(shù)學模型為基礎(chǔ)，針對柴油機控制系統(tǒng)實時仿真技術(shù)研究的需求［6-7］，應用模塊化建模方法開展了增壓柴油機仿真建模研究.在模塊劃分過程中重點考慮了以下幾點原則:

1)所劃分的模塊要以獨立的物理部件為基礎(chǔ)，要能夠?qū)崿F(xiàn)相對獨立的物理功能.如柴油機氣缸模塊.

2)所劃分的模塊要具有一定的接口形式，即模塊的輸入和輸出.

3)模塊的邏輯，即模塊相關(guān)物理功能的實現(xiàn)過程.

4)模塊的運行環(huán)境，包括外界的運行條件和輸入信息的具體量化范圍.

基于以上原則，按照圖1所示的柴油機工作原理及建立的柴油機數(shù)學模型，將柴油機功能模塊劃分為進氣系統(tǒng)、增壓器(包括渦輪、壓氣機)、噴油泵、扭矩計算(16個氣缸按照發(fā)火順序連接，完成扭矩輸出)、排氣系統(tǒng)、柴油機動力學、柴油機動力傳動系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)等.各模塊和系統(tǒng)之間選擇壓力、溫度、流量、轉(zhuǎn)速、扭矩、負荷及相關(guān)控制量作為傳遞參數(shù)，盡量避免以構(gòu)件結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)的建模，這樣可以擴大相應模塊的適用范圍，提高模型的通用性.完成以上基本模塊的劃分后，以研究控制系統(tǒng)為目標，將這些模塊按照工作關(guān)系進行組合，如圖8所示.仿真模型中，與柴油機結(jié)構(gòu)和運行相關(guān)的參數(shù)以文件的形式存在，仿真中采用參數(shù)預處理技術(shù)對模型進行配置.

2 柴油機電控系統(tǒng)半物理仿真平臺建立

圖9 柴油機電控系統(tǒng)半物理仿真結(jié)構(gòu)原理圖Fig.9 The semi-physical simulation signal connecting diagramof the control system

建立的仿真模型下載代碼到dSPACE實時仿真平臺［8-11］，利用dSPACE實時仿真平臺來模擬柴油機對象或外部環(huán)境，進行相關(guān)的數(shù)據(jù)處理，將真實的柴油機電控系統(tǒng)和真實的執(zhí)行器通過接口與dSPACE連接，構(gòu)成柴油機電控系統(tǒng)半物理仿真平臺，信號傳輸原理圖如圖9所示.對開發(fā)的電控系統(tǒng)進行更接近于實際對象的實時測試，或者模擬某些極限條件下的應用和危險故障.

3 半物理仿真試驗

利用所建立柴油機電控系統(tǒng)的半物理仿真平臺，對電控系統(tǒng)功能進行了測試試驗.本文選取電控系統(tǒng)的起動、調(diào)速、相繼增壓等幾個主要功能進行仿真測試，并將仿真測試結(jié)果與配機實驗數(shù)據(jù)進行了對比分析.

3.1 起動控制功能驗證

起動試驗時，設(shè)定轉(zhuǎn)速設(shè)置為怠速轉(zhuǎn)速600 r/min，在空載下起動，要求調(diào)速模塊在5 s內(nèi)使柴油機轉(zhuǎn)速穩(wěn)定，并且要求超調(diào)轉(zhuǎn)速盡可能小.空載起動數(shù)據(jù)見表2，半物理仿真曲線見圖10，配機實驗曲線如圖11所示.結(jié)果表明半物理仿真平臺能較好的模擬和驗證柴油機電控系統(tǒng)的起動控制功能.

圖10 起動過程轉(zhuǎn)速和齒條位移半物理仿真曲線Fig.10 The speed and rack position curves of the start of the semi-physical simulation

圖11 起動過程轉(zhuǎn)速和齒條位移配機實驗曲線Fig.11 The start speed and rack position curves of the matching diesel experiment

表2 空載起動試驗數(shù)據(jù)Table 2 The data of engine start without load

3.2 負荷突加突卸功能驗證

對調(diào)速功能最嚴格的考核就是負荷突加和突卸試驗.圖12為柴油機在額定轉(zhuǎn)速下突加突卸負荷時半物理仿真轉(zhuǎn)速變化情況，圖13為負荷突變過程中配機實驗曲線，表3為半物理仿真和配機實驗數(shù)據(jù)對比表.結(jié)果表明，柴油機電控系統(tǒng)的動態(tài)調(diào)速性能與配機試驗結(jié)果吻合良好，同時也表明半物理仿真平臺能較好的完成柴油機電控系統(tǒng)調(diào)速模塊負荷突變功能的驗證.

圖12 負荷突變時半物理仿真轉(zhuǎn)速變化曲線Fig.12 The speed simulation curve of the load changed abruptly

圖13 負荷突變時配機實驗轉(zhuǎn)速變化曲線Fig.13 The speed test curve of the load changed abruptly

表3 負載突變過程動態(tài)數(shù)據(jù)對比Table 3 The comparing data of the load changed abruptly

3.3 柴油機電控系統(tǒng)相繼增壓功能驗證

根據(jù)電控系統(tǒng)的控制規(guī)律，首先將柴油機轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)到1 700 r/min，然后在模型中手動加載，當增壓器A轉(zhuǎn)速達到切換點轉(zhuǎn)速55 000 r/min時，受控增壓器B切入.表4為相繼增壓過程中半物理仿真和配機試驗對比數(shù)據(jù)表.結(jié)果表明半物理仿真測試中，增壓器切換時間及切換過程對柴油機的影響與配機實驗相當.

表4 增壓器切換過程對比數(shù)據(jù)Table 4 The comparing data during sequential turbocharge

4 結(jié)論

針對船用柴油機電控系統(tǒng)仿真測試需求，建立了柴油機的數(shù)學模型，并建立了模塊化的柴油機實時仿真模型，開發(fā)了完整的船用柴油機電控系統(tǒng)一體化開發(fā)和半物理仿真測試平臺.利用開發(fā)的半物理仿真平臺，測試和驗證了柴油機電控系統(tǒng)的起動、調(diào)速、相繼增壓等功能.結(jié)果表明:

1)所建立的柴油機模型具有良好的實時性和準確性，與實際柴油機吻合良好.

2)開發(fā)的柴油機電控系統(tǒng)半物理仿真平臺，能夠完成在實驗室環(huán)境下對柴油機電控系統(tǒng)的相關(guān)工況進行測試，縮短了柴油機電控系統(tǒng)開發(fā)的周期，減小測試費用.

3)該仿真平臺還可以對柴油機調(diào)速裝置或其他柴油機控制裝置的實驗室進行測試，具有良好的通用性.

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