大型低速船用柴油機(jī)建模與系統(tǒng)仿真.pdf

1、現(xiàn)代商船一般采用大型低速二沖程柴油機(jī)作為主推進(jìn)動(dòng)力裝置，其性能決定了整條船舶的動(dòng)力性能。建立能準(zhǔn)確反映柴油機(jī)動(dòng)力裝置穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)性能的數(shù)學(xué)模型對動(dòng)力裝置的控制、仿真和性能分析都有重要的意義。 應(yīng)用于系統(tǒng)仿真的柴油機(jī)模型主要包括容積法模型、平均值模型等，這些模型在不同的應(yīng)用領(lǐng)域起到了重要的作用。容積法模型可較準(zhǔn)確的預(yù)測缸內(nèi)氣體壓力的變化，但計(jì)算速度慢，傳統(tǒng)上應(yīng)用于柴油機(jī)工作過程穩(wěn)態(tài)仿真。平均值模型相對簡單，被廣泛應(yīng)用于柴油機(jī)非線性控

2、制與狀態(tài)觀測，但沒有充分考慮過量空氣系數(shù)的計(jì)算，影響了計(jì)算精度。而且，上述模型不能直接用于控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)分析。因此，對現(xiàn)有模型進(jìn)行優(yōu)化和改進(jìn)使之可以滿足生產(chǎn)實(shí)踐的需要就成為一個(gè)重要的課題。 本文以廣泛使用的MAN B＆W 6S60MC型大型低速二沖程船用柴油主機(jī)為母型機(jī)，分別建立了容積法模型、平均值模型和線性變參數(shù)模型。以Matlab/Simulink為仿真工具，進(jìn)行了仿真計(jì)算，并與臺(tái)架試驗(yàn)數(shù)據(jù)作了對比分析。 掃氣模型是

3、容積法模型的一個(gè)重要組成部分，對計(jì)算精度和速度都有重要的影響。改進(jìn)了常用的“濃排氣”掃氣模型的不足，引入廢氣成分系數(shù)，將排出氣體溫度的計(jì)算統(tǒng)一一個(gè)公式中。采用插值法簡化動(dòng)態(tài)過程中燃燒放熱規(guī)律參數(shù)的計(jì)算，并使用渦輪增壓器的動(dòng)態(tài)方程，使容積法模型具有了動(dòng)態(tài)仿真的能力。在此基礎(chǔ)上建立了柴油機(jī)容積法工作過程仿真模型。 在柴油機(jī)工作過程模型的基礎(chǔ)上，引入曲柄連桿機(jī)構(gòu)動(dòng)力學(xué)，建立了船舶主動(dòng)力裝置的動(dòng)態(tài)模型，從而將容積法模型優(yōu)點(diǎn)引入到船舶動(dòng)力

4、裝置的動(dòng)態(tài)仿真中。提出并驗(yàn)證了容積法動(dòng)態(tài)模型中剛性問題的存在。計(jì)算結(jié)果表明，采用求解剛性系統(tǒng)的數(shù)值方法可以大幅度提高模型的計(jì)算速度。動(dòng)態(tài)模型的仿真結(jié)果與臺(tái)架試驗(yàn)數(shù)據(jù)吻合良好，仿真示功圖與實(shí)測示功圖幾乎重合，動(dòng)態(tài)變化過程符合實(shí)際情況，計(jì)算速度滿足實(shí)時(shí)仿真的要求。 建立了平均值模型，并改進(jìn)了其在計(jì)算過量空氣系數(shù)方面的不足。改進(jìn)方法是引入掃氣系數(shù)，重新定義平均值模型中過量空氣系數(shù)的計(jì)算公式。在新公式中即考慮了容積效率對氣缸空氣流量的影

5、響，也引入了掃氣系數(shù)對掃氣質(zhì)量的影響。仿真結(jié)果表明，新公式對平均值模型氣體通路的改善非常明顯，尤其是提高了掃氣和排氣壓力計(jì)算的精度。改進(jìn)的平均值模型能更準(zhǔn)確的反映柴油機(jī)的動(dòng)態(tài)及穩(wěn)態(tài)特性。 然而，容積法模型和平均值模型都不能直接用于控制算法的設(shè)計(jì)。本文以綜合控制為目標(biāo)，簡化了平均值模型，并將簡化得到的非線性模型轉(zhuǎn)化為以柴油機(jī)轉(zhuǎn)速、掃氣箱壓力、排氣管壓力和壓氣機(jī)功率為狀態(tài)變量的四階線性變參數(shù)(LPV)狀態(tài)空間模型。仿真結(jié)果表明，盡管