常规潜艇电力推进系统仿真研究

常规潜艇电力推进系统仿真研究 笫,,器筇,,町 文章编号:,,,,—,,,,(,,,,),,—,,,,—,, 计算机仿真 —’?。:,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,:,,,,,,,,, 胡锦晖，胡大斌，徐国印 (海军 工程 路基工程安全技术交底工程项目施工成本控制工程量增项单年度零星工程技术标正投影法基本原理 大学船舶与动力工程学院湖北武汉,,,,,,) 摘要:电力推进在常规潜艇手动力系统巾已被普遍采用，是动力系统的重要组成部分。潜艇电力推进系统运行工况众多，变 化范屡广泛，要对其进行动稳念特性分析，确定最优化的航行工作制均比较困难。因此，对潜艇电力推进系统建立合理的数 学模型，并进行仿真研究成为必需。针对潜艇电力推进系统的丰要部分分别建立了其准确的数学模型，以各航行工况为基础进行了仿真研究。仿真结果 表 关于同志近三年现实表现材料材料类招标技术评分表图表与交易pdf视力表打印pdf用图表说话 pdf 明，所建立的模型具有一定的合理性与通用性，能很好地满足,程精度需求不仅町为电力推进系统的性能仿真提供依据，而且根据需要可应用,:半实物仿真系统。 关键词:潜艇;电力推进;仿真中图分类号:,,,,(, 文献标识码:, ——————————————————————————————————————————————— ,,,,,,,,,,,,,,,;,,,;,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,, ,,,,,—,,,(,,,,—,,,，,,,,,—,,, (,,,,,,, ,,,,,,,,,;,,,,;,,,, ,,,,,,,,，,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,，,,,,,,,,,,,,,,,,，,,,,,) ,, ,,,,,,,,:,,,;,,,;,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,;,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,(,,,,,,, ,,, ,,,,,,, ,, ,,,,,,,,,,,,,,,,,(,,,,;,,,,,,,,, ,,,,,,,,,,,,,,,,,, ,,, ,,,,,,,, ——————————————————————————————————————————————— ,,,,,,,,,,,，,,,,,,,,,,,,,,,;,,, ,, ,,,,,,,,,,,,,,,,;,,,,,,,,,;,,,,;,,,,,,,;,，,,,,,,;,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,;,,,,,,,,(,,,,,,,,;,,,,,, ,,,,,,,,;,,,;,,,,,,,,,,,,,,, ,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,;,,,,,,,,,,,,,,,(,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,, ,,, ,,,,,,,,,,,,;,,,,,, ;,, ,,, ,,,,,,,,,,,,,,,,,,,;,,,,,,,,,(，,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,, ,,,,,,;, ;,, ,,,,,,,,,,,,，,,,,,,,,,,,, ——————————————————————————————————————————————— ,,,,,,,, ,,,,,,,,,？,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,;,,,,,(,,,, ,,, ,,,, ,,,,,, ,,,,,,,,,;, ,,,,,,,,,,,,,,,;,,,;,, ,,,,,,,,,,(,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,—,,—,,,—,,,, ,,,,,,,,,,,,,,,,( ,,,,,,,,:,,,,,,,,,;,,,;,,,;,, ,,,,,,,,,,;,,,,,,,,,, 战平台，在其研究和开发巾，采用计算机模型代替真实设备 , 引言 现代潜艇是集各种高技术于一体的海上作战平台，装备 进行数字仿真或半物理仿真试验，呵减少试验次数，节约研发经费，在风险性试验及故障复现中将危险减至最小程度。 了各种先进的探测、通信、武器、水声对抗等设备。随着技术的发展，电力推进系统已被广泛用于常规潜艇动力装置中。 ——————————————————————————————————————————————— 电力推进系统不仅技术成熟，可靠性高，而且容易实现动力装置紧凑化、最佳蘑虽和最佳维护等目标，对于潜艇这样的特殊环境来说是一种较好的选择。 因此，对潜艇电力推进系统建立合理、准确、符合精度要求的 仿真模型显得尤为重要。 本文以现代常规潜艇电力推进系统为对象，以研究其准稳态特性为前提，建立了推进系统各主要部分的仿真数学模 型。对潜艇水下航行上况和充电航行工况分别进行了仿真计算，并与实际测量值进行了对比。,推进系统组成及主要工况 潜艇电力推进系统一般由推进电机、传动轴系、螺旋桨装置、变速控制装置、辅机设备及蓄电池等所组成，如图,所示。常规潜艇动力系统的原动机一般为柴油机。 仿真技术的飞速发展，已广泛应用于工程、管理科学、教 学培训等各个领域。由于潜艇电力推进系统的复杂件，以及计算机仿真技术本身所具有的显著优点，人们很自然地把仿真技术应用在潜艇电力推进系统的研究中。潜艇电力推进系统是一个设备众多、操作战位分散、相互协同要求高的作 收稿日期:,,,,—,,—,,修回日期:,,,,—,,—,, ?,,——,,,,—— 综合潜艇的作战及训练情况来看，通常航行工况主要包括: 万方数据 ——————————————————————————————————————————————— 而其它参数不同的组，认为它们的磁通是一样的，则有: ,,，;,,,，,，,。, ,产二,。圣?,，,,。, (,) 方程组(,)中未知数为,。咖(这里，令中’。,;。中)和,。， 因此可通过消去中,。求得,。。为了防止仪表显示和读取误 图, 潜艇电力推进系统的组成 差，应尽量选择多组这样的参数，进而求得不同的,。，最后取 其平均值; ,)水下航行。主要由蓄电池向推进电机提供电力，使潜 ,)求西’。。同样利用方程组(,)，利用求得的,。，可求得小同中’。，并根据不同舶励磁电流‘，可建立它们之间类似于 磁化曲线的特性线，供仿真时调用; 艇航行。此时，蓄电池町能处于并联、串联等工况，如果采用双电枢推进电机，则有电枢串联、电枢并联和单电枢的工况; ,)水面航行。一般由柴油发电机组向蓄电池充电，同时向推进电机供电;或是在潜艇停靠码头时，由柴油发电机组 向蓄电池允电; ,)求,。西(这里，令中’。:;。垂)。由电枢端电压,和电枢电流,可得电机输出功率,,,，，，结合输出功率,和轴转速,——————————————————————————————————————————————— 计算出电机输出扭矩饵，而幔与电枢电流，,有如 下关系: ,。,圣备, (,) ,)通气管航行。此时潸艇在水下一定深度，与水丽航行【况类似，只是对于柴油机来说启动过程小同，如要在建立?定排气背压后才能打开排气挡板。通气管航行或水而航行过程中，如果同时对蓄电池进行充电，则可统称为充电航 行工况。 , 通过(,)式可计算出多组西’。，通过拟合可建市其与励磁电流‘的关系曲线，最后供仿真时调用。 ,(,直流发电机模型 直流发电机与柴油机建立动力平衡，其产生的电动势与 电力推进系统主要部分建模 外界负载和蓄电池电动势(并联时)建立电力平衡，可用以下 各式表示: ,(,直流推进电机模型 夺文研究的潜艇动力系统中所有推进电机均为直流电机，其基本工作原理是一致的，只是电机的特征参数不同。例如，当电机存在两个电枢和两个励磁绕组时，则可以看作 两台直流电动机。 ——————————————————————————————————————————————— ，’警,,，),,;—,, ,。,;,?剖，;?。西’?’,,’，疋,, 雪’,雪’(，’，) (,)‘,,)(,,)(,,) 忽略电枢回路的自感电势、电枢反应、互感等因素，直接传动的单电枢直流推进电机运行时应满足以下方程: ,,,，,,,。一, ,—,, ,面四个式子中符号的意义与直流电机类似，其中，，’ (,)(,)(,)(,) 发电机轴系转动惯量;,’为发电机轴系角速,:妻:;;。’为发电机的扭矩系数;,,中’,’为其电枢电动势，其中;。’为电动势常数;,’为发电机输出端电压;,’为电枢电流，而,。’为发电机电枢内阻;肘。为柴油机输出扭矩;肼。为发电机电磁扭矩;凡 为发电机电枢内阻。 ,，,,?中,，,,,:垂?，,，,。 中,西(，，) 其中，,为电机轴系转动惯量;;,为轴系角速度;幔为电枢电磁扭矩;幔为螺旋桨的阻力矩;坼为传动过程中总的扭矩损失;,。为电机的扭矩系数，中为励磁磁通，由励磁电 其参数确定可类似于电动机的求取方法，这里不再 ——————————————————————————————————————————————— 详述。 流，及电机的磁化特性曲线决定;,为电枢端电压;,。?为 电枢的反电动势，其中,。为电动势常数;,,为电枢电流，而,。为电枢内阻(这里为包含了电刷压降的总电阻)。 ,(,螺旋桨、艇体模型 潜艇推进系统模型中的推进电机、螺旋桨和艇体三个部分共同组成船机桨系统，在这个系统中，仅考虑推进装置的回转部分运动和潜艇的直线运动两种运动，它们相应的动力学方程除了前文所述的式(,)外，还有以下方程: 在具备电机 设计 领导形象设计圆作业设计ao工艺污水处理厂设计附属工程施工组织设计清扫机器人结构设计 资料的情况下，可以得到;。、,„,、磁 化特性曲线等参数。同时，已知螺旋桨特性和轴系摩擦损失的情况下，便可以进行动力平衡、电力平衡的仿真计算。如果缺乏电机设计资料，则可以通过其它方法来间接获取这蝗 参数。 ,警;,—,，“百。一, (,,)【?， 式(,,)中，,为艇体的总质量;警为航速的变化率;,为推 进装置的有效推力;月，为艇体阻力。电机电磁转矩丝和螺旋桨阻力矩帆的计算公式如下: ? 可采用的方法是利用电机工作时的运行纪录参数进行反求。通常，已知的记录参数有:电枢端电压,、电枢电流,、励磁电流‘、轴转——————————————————————————————————————————————— 速,等，可采用以下步骤求相应参数: ,)求电枢内阻,。。在记录参数组内选择励磁电流相同 肼，,,,,,土 (,,) ——’—— 万方数据 帆,,,,乃,,， (,,),,,订,,,,,(，—,) (,,) 式(,,)、(,,)中，杨、岛分别为螺旋桨的扭矩系数和推力系数，,为海水密度，,为螺旋桨直径，,为螺旋桨的推力减额 系数。 对于螺旋桨扭矩鸭，除扭矩系数,外，其余系数均为定值。并月(杨在转速有效变化范围内波动不大，可以认为肘。与转速厅的平方成正比，即: ,。,;，,,(;为常数) ,(,蓄电池充放电模型 蓄电池建模是潜艇动力系统建模仿真的难点，因为蓄电 池的端电压、充放电电流受各种因素的影响很大，例如:蓄电 池的荷电状态、温度、电池健康状况、电池极化分层、蓄电池充放电率等，而且这些凶素之间相互影响，很难用解析式将各个变量解藕。另外受潜艇蓄电池的使用寿命和费用的限制，不能做大量实验为——————————————————————————————————————————————— 建模提供充足的数据，只能使用有限的几条充放电曲线。 电化学专家根据电化学理论分析和实验数据进行拟合 分析，得出一些经验公式，根据这些经验公式的推导和分析，预测蓄电池电气外特性和剩余容最，从而形成了电化学经验 公式模犁。 传统的蓄电池充放电模型要根据蓄电池的充放电特性 来实现。充放电分别按照以下方式实现: ,)充电模型 充电时一般采用多级充电，即以一定恒电流克至某一过渡电压时，转入下一级电流充电。蓄电池在作为产品使用 时，提供钉若干放电率下的充电曲线，任意放电率下的充电 曲线可由已知放电率的充电曲线插值得出。 ,)放电模型 蓄电池在作为,把品使用时，同样提供有若干放电率下的 充电曲线。但是放电过程中电流和电压连续变化，因此无法 以哪一条(即便是采用插值方法)放电曲线来模拟放电过程。 这时，可使用电化学经验公式,,,,,,,方程来模拟放电过程。 如果蓄电池充满电并以任一电流，,放电,时间后，还有继续以电流，,放电(,,—,)时间的能力，,。为以，电流放电的 放电率，则,,,,,,,认为放电电流，,与放电率屯有如下关系: ——————————————————————————————————————————————— ?,,,召, (,,) ,,’,。,曙“,。 (,,)为该电池的标称电流、标称放电率和标称容量，,。,，(,。。其中常数,,，与，有关，可由放电特性曲线得到。 辅机功率可根据在各种状态下的辅机电力负荷表确定， 况下，辅助设备的工作状态各不相同，但均可在已知电网电 一,一 万 方数据压,，的情况下，由辅机功率,。确定辅机电流,，将其并入 总网路参与仿真计算。辅机耗电电流计算公式为: 屯,气,, (,,) ,仿真流程及实例分析 本文的仿真对象是某型潜艇的电力推进系统，综合考虑 推进系统的各种工作状况，其中主要可分为两种典型的一,况:充电航行工况和水下航行工况。水下航行工况仿真需综 合艇体、螺旋桨、推进电机、蓄电池放电和辅机放电等几部分 模型，而充电航行工况的仿真则还需柴油发电机组的模型参 与运算。 潜艇在稳定航行过程中由于蓄电池状态的变化，推进系统各性能——————————————————————————————————————————————— 参数是渐进变化的，短时问内可认为系统是稳定 的，在对整个航行过程进行仿真时，可以认为推进系统是以 准稳态的方式工作，仿真计算时将这两种航行过程分成有序的时间间隔，并逐步递推得出其在各时间间隔点上的状态参数。具体的仿真计算流程如图,所示。 圈,充电靛行及水下航行工况仿真藏程 图,是水下航行工况时蓄电池电压随时闯的变化曲线，随着电力用户的使用，电池的电压逐步降低。图,、图,是充电航行工况时电机扭矩和螺旋桨阻力矩的变化曲线。可以 看出，随着电机转速的稳定，电机的扭矩逐渐接近定值，螺旋桨的水阻力矩先成抛物线上升，最后当转速稳定后，成一条 直线。图中的电压、力矩与转速均作了无量纲化处理。仿真 ( (下转) 也即， 式(,,)巾，以为对应电流‘下的总容量，吼,，,气;,、,。、,。 ,(,辅机耗电模型 也可根据辅机的实际使用情况确定。尽管潜艇在不同的工 【,,杨叔子。等(机械工程控箭基础,,】(武汉;华中科技大学出 版社(,?,—,(,,】,,,,,，,,,,,,,, ——————————————————————————————————————————————— ,,,,,,,,,,,,,, ,,,,,,,,,,(,,,,,,,,, ,作者简介, 刘春辉(,,,,一)，男(汉族)，山东东营人。硕士研 究生，研究方向为汽车安全。 ,,,,,,鸭,,,,,,,,,, ,,,,, ,,,, ;,,,,,,,,,如,,,,;,,,,,,,,,,,,,, 王增才(,,,,一)，男(汉族)(山东滨州人，教授，博士生导师。主要从事车辆液压与液力传动控制的研究。 ,,,,,,,,(,,,,,,,,,,,,,,(,,,,( 【,】施阳(等(,,,,,,语言精要及动态仿真工具,，,,,，,,,,】( 西安:西北工业大学出版社(,,,,—,( ,,,舒进(四轮转向车辆运动仿真分析,,,(汽车技，,,,,,,,,,—,( (上接, 结果经与实测值比较，能较好地吻合，表明仿真模型满足工 制，而且当采用适当的实时仿真算法，可将其应用于半实物仿真系统中，对诸于“仿真训练模拟器”一类的实时性系统有着重要的参——————————————————————————————————————————————— 考价值。 程精度要求。根据不同航行工况下的综合仿真研究，可以为实现潜艇最优化航行工作制提供科学、合理的理论依据。 蟹,充电肮行工况螺旋桨阻力矩随转速的变化 圈,水下航行工况蓄电池电压髓时闻的变化 参考文献: ,,,程新安，王天明(舰船装备建模与仿真发展趋势研究,,,(舰 船科学技术(,,,,(,,(,):,,—,,( ,,,曾凡明，等(武汉理工大学学报,,,(,,,,。,,(,):,,—,,(,,,朱亚莉，等(舰船推进装置仿真技术的发展,,】(造船技术( ,,,,(,:,,—,, 【,,,,,,,,,,,，,,,,,,,,(,,,,,,,,,,,,,,,, ,,,,,,,,,,?,,,【】崦 ,,,,,,,,,,,,;,,,,,,, ,,,,,;,,,,,,,,(,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,( ,,,,，(,):,,—,,( 【,】翁史烈(船舶动力装置仿真技术,,】(上海:上海交通大学出 ——————————————————————————————————————————————— 版社，,,,,(,,—,,( 圈,充电靛行工况电机扭矩髓时问的变化 【作者简介】 胡锦晖(,,,,,,，男(汉族)(湖北人，博士研究生， 主要研究方向为舰船动力装置自动控制与计算机 仿真。 ,结论 电力推进装置是潜艇动力系统中重要的组成部分，本文 通过建立其典型系统的数学模型，提出了某些未知模型参数的间接求取方法，并针对潜艇水下航行与充电航行工况进行了仿真研究。仿真结果表明所建立的模型很好地满足了精 度需求，具有一定的合理性与通用性。该仿真研究不仅可针 仿真。 胡大斌(,,,,一)，男(汉族)，湖北人，博士，教授。主要研究方向为舰船动力装置自动控制与计算机 徐国印(,,,,一)，男(汉族)。辽宁人，硕士研究生。主要研究方向为舰船动力装置自动控制与计算机仿真。 对潜艇电力推进系统迸行动稳态性能分析，优化航行工作 (?———,,,??—— 万方数据 作者: 作者单位: ——————————————————————————————————————————————— 刊名: 英文刊名: 年，卷(期):胡锦晖， 胡大斌， 徐国印， HU Jin-hui， HU Da-bin， XU Guo-yin海军工程大学,船舶与动力工程学院,湖北,武汉,430033计算机仿真COMPUTER SIMULATION2008,25(8) 参考文献(5条) 1.程新安;王天明 舰船装备建模与仿真发展趋势研究[期刊论文]-舰船科学技术 2002(02) 2.曾凡明 舰船推进装置性能仿真在设计中的应用研究[期刊论文]-武汉理工大学学报 2004(09) 3.朱亚莉 舰船推进装置仿真技术的发展[期刊论文]-造船技术 2001(05) 4.J J Neilson;R M Tarbet Propulsion System Simulation:Making the Right Choice for the Application1997(09) 5.翁史烈 船舶动力装置仿真技术 2000 本文读者也读过(10条) 1. 石艳.郭国才.梅端经 潜艇电力推进技术的发展[会议论文]-1999 2. 郝琇 舰船电力推进[期刊论文]-船电技术2001,21(5) 3. 尹斌传.姜乙初.王竞 一种新型高效电力推进系统研究[会议论文]-1998 4. 许亦峰.张荣昌.XU Yi-feng.ZHANG Rong-chang 常规潜艇水下电——————————————————————————————————————————————— 量消耗建模与仿真[期刊论文]-青岛大学学报(自然科学版)2008,21(2) 5. 沈建清.于飞.吴强 潜艇交流电力推进中的变频技术[期刊论文]-海军工程大学学报2001,13(6) 6. 潜艇永磁发电机[期刊论文]-船电技术2001,21(2) 7. 朱运裕.冀路明 常规潜艇电力推进系统控制 方案 气瓶 现场处置方案 .pdf气瓶 现场处置方案 .doc见习基地管理方案.doc关于群访事件的化解方案建筑工地扬尘治理专项方案下载 的研究[期刊论文]-船电技术2001,21(2) 8. 董秀臣.刘春林.李四光.童才明 动力装置仿真技术研究[会议论文]-2001 9. 桂长清 电力推进系统与动力电池[期刊论文]-船电技术2002,22(3) 10. 易斌 潜艇的推进控制及仿真研究[学位论文]2006 ———————————————————————————————————————————————