潛艇動力系統能量使用及建模方法研究*

周建文 孫俊忠 周智勇

(1.海軍潛艇學院研究生隊 青島 266042)(2.海軍潛艇學院動力操縱系 青島 266042)

潛艇動力系統能量使用及建模方法研究*

周建文1孫俊忠2周智勇2

(1.海軍潛艇學院研究生隊 青島 266042)(2.海軍潛艇學院動力操縱系 青島 266042)

為發揮好動力系統為戰術服務的目的,根據潛艇動力系統的特性,對潛艇能量使用情況進行分析,按照能量使用的過程和工況特性對潛艇動力系統建模方法進行研究,指出了不同建模方法的優劣性,為建立準確的數學模型提供依據。

動力系統; 蓄電池; 推進系統; 輔機

Class Number TP391.41

1 引言

常規動力潛艇為了保持隱蔽性,在執行航行、作戰任務時,為了減少暴露率,必須減少充電次數和合理地選擇充電時機、充電時間;另外在滿足戰術條件下,可以選擇最優的動力系統使用方案,達到合理利用能量的目的。基于現狀,對潛艇動力系統能量合理、有效地分析和使用是亟待解決的問題,必須選擇合理的建模方法建立準確的能量使用模型對動力系統進行定量的分析。

2 動力系統能量使用分析

蓄電池和發電機是常規潛艇最重要的電源裝置,它是所有機械的動力源泉;推進電機是電量消耗最大的裝置,它帶動傳動軸的旋轉產生力矩,使螺旋槳轉動,從而使潛艇運動;照明、導航、武備、通信等輔助設備是電量消耗較少的裝置,是潛艇航行和作戰的平臺。

1) 柴發機組——蓄電池的能量使用

此過程是化學能——機械能——電能——化學能的能量傳遞過程,柴油機消耗燃油帶動發電機轉子轉動,發電機轉子的旋轉在勵磁電流的作用下切割定子線圈產生電流,向蓄電池充電,蓄電池以化學反應的形式儲存化學能,同時使電解液濃度不斷上升。

2) 蓄電池——推進電機的能量使用

此過程是化學能——電能——機械能的能量傳遞過程,蓄電池內部物質的化學反應產生電流,帶動推進電機轉動,推進電機的轉動帶動傳動軸轉動將機械能傳遞給螺旋槳,從而使潛艇動作。

3) 蓄電池——輔機的能量使用

此過程是化學能——電能——其他形式能量的過程,蓄電池內部物質的化學反應產生電流,通過配電網絡供給輔助設備。

從上述可知能量使用的過程是能量轉換和再分配的過程,在這個過程中由于載體自身的特性、傳輸過程中的損耗等因素的影響,在不同的工況下差別很大;特別是蓄電池組,由于放電電流隨戰術的需要變化較快,不同的放電電流對蓄電池放電電量的影響很大,能量的傳遞是非線性的。

3 動力系統建模方法研究

根據能量使用的過程、能量消耗的大小和工況特性,把動力系統分為柴發機組模塊、蓄電池模塊、推進系統模塊、輔機模塊。這四部分的劃分,一方面突出了動力系統作戰使用的主要裝備,如蓄電池、柴發機組和推進系統,能較為準確地分析清楚設備的運行狀況,便于進行重點研究;另一方面將服務于主要裝備的各類輔機負載,如空調、通風機、各種泵等,統一歸納為輔機負載模型,有利于充分研究輔機的使用對潛艇續航力、暴露率的影響。

3.1 柴發機組模型

柴發機組主要用于潛艇水面狀態、通氣管狀態和停靠碼頭時向推進電機及其它用電設備供電,向蓄電池組浮充電或充電。模型的建立主要是為柴發機組航行充電工況服務的,研究柴發系統功率、耗油量與效率之間的關系,結合蓄電池充電電流的大小,就能較準確地得出蓄電池的充電時間。首先把柴發機組分為柴油機和發電機兩大系統,然后分別建立柴油機模型和發電機的模型[1]。

3.1.1 基于能量公式的模型

1) 柴油機模型:通過研究柴油機的缸內傳熱過程和機械運動過程以及能量轉換關系,分別建立工程熱力學過程和機械運動過程的數學模型,然后再綜合建立柴油機的模型。把柴油機分為缸內過程、進排氣、渦輪增壓器、消聲冷卻器等幾部分,列出了傳熱方程、放電率方程、容積變化方程、進氣閥口流量方程、質量守恒方程、氣體狀態方程、排氣壓力變化方程、渦輪特性方程。

2) 發電機模型:利用發電機效率曲線,通過發電機效率和輸出功率的關系式建立發電機的數學模型。

3) 柴發機組模型:對柴油機和發電機列出的各方程式進行合并,求出耗油率與輸出功率的關系。

優點:柴油機模型各子模型分塊比較合理,基本上完整地反映了柴油機的內部工作過程;發電機模型利用經驗公式回歸的方法,簡便易于操作。

缺點:柴油機模型過于復雜,公式中許多參數難以獲得,可操作性較差,不適合作戰使用研究;發電機模型所用經驗公式沒有嚴格的數學證明或實驗數據驗證,因而缺乏可靠性;所建模型的健壯性較差,容易受到外界干擾因素的影響。

3.1.2 基于作戰使用的潛艇動力系統柴發機組模型

1) 柴油機數學模型為

l=c/v+d

(1)

其中c、d為常系數,v為柴油機輸出功率,l為柴油機耗油率。式(1)是根據柴油機的輸出功率和耗油率的數據,采用擬合的方法得出的。

2) 發電機數學模型為

f=mv

(2)

其中,f為發電機輸出功率,m為發電機效率(常數),v為柴油機輸出功率(等于發電機輸入功率)。式(2)是利用發電機的效率曲線通過數據回歸的方法獲得。

3) 聯合式(1)、式(2)即得柴發機組數學模型:

l=mc/f+d

(3)

其中c、d為常系數,這樣就建立了耗油率與發電機輸出功率的關系。

此模型公式比較簡單,實用性較強,經過數據驗證準確度較高。

3.2 蓄電池模型

電池模型建立的方法有很多,主要分為兩種:電化學模型和電特性模型。前者主要用于鉛酸蓄電池的制造、管理和維護,并不注重體現鉛酸蓄電池的充放電特性;后者主要用于仿真鉛酸蓄電池的充放電過程。另外還有基于V_R模型與卡爾曼濾波器的研究,基于灰色理論的研究,但大都不實用。下面主要介紹三種模型建立方法:電化學模型、等效電路模型和神經網絡模型。

3.2.1 電化學模型

根據電化學理論和實驗數據進行擬合分析,得出一些經驗公式,再根據這些經驗公式的推導和分析,預測蓄電池的剩余容量,從而形成電化學經驗公式模型。電化學經驗公式主要包括Peukert經驗公式、Shepherd方程、Shepherd改進方程等。

3.2.2 等效電路模型[2]

由于蓄電池充放電過程與電容充放電過程的外在表現相近,兩者隨時間變化的電壓曲線比較相似,目前國內外流行的建模方法是搭建一個由若干電容和阻抗組成的等效電路,再在等效電路的基礎上精心設計充放電實驗,通過實驗數據確定電容和阻抗隨時間變化的函數,具有代表性的模型有以下幾種:

1) “RC模型”(電阻—電容模型),該模型在建模的過程中考慮了電池的瞬時影響;

2) “UltrapCap模型”(超級電容模型),這是一種碳基結構的超級電容模型(雙層電容、電化學電容)。相對于電池而言,該模型在很多方面相對簡單,但它的電容并非電學電容,而是一種電化學電容,故在能量存儲和釋放方面與普通電容相比有著本質的不同;

3) “Rint模型”(內阻模型)。該模型最初是在美國國家工程實驗室的工作基礎上建立的,它以電池電壓源和內阻為特征變量。

以上的建模方法過于簡單,模型建立時沒有考慮電解液溫度以及蓄電池放電歷史對電壓輸出的影響,使得仿真結果的精度不高。

3.2.3 神經網絡模型

采神經網絡建立的蓄電池數學模型輸入設為電流和功率,輸出為耗電量(單位為度),這種方式符合潛艇估算蓄電池電量的習慣。以圖1徑向基函數網絡圖為例,它是一種兩層前向型神經網絡,包含一個具有徑向基函數神經元的隱層和一個具有線性神經元的輸出層[3]。

圖1 神經網絡模型

基于神經網絡的建模的方法應用比較廣泛,是一種比較成熟的方法,其關鍵是選擇合理的網絡結構、優化算法以及大量合理的實驗數據[4]。

用此方法對蓄電池進行建模,經實驗可以達到的誤差在3%以內,精度滿足一般要求,且算法收斂較快,但在小電流段內與大電流段內均表現出仿真值低于實測值;徑向基網絡在同樣數據條件下的精度約為2%,精度更高,但其算法收斂慢[5]。

3.3 推進系統模型

主推電機模型研究各種工況下主機的轉速、航速、電流、功率與效率之間的關系,它反映了艇、機、槳的配合程度。主推電機模型看似簡單,但其實際上與海流、艇況等因素密切相關。

主要研究推進電機在不同輸入電流情況下的耗電情況,推進系統模型即為推進系統耗電模型。

采用能量公式方法的建模,其步驟如下:

1) 列出主控板至推進電機(單電樞)情況下的功率損耗方程,分別是電樞繞組損耗方程、勵磁銅耗方程、換向器與電刷的接觸損耗方程、勵磁調節器損耗方程、經航調節器損耗方程、鐵耗方程、機械損耗方程、通風機損耗方程、其余損耗方程。

2) 根據調速方式的不同分為主航工況和經航工況。分別列出電壓平衡方程、功率平衡方程、感應電動勢方程、勵磁關系方程。并采用迭代法求出電樞電流Ia和勵磁電流Il。

3) 在主航工況下:把求出的電樞電流Ia和勵磁電流Il帶入功率損耗公式,求出勵磁調節器電流IL及通風機電流If,得出蓄電池向推進電機提供的總電流IT=Ia+IL+If;經航工況下一般不啟動通風機,同理得出蓄電池向推進電機提供的總電流IT=Ia+IL。

這樣就建立了推進電機輸入總電流與轉速的模型,根據轉速的變化得出推進電機輸入電流,這個工作電流是蓄電池放電電流的一部分,有利于與動力系統其它模型匹配。

3.4 輔機模型

潛艇有上百臺輔機,有些功率消耗很小;有些使用頻率很低;有些功率雖小,但使用頻繁、累積電量消耗較大;有些功率消耗大,使用時機隨潛艇部署和季節環境變化。如要建立數學模型,考慮的隨機因素比較多,沒有規律可循。大多采用數理統計和曲線擬合的方法建立輔機的數學模型。

1) 輔機耗電按額定的35%計算。

2) 根據各種輔機的特點和潛艇上的實際情況,將輔機的消耗功率做如下分類:

· 管制用電:只允許一類輔機運行,輔機嚴格限制。

· 節約用電:只允許一、二類輔機運行,空調不開。

· 正常用電:一、二、三類輔機全部正常允許,包括空調。

· 平均用電:三類負載加權平均:(1)10%的時間潛艇處于管制用電,即除必須開的輔機外,其余全部停;(2)45%的時間潛艇處于節約用電狀態,不包括空調;(3)另外的45%時間,正常使用全部輔機,包括空調等。

3) 由于空調和通風機是輔機中主要的耗電設備,把潛艇水下航行時輔機用電設備的工作情況分為四種情況:空調和通風機均使用時、不使用空調時、不使用通風機時、空調和通風機均不使用時,然后根據統計數據,用平均使用時間乘以其功率。

以上根據經驗分析、敵情情況、功率大小情況給出了不同的模型建立方法,在實際的使用中可根據情況選擇。

3.5 各分系統模型的匹配及相互關系

潛艇在通氣管充電航行時,柴發機組向蓄電池充電,并提供給推進電機和輔機電量,柴發機組的電流近似等于蓄電池充電電流、推進電機和輔機工作電流之和。在水下航行時,推進電機和輔機所消耗的電量則完全由蓄電池提供,蓄電池處于放電狀態,蓄電池的放電電流近似等于推進電機電流和輔機用電設備工作電流之和。由它們之間電流的關系,可以把各分系統模型聯系起來,從而建立了常規潛艇動力系統模型。

4 結語

本文主要對建立潛艇動力系統模型的方法進行研究,在實際的應用中需要參照大量的實驗數據進行數學建模,并根據不同工況來合理的組合運用模型以達到戰術使用的目的。

[1] 許建.常規潛艇動力系統建模與仿真[J].華中理工大學學報,1998(12):13-15.

[2] 馬守軍,莊亞平,陳新傳.潛艇蓄電池建模策略分析[J].船電技術,2004(4):23.

[3] 王斯成.蓄電池剩余電量(SOC)數學模型探討[J].太陽能學報,2005(2):19-20.

[4] 趙興福.電動汽車蓄電池的建模與仿真[J].武漢理工大學學報,2004(2):33-35.

[5] 周開利,康耀紅.神經網絡模型及其MATLAB仿真程序設計[M].北京:清華大學出版社,2005.

[6] 路紅山,許建,張京偉,等.潛艇動力系統任務維修性建模[J].中國艦船研究,2008(4).

[7] 許建.潛艇蓄電池放電過程的仿真研究[J].電源技術,1998(2).

[8] 周智勇,孫俊忠,龔文超.潛艇航渡過程的動力系統輔助決策研究[J].指揮控制與仿真,2013(2).[9] 許建,陳國華,朱英富.柴電潛艇混合航行工作制仿真研究[J].華中理工大學學報,1998(7).

[10] 唐劍飛,桂永勝.常規潛艇動力系統的信息化平臺[J].中國艦船研究,2006(3).

Energe Usage and Modeling Method of Submarine Power System

ZHOU Jianwen1SUN Junzhong2ZHOU Zhiyong2

(1. Postgraduate Department, Navy Submarine Academy, Qingdao 266042) (2. Power-operate Control Department, Navy Submarine Academy, Qingdao 266042)

In order to make power system play a good service for tactics, according to the characteristics of submarine power system, the research of submarine power system modeling method is taken and the strengths and weaknesses of different modeling methods are pointed out to provide the basis for establishing accurate mathematical model.

power system, battery, propulsion system, auxiliary machinery

2014年6月3日,

2014年7月25日

周建文,男,碩士研究生,研究方向:艦船裝備學。孫俊忠,男,博士后,教授,研究方向:船舶動力系統及仿真。周智勇,男,碩士,副教授,研究方向:船舶動力系統及仿真。

TP391.41

10.3969/j.issn1672-9730.2014.12.023