基于SimuEngine的船艇主機仿真

張 錦，聶 偉，沈 軍

(鎮江船艇學院動力指揮系，江蘇鎮江212003)

船艇主推進裝置是一個復雜系統，分析、研究其穩態和動態特性，對其維護、管理和故障診斷，對機電管理具有重要的意義。長期以來，船艇部隊一直依賴實船完成機艙裝備的培訓和訓練，培訓手段單一、周期長、效率低、成本高，且訓練質量得不到保證，某些重點課目甚至無法進行訓練，導致船艇效能難以發揮，制約了船艇部隊戰斗力的提升。

通過建模技術建立船艇主推進裝置的數學模型，并通過計算機仿真技術來實現用于仿真訓練的機電模擬器，一直是航海類院校和科研院所的重點研究內容。建立能夠反映船艇主機及系統特性的仿真模型，具有重要的科學意義和經濟效益。通過模擬器的仿真操作和訓練，可使學員快速掌握真實對象的組成、工作原理和工作特性，并能準確地對其進行故障診斷，而不必像實裝訓練那樣花費很大的人力、財力和時間［1－3］。此外，仿真系統還可以完成實裝訓練無法做到或十分危險的實驗(如大風浪航行、拉缸、飛車等)。

本文提出一種不犧牲精度又能滿足實時性要求的建模和仿真方法，給出以某型船艇主推進裝置為主要仿真對象的實時仿真模型;建立該型艇主機的仿真模型，并應用于該型艇主機及其系統的模擬訓練裝置。該模擬訓練裝置以陸空軍船艇某主力船型機電系統為仿真對象，建成一個可開展船艇主機及推進系統、船艇電站、船艇輔助機械、機艙集控、主機遙控、機艙綜合管理等課目訓練的模擬系統，可以進行船艇機電專業人員的技能培訓，尤其是完成一些實裝難以實現的訓練，如機艙報警情況下的隨船應急處置等模擬訓練。

1 船艇主機仿真系統支撐環境

仿真支撐環境是以計算機設備為載體，為訓練人員提供一個輸入輸出界面，并通過此界面與數學模型聯系起來［4］。在仿真支撐環境的支持下，計算機和專用物理效應設備的操作信息傳遞給在后臺運行的數學模型，運行結果及時在計算機交互界面和硬件儀表上顯示，系統結構組成框圖如圖1所示。

圖1 船艇主機仿真系統結構組成框圖

主機系統仿真支撐環境選用SimuEngine可視化仿真支撐系統，該系統具有獨立自主知識產權，可采用Fortran語言編寫程序。系統的主窗口集成了數據動態顯示、變量數據庫管理、多任務管理、仿真過程實時控制等功能。SimuEngine系統由數據庫管理系統、模型開發支持系統、模型調試與試驗分析系統、實時運行與多任務調度系統、指導員功能、網絡通信系統、API接口與OPC接口等功能部分組成。

2 仿真模型建立與求解方法

主機系統的數學模型必須適用于各種模擬訓練工況，包括主機的啟動、停止、工況轉換及故障運行等，且主機模擬訓練系統應具有較高的實時性。為了減少過于耗時的計算，在滿足精度前提下，仿真系統中一般采用計算量小的算法并且需要對模型做一些簡化。

主機系統各模塊的結構有其相對的獨立性，各模塊動態性能的描述都采用微分方程形式，而穩態性能一般采用代數方程描述。對于時間常數很小的動態過程，則采用準穩態近似法進行模型簡化。描述連續系統最基本的數學工具是微分方程或狀態空間方程，由這兩類模型可以導出其他模型。把已建立主機系統數學模型轉換成仿真運算模型，但主機系統的數學模型相對復雜，求其解析解是很煩瑣、很困難的，大多數情況求不出解析解，或者根本不存在解析解，因此，必須借助于數值解法對連續系統進行仿真研究［5］。連續系統的數值積分法，就是利用數值積分方法對常微分方程(組)建立離散形式的數學模型——差分方程，并求其數值解。在數字計算機上構造若干個數字積分器，利用這些數字積分器進行積分運算。在數字計算機上構造數字積分器的方法就是數值積分法，而數字機的硬件特點決定了這種積分運算必須是離散和串行的。

對主機系統仿真模型中常微分方程的計算，包括非線性及變系數的常微分方程，主要采用數值方法求解，主要算法包括歐拉積分法(Euler)、龍格－庫塔法(Runge－Kutta)、亞當姆斯法(Adams)等。

3 仿真結果分析與模型驗證

3.1 仿真步長的選擇

在仿真過程中，步長的選擇十分重要。步長太大會增加截斷誤差，步長太小不但增加計算的次數，還會增加誤差，運算一次出現一次誤差，最終導致誤差不斷增大，同時還會增加計算的復雜程度。在一般情況下，步長改變對平穩變化變量的總誤差影響較小，但對變化比較劇烈的變量，步長改變對積分運算所產生的誤差就有很大影響。因此，在確定積分方法之后，選擇積分步長就要考慮變量的變化程度，對變化劇烈的變量應盡可能選擇高階的計算方法，積分步長要選擇較小的。在選擇仿真算法時還要考慮計算速度，有些仿真問題(如實時仿真)對計算速度的要求比較高。計算速度主要取決于每步運算所花費的時間及計算的總次數，而每步的計算量又與所選擇的具體算法、函數的復雜程度、每步積分所要計算函數的次數有關。一般說來，要提高仿真算法的計算速度，就要增加仿真步長，但增加步長又會導致誤差增大，所以，要提高計算速度必須在保證精度的前提下增大步長，以便縮短計算時間［6］。

3.2 仿真研究及模型驗證

本仿真對象主要是船艇柴油發電機系統、推進系統及其控制系統。因此，需要綜合考慮船艇推進系統的不同工況，設定不同的仿真參數，如艇體附水系數、阻力系數等［7］。典型航行工況的仿真計算流程如圖2所示。

圖2 主機系統航行工況仿真計算流程

船艇在穩定航行過程中，推進系統各性能參數是漸進變化的，短時間內可認為系統是穩定的，在對整個航行過程進行仿真時，可認為主機系統是以準穩態的方式工作，仿真計算時將這兩種航行過程分成有序的時間間隔，并逐步遞推得出其在各時間間隔點上的狀態參數。圖3為柴油機啟動過程的動態仿真曲線。圖中參數值已進行無量綱化處理。

圖3 柴油機啟動過程的動態仿真

在船艇航行工況仿真時，柴油發電機組模型將參與仿真運算。圖4為柴油機加速到一定轉速后突加負荷時，柴油機轉速、發電機功率及電流等性能參數的仿真曲線。圖中參數值均已進行無量綱化處理。

圖4 突加負載時機組性能參數的變化

圖5 所示為螺旋槳阻力矩隨轉速變化的曲線，其阻力矩先成拋物線上升，當轉速穩定后，則成一條直線。仿真結果與實測值能較好吻合，其動態仿真過程與實測值較為相符，轉速、輸出轉矩等參數的穩態值與實測值的誤差在5%之內，表明仿真模型滿足系統的精度要求。圖中參數值均已進行無量綱化處理。

圖5 航行工況螺旋槳阻力矩隨轉速的變化

在系統模型中，還包含體現設備自動控制、聯鎖、保護等邏輯數學模型，這些模型是完成主機系統仿真的重要組成部分，因此，需要對其進行驗證。仿真表明，主機系統的聯鎖、保護等控制邏輯與實艇完全一致，控制器功能符合各設備的實際控制規律。

4 結語

以某型艇主機為研究對象，提出了主機建模和仿真方法，建立了主要仿真對象的實時仿真模型，模擬了該型艇主機的工作特性，研究結果已經應用于模擬訓練裝置。

［1］ 吳杰長，龐之洋，梁述海.基于仿真支撐系統和組態軟件平臺的艦船輪機仿真訓練模擬器研究［J］.系統仿真學報，2004，16(3):605-607.

［2］ 鄭華耀.基于網絡化技術的大型集裝箱船舶輪機模擬器［J］.系統仿真學報，2001，13(6):723-725.

［3］ 曹輝，張均東.現代船舶輪機模擬器的應用與發展［J］.航海教育研究，2012(1):33-36.

［4］ 馮國勝，楊紹普.柴油機及其電控系統仿真［J］.系統仿真學報，2005，17(9):2276-2279.

［5］ 黃曼磊，唐嘉亨，郭鎮明.柴油機調速系統的數學模型［J］.哈爾濱工程大學學報，1997，18(6):20-25.

［6］ 薛定宇，陳陽泉.基于Matlab/Simulink的系統仿真技術與應用［M］.北京:清華大學出版社，2002:87-96.

［7］ 鐘欣，肖民.船舶軸帶發電機系統的建模與仿真［J］.華東船舶工業學院學報(自然科學版)，2005，19(4):15-18.