柴电-燃联合动力装置工作特性及控制策略仿真研究

摘要

柴电-燃联合动力装置（CODLAG装置）是一种综合了机械推进与电力推进优点的联合动力装置。在低工况下使用推进电动机直接驱动螺旋桨，以获得较低的噪音水平和较高的经济性;在中高工况下使用燃气轮机与电动机共同推进以获得较高的航速。目前这种性能优异的推进形式已经被越来越多的下一代水面舰船考虑应用，但是国内对于这种推进形式的研究还少之又少。因此，对这种推进方式的稳态、动态特性和控制策略进行细致的研究是十分必要的。另一方面，针对CODLAG这种复杂的联合动力装置，通过建立精准的仿真模型对其性能进行仿真研究，可以极大的提高开发效率、减少经费支出。而集成仿真方法以其可以集成多学科多维度仿真模型的特点，尤其适用于COALAG这种复杂的系统仿真活动。鉴于上述情况，本文围绕CODLAG装置的工作特性及控制策略开展了以下研究工作:
　　(1)开展CODLAG装置部件数学模型的建立工作。根据各个部件的热力学方程、运动方程、相关的经验公式和算法等建立了燃气轮机、柴油机、电动机、发电机、中继式SSS离合器、分车齿轮箱、轴系和螺旋桨的数学模型。
　　(2)开展CODLAG装置集成仿真平台的研究工作。首先，鉴于CODLAG装置各部件的仿真需求、各个仿真环境擅长的领域和现有的模型资源，选择了MATLAB/SIMULINK环境作为原动机、控制系统的仿真环境并开发了其相应的仿真模型;选择了C/C++环境作为后传动系统的仿真环境并开发了其相应的仿真模型。在此基础上形成了以系统-仿真环境-类-部件结构为框架的仿真模型库。其次，考虑到环境之间的通讯需求，基于文本通讯的方式设计了MATLAB/SIMULINK与C/C++环境之间的通讯逻辑。并在各自的仿真环境中开发了通讯接口模型，在模型与接口的基础上形成了一套完整的CODLAG装置的集成仿真模型。最后进行了用户图形界面的开发工作。
　　(3)开展CODLAG装置稳态特性的研究工作。基于上述的集成仿真平台，研究了推进系统船、机、桨的稳态匹配和不同推进模式下的推进图谱，并且以经济性为目标，对各个工况的船机桨匹配进行优化，确定其最佳经济运行线和最大航速。
　　(4)开展CODLAG装置动态特性及其控制策略的研究工作。根据CODLAG装置的推进模式，首先进行了单机推进模式下的控制策略的制定和动态特性的研究。其次，根据CODLAG装置的特点及常见的并车控制策略，选取了改进的单调速器法作为CODLAG装置的并车控制策略。即对燃机和电机都采取转速-扭矩双闭环的控制策略。在该控制策略的基础上，进行了燃电并车推进、并车、解列和燃电切换等典型工况下动态特性的仿真研究。得出了在各个工况下原动机、后传动系统的参数变化情况。
　　(5)开展CODLAG装置控制策略优化的研究工作。首先，选取并车、解列的负荷分配过程中，主传动轴转速的动态特性为优化目标。其次，根据优化需求，选取了遗传算法作为优化算法并设计了优化方案。最后对优化结果进行了比较分析。

目录

声明

摘要

第1章绪论

1．1研究背景及意义

1．2国内外研究现状

1．2．1柴电-燃联合动力装置的应用现状

1．2．2柴电-燃联合动力装置控制策略研究现状

1．2．3仿真技术的发展及其在船舶动力装置研究中的应用现状

1．3本文主要内容

第2章柴电-燃联合动力装置部件的数学模型

2．1 CODLAG装置的物理模型及推进模式简介

2．2原动机的数学模型

2．2．1 燃气轮机的数学模型

2．2．2柴油机的数学模型

2．2．3推进电机的数学模型

2．2．4发电机的数学模型

2．3．1 SSS离合器模型

2．3．2分车齿轮箱模型

2．3．3轴系模型

2．3．4螺旋桨模型

2．4 PID调速器的数学模型

2．5 本章小结

第3章柴电-燃联合动力装置集成仿真平台开发

3．1．1集成仿真仿真环境的选择

3．1．2集成仿真平台的总体结构

3．2模块化仿真模型库研究

3．2．1 基于MATLAB／SIMULINK的仿真模型开发

3．2．2基于C／C++平台的仿真模型开发

3．3通讯接口技术研究

3．3．1通讯方式的选择与设计

3．3．2 SIMULINK环境下通讯接口的实现

3．3．3 C／C++语言环境下通讯接口的实现

3．4系统仿真模型

3．5图形用户界面开发

3．6本章小结

第4章柴电-燃联合动力装置的稳态特性仿真研究

4．2柴电-燃联合动力装置在不同推进模式下的稳态仿真

4．2．1 电机单独推进模式的稳态仿真

4．2．2燃电共同推进模式的稳态仿真

4．2．3燃机单独推进模式的稳态仿真

4．3 以经济性为目标的船机桨的优化匹配

4．3．1 电机单独推进模式优化匹配

4．3．2燃电并车推进模式优化匹配

4．3．3燃机单独推进模式优化匹配

4．4本章小结

第5章柴电-燃联合动力装置的动态特性仿真研究

5．1．1电机单独推进模式

5．1．2燃机单独推进模式

5．2燃电并车推进及模式切换过程动态特性的仿真分析

5．2．1并车控制策略研究

5．2．2动态特性研究及控制策略的仿真验证

5．3 本章小结

第6章基于遗传算法的控制参数优化研究

6．1优化方案设计

6．2优化结果与分析

6．2．1燃电并车过程优化结果与分析

6．2．2燃电解列过程优化结果与分析

6．3 本章小结

结论

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文和取得的科研成果

致谢