船舶推进装置及其控制系统的半物理仿真研究与实现

摘要

航运业作为海洋经济的重要组成部分，其发展离不开对船员综合素质、知识技能等的培养。而轮机模拟器由于其经济、高效等优点，在船员培训比如船上专业知识学习或对突发事故的处理能力等方面都有着无可比拟的优势，对船舶航行安全以及船员自身安全都有着重要意义。
　　传统的轮机模拟器的数据传输方式只是将模拟器所产生数据直接传输给接口，是简单的数据到数据的传输方式，而实船所产生的真实物理信号如温度、压力等，是通过传感器转换为电信号，再通过采集系统对其进行采集与传输，从而完成后续的控制及监测工作，本文为使系统与船舶实际工作环境更加吻合，在传统模拟器的基础上加入了实物环节。论文首先确定了系统的整体设计方案，即在二冲程船舶柴油机MAN B&W6S35MC的理论基础和实际航行数据上，对船舶推进装置及其控制系统进行半物理仿真。首先是数学仿真方案的选取，通过实船航行数据、经验公式以及热力学方程等选取最佳仿真模型参数，设计并添加故障仿真部分，然后选择出适合本文环境的数据传输方式，将数学仿真结果传输给数据采集模块，并通过信号的回显验证半物理仿真模型的有效性，最终完成整体环境的搭建。
　　确定好总体设计方案以后，对各模块逐一完成设计与实现。包括利用准稳态法对柴油机进行仿真，在稳态下利用容积法对柴油机缸内过程进行仿真，以及推进装置控制系统的仿真等。故障仿真部分对几种最常见的柴油机系统故障进行仿真，包括主机应急控制电源故障报警、喷油定时过早和喷油定时过迟等，从而验证仿真模型的有效性。数据传输方式上，模型计算机利用CAN(Controller Area Network)完成向下位机的数据传输，下位机将接收到的信号转化为机舱传感器常用的0～5V直流电压、4～20mA直流电流信号和开关量信号等，并利用船舶常用的基于CANopen的数据采集系统对传感器信号进行采集。论文最终验证了系统功能可以满足船舶推进装置及其控制系统的半物理仿真要求。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 课题研究的背景及意义

1．2 国内外研究现状及发展趋势

1．2．1 半物理仿真技术

1．2．2 船舶推进装置及其控制系统的数学建模方法及研究现状

1．2．3 船舶推进装置及其控制系统的半物理仿真研究现状

1．3 论文章节安排

1．4 论文主要工作

第2章 系统的总体结构与方案设计

2．2 系统的总体结构设计

2．3 计算机建模方法的选取

2．4 实物仿真设备的选择

2．4．3 通信方式的选择

2．5 本文主要研究目标

2．6 本章小结

第3章 船舶推进装置及其控制系统的数学模型

3．1 柴油机的数学模型

3．1．1 柴油机的准稳态建模过程

3．1．2 柴油机缸内的容积法建模

3．2 调距螺旋桨推进装置的仿真

3．3 船舶推进装置控制系统的仿真

3．4 本章小结

第4章 船舶推进装置及其控制系统的半物理仿真设计

4．1 推进装置及其控制系统的软件设计与实现

4．2 缸内过程的软件设计与实现

4．3 故障仿真过程的软件设计与实现

4．4 界面设计与实现

4．5 模型的数据传输软件设计

4．6 系统整体的搭建

4．7 本章小结

第5章 系统测试

5．1．1 稳态工况下的仿真测试

5．1．2 动态工况下的仿真测试

5．2 电压模块的测试

5．3 电流模块的测试

5．4 开关量模块的测试

5．5 应用测试

5．6 本章小结

第6章 总结与展望

参考文献

致谢

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