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33基于SIMULINK的气垫船垫升推进控制系统仿真精
2005年2月船 舶February,2005
第1期SHIP&BOATNO.1
[研究与设计]
基于SIMULINK的气垫船垫升推进控制系统仿真
刘春光 马 涛
(708研究所 上海 200011
[关键词]气垫船;垫升推进;仿真;SIMULINK
[摘 要]气垫船垫升推进系统是一个复杂的非线性系统。
在气垫船的航行过程中,应严格控制动力涡轮转速,这对它的垫升稳定性非常重要。
本文应用SIMULINK仿真平台对该系统进行建模,并对其采用了复合控制。
针对螺旋桨螺距角的变化,给出了该系统的动态仿真结果。
[中图分类号]U674.943 [文献标识码]A [文章编号]1001-9855(200501-0022-03
Air-cushionvehicle'spropulsioncontrolsystem
simulationbasedonSIMULINK
LiuChunguang MaTao
Keywords:
air-cushionvehicle;lift/propulsion;simulation;SIMULINK
Abstract:
Theair-cushionvehicle'slift/propulsionsystemisacomplicatedandnon-linearsystem.Duringtheair-cushionvehiclenavigation,itisveryimportanttostrictlycontroltherateofrotationofturbineto
keepitsliftstability.ThispapermakesmodelingwithSIMULINKsimulationplatformandadoptsinte-gratedcontrol.Itgivesoutthedynamicsimulationresultaccordingtopropellerpitchanglevariation.
2 垫升推进系统的数学模型
1 前 言
气垫船是现代的一种高性能船舶,它的航速高,并且具有良好的两栖性,因此它对各个系统的要求都比较高。
气垫船的动力系统与常规船相比,它增加了为气垫引气用的垫升风机,而使整个动力系统更加复杂。
气垫船为了保持航行中的垫升稳定性,必须保持垫升风机转速恒定,即要求燃气轮机动力涡轮的输出转速不变。
文中的数学模型的垫升系统和推进系统共用同一发动机。
在气垫船的航行过程中,螺距角经常发生变化,这就造成该系统扭矩平衡关系被破坏,继而会使动力涡轮转速发生改变。
为保持转速恒定,可控制燃气轮机的燃油量来调整燃气轮机的状态,这是该控制系统的基本原理。
型。
模型中各变量定义如下:
图1
该船左右舷各采用三台燃气轮机并车,通过主减速齿轮箱驱动一台垫升风机,再通过推进减速齿轮箱驱动一台变距螺旋桨。
其中一舷的简图如图
1:
因为两侧系统相同,这里只建立一侧的数学模
[收稿日期]2004-11-10
[作者简介]刘春光(1980.1-,男,汉族,山东潍坊人,在读硕士研究生,从事船舶总体设计研究工作。
马 涛(1944.9-,男,研究员,从事船舶总体设计研究工作。
基于SIMULINK的气垫船垫升推进控制系统仿真
N1n:
每个燃油调节器的转速N2:
动力涡轮转速
N2OPTn:
每个N1n对应的最佳动力涡轮转速SHPOPTn:
最佳动力涡轮转速下的功率SHPn:
涡轮产生的实际功率ETOPn:
涡轮产生的扭矩
TETOR:
一舷的涡轮的总扭矩NFAN:
风扇转速NPROP:
螺旋桨的转速HPFAN:
风扇吸收的功率PFAN:
风扇压力QFAN:
风扇流量NETAF:
风扇效率
:
螺旋桨的螺距角
Vx:
螺旋桨的轴向相对风速度TPROP:
螺旋桨推力
HPPROP:
螺旋桨吸收的功率FTOP:
风扇的扭矩
DN2DT:
动力涡轮的轴加速度
ISYS=3533:
轴转动惯量
k1=0.1297:
主减速齿轮箱减速比k2=0.6247:
推进减速齿轮箱减速比
上述n=1~3,表示一舷的3台燃气轮机2.1 燃气轮机的数学模型
N2OPTn=11672-1.90457×N1n+1.21488×10×N1n
SHPOPTn=14684-2.3976×N1n+9.796×10×N1n
SHPn=SHPOPTn×[0.1
+1.8×(N2/N2OPTn-0.9×(N2/N2OPTn2]
ETORn=33000×SHPn/(2×N2
3
-5
2
-4
2
如果<0, C1=50×(Vx/127.5×(10-
PTOR=33000×HPROP/(2×N2(112.4 轴模型
由燃气轮机产生的扭矩与风扇、螺旋桨吸收的扭矩之差产生了轴加速度:
DN2DT=(TETOR-FTOR-PTOR/ISYS
(12
此时轴的转速变为:
N2+
DN2DTdt∫
3 系统仿真模型
3.1 控制系统的研究
气垫船在某一垫态航行时必须对燃气轮机的转速进行精确的控制,而且由于要求其在发生变化时能迅速地消除误差,因此要在系统中加入一条开环控制通路,即前馈控制。
但是开环控制的精度低,还要加入反馈控制。
反馈控制可用PID控制器,前馈控制函数要进行求解得出。
其中垫升推进系统的一个输入量为燃油调节器转速N1,实际控制可使3个燃油调节器采用同一个控制器,因此转速相同,即N1n=N1,n=1~3。
由于总的控制信号较大,又串联一放大器。
实际的燃油调节器转速N1有超速保护,因此在其前加入饱和环节模块来模拟。
此处螺距角、风速可看作干扰量,前馈控制的作用是消除干扰量对系统的影响。
因此只需“螺距角和相对风速—前馈控制函数—垫升推进系统—输出”和“螺距角—垫升推进系统—输出”这两通路对输出的合影响为0。
对该系统来说,即为轴加速度为0。
即联立方程(1~(12,其中(12左边为零求解方程组,因该方程组复杂,无法求得解析解,只能求数值解来确定与N1的关系。
本文应用MATLAB编写了程序来求解。
3.2 基于SIMULINK的仿真模型的建立
依据上面所述,可建立SIMULINK仿真平台下的模型,如图2所示:
积分、微分控制器的参kp、ki、kd分别为比例、
数。
螺距角使用SignalBuilder模块来模拟。
NCDOutport为非线性系统控制设计模块,是一个基于最优化技术进行系统时域设计的实用工具。
用户指定输出的范围并指定要优化的参数,该模块便可以寻找满足此范围的最优值。
这里用来对kp、ki、kd进行寻优。
垫升推进系统为子模块,如图3:
(1(2
(3(4(5(6(7(8
TETOR=
∑ETOR
n=1
n
2.2 风扇模型 NFAN=k1×N2
HPFAN=PFAN×QFAN/(550×NETAF FTOR=33000×HPFAN/(2×N22.3 螺旋桨模型
NPROP=k2×NFAN(9
3
HPROP=(NPROP/1250×(450+23.05
×+2.56×2+C1(10
如果≥0, C1=0;
2005年2月船 舶February,2005
第1期SHIP&BOATNO.1
图
2
此N2下降,到5s时,控制器才对N1产生作用,速
度逐渐回升,直至稳态。
当螺距角从-15°斜坡用10s线性变化到40°并保持40°不变时的系统动态特性如图5所示。
可以看出,动力涡轮转速变化和响应时间都较小。
由图4、图5,可以得出该控制系统对阶跃和斜坡输入均有良好的响应,
满足了该系统的要求。
图3
由于实际上燃油调节器有较大的延迟,这里加入2s的延迟环节;扭矩也有超扭保护,因此同样加入饱和环节模块。
各个扭矩函数用S-函数编写。
3.3 系统动态特性仿真
经过对阶跃和斜坡输入应用NCDOutput模块寻优,得到了最优控制器参数kp=19.245,ki=4.712,kd=15.865。
使用SignalGenerator模块将螺距角从-15°在3s时阶跃到40°,这时的系统动态特性如图4所示
:
图5
4 结束语
本文讨论了基于SIMULINK仿真平台的气垫
船垫升推进控制系统的仿真,使用该系统的数学模型,选择了合适的控制器,并且对控制器参数进行了寻优,得出了满意的系统动态特性曲线。
根据系统的数学模型,在SIMULINK下进行系统仿真,既迅速又准确,对气垫船系统特性的研究具有参考价值。
[参考文献]
[1] AD-A015699.MathematicalModelofanAirCushionVehicle[M].1975[2] 薛定宇、陈阳泉.基于MATLAB/Simulink的系统仿
真技术与应用[M].清华大学出版社.2002[3] 徐薇莉、曹柱中、田作华.自动控制理论与设计(新世
纪版[M].上海交通大学出版社.2001
[4] 绪方胜彦.现代控制工程[M].科学出版社.1981
图4
由于存在2s的延迟环节,所以当螺距角在3s处发生阶跃时,控制器并未及时对系统发生作用,因
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