3基于SIMULINK的氣墊船墊升推進(jìn)控制系統(tǒng)仿真精

1、2005年2月船舶February,2005第1期SHIP&BOATNO.1研究與設(shè)計基于SIMULINK的氣墊船墊開推進(jìn)控制系統(tǒng)仿真劉春光馬濤(708研究所上海200011關(guān)鍵詞氣墊船;墊開推進(jìn)；仿真；SIMULINK摘要?dú)鈮|船墊開推進(jìn)系統(tǒng)是一個復(fù)雜的非線性系統(tǒng)。在氣墊船的航行過程中,應(yīng)嚴(yán)格控制動力渦輪轉(zhuǎn)速，這對它的墊升穩(wěn)定性非常重要。本文應(yīng)用SIMULINK仿真平臺對該系統(tǒng)進(jìn)行建模，并對其采用了復(fù)合控制。針對螺旋槳螺距角的變化，給出了該系統(tǒng)的動態(tài)仿真結(jié)果。中圖分類號U674.943文獻(xiàn)標(biāo)識碼A文章編號1001-9855(2005010022-03Air-cushionvehicle

2、'spropulsioncontrolsystemsimulationbasedonSIMULINKLiuChunguangMaTaoKeywords:air-cushionvehicle;lift/propulsion;simulation;SIMULINKAbstract:Theair-cushionvehicle'slift/propulsionsystemisacomplicatedandnonlinearsystem.Duringtheair-cushionvehiclenavigation,itisveryimportanttostrictlycontrolther

3、ateofrotationofturbinetokeepitsliftstability.ThispapermakesmodelingwithSIMULINKsimulationplatformandadoptsinte-gratedcontrol.Itgivesoutthedynamicsimulationresultaccordingtopropellerpitchanglevariation.2墊升推進(jìn)系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型1刖H氣墊船是現(xiàn)代的一種高性能船舶，它的航速高，并且具有良好的兩棲性，因此它對各個系統(tǒng)的要求都比較高。氣墊船的動力系統(tǒng)與常規(guī)船相比，它增加了為氣墊引氣用的墊開風(fēng)機(jī)，而使整個動

4、力系統(tǒng)更加復(fù)雜。氣墊船為了保持航行中的墊升穩(wěn)定性，必須保持墊開風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速恒定，即要求燃?xì)廨啓C(jī)動力渦輪的輸出轉(zhuǎn)速不變。文中的數(shù)學(xué)模型的墊升系統(tǒng)和推進(jìn)系統(tǒng)共用同一發(fā)動機(jī)。在氣墊船的航行過程中，螺距角經(jīng)常發(fā)生變化，這就造成該系統(tǒng)扭矩平衡關(guān)系被破壞，繼而會使動力渦輪轉(zhuǎn)速發(fā)生改變。為保持轉(zhuǎn)速恒定，可控制燃?xì)廨啓C(jī)的燃油量來調(diào)整燃?xì)廨啓C(jī)的狀態(tài)，這是該控制系統(tǒng)的基本原理。型。模型中各變量定義如下：圖1該船左右舷各采用三臺燃?xì)廨啓C(jī)并車，通過主減速齒輪箱驅(qū)動一臺墊開風(fēng)機(jī)，再通過推進(jìn)減速齒輪箱驅(qū)動一臺變距螺旋槳。其中一舷的簡圖如圖1:因為兩側(cè)系統(tǒng)相同，這里只建立一側(cè)的數(shù)學(xué)模收稿日期2004-11-10作者簡介劉春光（

5、1980.1-,男，漢族，山東濰坊人，在讀碩士研究生,從事船舶總體設(shè)計研究工作。馬濤（1944.9-,男，研究員，從事船舶總體設(shè)計研究工作。基于SIMULINK的氣墊船墊開推進(jìn)控制系統(tǒng)仿真N1n:每個燃油調(diào)節(jié)器的轉(zhuǎn)速N2:動力渦輪轉(zhuǎn)速N2OPTn:每個N1n對應(yīng)的最佳動力渦輪轉(zhuǎn)速SHPOPTn最佳動力渦輪轉(zhuǎn)速下的功率SHPn:渦輪產(chǎn)生的實際功率ETOPn:渦輪產(chǎn)生的扭矩TETOR:一舷的渦輪的總扭矩NFAN:風(fēng)扇轉(zhuǎn)速NPROP螺旋槳的轉(zhuǎn)速HPFAN:風(fēng)扇吸收的功率PFAN:風(fēng)扇壓力QFAN:風(fēng)扇流量NETAF:風(fēng)扇效率:螺旋槳的螺距角Vx:螺旋槳的軸向相對風(fēng)速度TPROP螺旋槳推力HPPROP

6、螺旋槳吸U的功率FTOP:風(fēng)扇的扭矩DN2DT:動力渦輪的軸加速度ISYS=3533:軸轉(zhuǎn)動慣量k1=0.1297:主減速齒輪箱減速比k2=0.6247推進(jìn)減速齒輪箱減速比上述n=13,表示一舷的3臺燃?xì)廨啓C(jī)2.1燃?xì)廨啓C(jī)的數(shù)學(xué)模型N2OPTn=11672-1.90457NMn+1.21488休XN1nSHPOPTn=14684-2.3976N1n+9.7961>0XN1nSHPn=SHPOPTn0X1+1.8(N2/N2OPTn-0.9(N2/N2OPTn2ETORn=33000>SHPn/(2N>23-52-42如果<0,C1=50X(Vx/127.5(10-PTO

7、R=33000如PROP/(2N>2(112.4軸模型由燃?xì)廨啓C(jī)產(chǎn)生的扭矩與風(fēng)扇、螺旋槳吸收的扭矩之差產(chǎn)生了軸加速度DN2DT=(TETOR-FTOR-PTOR/ISYS(12此時軸的轉(zhuǎn)速變?yōu)椋篘2+DN2DTdtf3系統(tǒng)仿真模型3. 1控制系統(tǒng)的研究氣墊船在某一墊態(tài)航行時必須對燃?xì)廨啓C(jī)的轉(zhuǎn)速進(jìn)行精確的控制，而且由于要求其在發(fā)生變化時能迅速地消除誤差，因此要在系統(tǒng)中加入一條開環(huán)控制通路，即前饋控制。但是開環(huán)控制的精度低，還要加入反饋控制。反饋控制可用PID控制器，前饋控制函數(shù)要進(jìn)行求解得出。其中墊開推進(jìn)系統(tǒng)的一個輸入量為燃油調(diào)節(jié)器轉(zhuǎn)速N1,實際控制可使3個燃油調(diào)節(jié)器采用同一個控制器，因此

8、轉(zhuǎn)速相同，即N1n=N1,n=13。由于總的控制信號較大，又串聯(lián)一放大器。實際的燃油調(diào)節(jié)器轉(zhuǎn)速N1有超速保護(hù)，因此在其前加入飽和環(huán)節(jié)模塊來模擬。此處螺距角、風(fēng)速可看作干擾量，前饋控制的作用是消除干擾量對系統(tǒng)的影響。因此只需螺距角和相對風(fēng)速一前饋控制函數(shù)一墊升推進(jìn)系統(tǒng)一輸出”和螺距角一墊開推進(jìn)系統(tǒng)一輸出”這兩通路對輸出的合影響為0o對該系統(tǒng)來說，即為軸加速度為00即聯(lián)立方程(1(12,其中(12左邊為零求解方程組，因該方程組復(fù)雜，無法求得解析解，只能求數(shù)值解來確定與N1的關(guān)系。本文應(yīng)用MATLAB編寫了程序來求解。4. 2基于SIMULINK的仿真模型的建立依據(jù)上面所述，可建立SIMULINK仿

9、真平臺下的模型，如圖2所示：積分、微分控制器的參kp、ki、kd分別為比例、NCDOutport為非線性系統(tǒng)控制數(shù)。螺距角使用SignalBuilder模塊來模擬設(shè)計模塊，是一個基于最優(yōu)化技術(shù)進(jìn)行系統(tǒng)時域設(shè)計的實用工具。用戶指定輸出的范圍并指定要優(yōu)化的參數(shù)，該模塊便可以尋找滿足此范圍的最優(yōu)值。這里用來對kp、ki、kd進(jìn)行尋優(yōu)。墊開推進(jìn)系統(tǒng)為子模塊，如圖3:(1(2(3(4(5(6(7(8TETOR=EETORn=1n2 .2風(fēng)扇模型NFAN=k1N2HPFAN=PFANQFAN/(550)NETAFFTOR=33000XHPFAN/(2XN22.3螺旋槳模型NPROP=k2>NFAN(

10、93HPROP=(NPROP/1250(450+23.05X+2.562+C1(10如果>0,C1=0;PID控制器2005年2月船舶February,2005第1期SHIP&BOATNO.1PID控制器蛆距角34曲或ChinaAllrights2此N2下降，到5s時，控制器才對N1產(chǎn)生作用,速度逐漸回升，直至穩(wěn)態(tài)。當(dāng)螺距角從-15°斜坡用10s線性變化到40°并保持40°不變時的系統(tǒng)動態(tài)特性如圖5所示?？梢钥闯?，動力渦輪轉(zhuǎn)速變化和響應(yīng)時間都較小。由圖4、圖5,可以得出該控制系統(tǒng)對階躍和斜坡輸入均有良好的響應(yīng)PID控制劈ChinaAllrightsr

11、eserved.PublishingHouse滿足了該系統(tǒng)的要求。圖3由于實際上燃油調(diào)節(jié)器有較大的延遲，這里加入2s的延遲環(huán)節(jié)；扭矩也有超扭保護(hù)，因此同樣加入飽和環(huán)節(jié)模塊。各個扭矩函數(shù)用S-函數(shù)編寫。3.3系統(tǒng)動態(tài)特性仿真經(jīng)過對階躍和斜坡輸入應(yīng)用NCDOutput模塊尋優(yōu),得到了最優(yōu)控制器參數(shù)kp=19.245,ki=4.712,kd=15.869使用SignalGenerator模塊將螺距角從-15°在3s時階躍到40°,這時的系統(tǒng)動態(tài)特性如圖4所示PID控制器Alirightst奧閑rvediiPublishingHouse.hllTit/ki圖54結(jié)束語本文討論了基于SIMULINK仿真平臺的氣墊船墊開推進(jìn)控制系統(tǒng)的仿真，使用該系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，選擇了合適的控制器，并且對控制器參數(shù)進(jìn)行了尋優(yōu)，得出了滿意的系統(tǒng)動態(tài)特性曲線。根據(jù)系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型,在SIMULINK下進(jìn)行系統(tǒng)仿真,既迅速又準(zhǔn)確，對氣墊船系統(tǒng)特性的研究具有參考價值。參考文獻(xiàn)1AD-A015699.MathematicalModelofanAirC