船舶柴油推进装置多工况数学模型及轮机实操评估系统研究

发布时间：2017-09-10 22:29

  本文关键词：船舶柴油推进装置多工况数学模型及轮机实操评估系统研究

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【摘要】：目前大功率低速柴油机以其热效率高、燃油消耗率低、可燃用劣质燃油、可靠性好等优点仍广泛应用于散货船、油轮、集装箱船等大型远洋船舶。对大型低速船用柴油推进控制系统开展建模仿真工作,有助于分析其性能和运行特性,为深入开展控制和应用研究奠定基础。课题以船舶柴油推进控制系统的仿真与应用为主线,围绕轮机实操评估系统展开研究,该系统由轮机仿真模型、智能评估、试题库及网络通信四部分组成。针对轮机实操评估系统中船舶柴油推进装置数学模型在主机故障、船舶风浪天等特殊工况仿真方面尚有欠缺,且仿真系统中柴油机电子调速器PID单元在不同控制模式下PID参数整定问题,以及轮机实操考试人工评估主观性强的问题,开展了以下研究工作：建立了一种能够满足轮机实操评估系统要求的船用柴油推进装置多工况数学模型。以MAN BW 6S35MC大型船用低速二冲程柴油机为具体研究对象,采用模块化建模思想,系统地建立船用大型低速二冲程柴油机容积法动态模型,包括压缩空气起动装置模型、气缸模型、扫气箱模型、排气总管模型、空气冷却器模型、废气涡轮增压器模型以及船机桨动态模型,建模过程充分考虑了模型的全工况特性和故障仿真功能。采用VC++语言编写代码进行仿真研究,仿真研究内容分为稳态、动态过程仿真以及典型故障仿真。稳态过程仿真包括不同工况下柴油机稳定运行时的气缸参数变化情况、换气过程中扫气口和排气阀的流量变化规律以及燃烧放热规律等,并将仿真结果与实船试验数据、出厂试航数据进行对比来验证模型的准确性；动态过程仿真包括不同工况下柴油机从起动到稳定运行、船从静止到稳定船速运行过程,以及过渡工况下柴油机平均指示压力、转速和输出瞬时扭矩等的变化情况：典型故障仿真包括柴油机单缸停油、喷油定时提前或滞后、排气阀漏气等故障下柴油机的运行情况。仿真研究结果表明了所建船舶柴油推进装置多工况仿真模型的准确性。以Alphatronic 2000 PCS调距桨推进控制系统为例,开发了可视化船舶柴油推进控制仿真系统,并基于一种改进的粒子群优化算法研究不同控制模式下电子调速器PID单元参数整定问题。针对标准粒子群算法存在的搜索过程中种群多样性易丢失、极易陷入局部最优等弊端,提出一种结合种群多样性增强机制和邻域搜索策略的改进粒子群优化(DESPSO)算法,以柴油机输出转速的超调量、上升时间和稳态误差为优化指标项,建立DESPSO算法的适应度函数。仿真实验结果表明DESPSO算法具有较好的收敛性、稳定性和较高的寻优成功率,能有效地应用于船舶柴油机电子调速器PID控制参数的优化。开发了轮机实操评估系统的三维仿真界面并实现轮机实操考试的自动评估功能。可视化仿真界面采用3ds Max三维建模软件来开发,以实现场景漫游和人机交互等功能。在可视化轮机实操评估系统的基础上,针对实操考试提出了一种基于专家系统评分规则的模糊评估算法,该算法首先采用模糊层次分析法来确定一次考试中各道试题的权重系数,然后设计通用试题评估规则表来设置各道试题的具体评估规则,实时跟踪操作考试过程中相关变量的变化,进行答题过程评估和答题结束评估。评估过程中选用合适的隶属函数来计算变量在检测范围内的隶属度,操作结束时自动打分并提供可查询的扣分记录。最后通过两个具体的轮机实操例子来说明此平台的实操考试自动评估结果与专家系统评分结果一致,验证了该算法的可行性。
【关键词】：船舶柴油推进控制系统 容积法模型 轮机实操 虚拟现实 自动评估算法
【学位授予单位】：大连海事大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：U676.2
【目录】：

• 创新点摘要5-6
• 摘要6-8
• ABSTRACT8-13
• 第1章 绪论13-28
• 1.1 课题的背景及意义13-15
• 1.2 船舶柴油推进控制系统建模仿真国内外研究现状15-22
• 1.2.1 船舶动力装置概述15-17
• 1.2.2 船舶柴油推进装置计算机建模仿真研究现状17-20
• 1.2.3 船舶柴油推进装置控制系统研究现状20-22
• 1.3 轮机实操评估系统研究现状22-25
• 1.3.1 轮机模拟器国内外发展现状22-24
• 1.3.2 轮机实操评估系统的开发与应用前景24-25
• 1.4 本文主要研究内容25-28
• 第2章 船舶柴油推进装置多工况数学模型28-58
• 2.1 引言28
• 2.2 柴油机气缸容积法模型28-44
• 2.2.1 容积法模型原理及基本假设28-29
• 2.2.2 基本微分方程29-31
• 2.2.3 工质热力学性质31-33
• 2.2.4 气缸工作容积变化率及周壁散热率33-34
• 2.2.5 气缸进排气(阀)口流量34-35
• 2.2.6 气缸变工况燃烧放热规律35-37
• 2.2.7 气缸内各阶段热力过程分析37-44
• 2.3 柴油机起动装置模型及起动过程分析44-45
• 2.4 二冲程柴油机进排气系统模型45-49
• 2.4.1 空气冷却器模型46-47
• 2.4.2 扫气箱模型47-48
• 2.4.3 排气总管模型48-49
• 2.5 废气涡轮增压器模型49-52
• 2.6 船机桨动态模型52-57
• 2.6.1 柴油机动态方程53-55
• 2.6.2 船舶运动方程55-56
• 2.6.3 推力系数和扭矩系数的计算56-57
• 2.7 本章小节57-58
• 第3章 船用二冲程柴油推进装置多工况仿真研究58-76
• 3.1 引言58
• 3.2 仿真研究对象的主要参数58-60
• 3.2.1 船舶参数58-59
• 3.2.2 6S35MC型柴油机参数59-60
• 3.2.3 NA40/S型增压器参数60
• 3.3 仿真环境及计算方法60-63
• 3.3.1 仿真步长61-62
• 3.3.2 仿真计算流程图62-63
• 3.4 仿真结果分析63-75
• 3.4.1 柴油机稳态过程仿真分析63-68
• 3.4.2 柴油机动态过程仿真分析68-71
• 3.4.3 典型故障仿真分析71-75
• 3.5 本章小结75-76
• 第4章 船舶推进控制仿真系统及电子调速器PID参数优化76-97
• 4.1 引言76
• 4.2 Alphatronic 2000 PCS推进控制仿真系统76-81
• 4.2.1 Alphatronic 2000 PCS推进控制系统功能及组成76-78
• 4.2.2 DGS8800e电子调速系统及其PID调节单元78-79
• 4.2.3 Alphatronic 2000 PCS调距桨推进控制仿真系统仿真界面79-81
• 4.3 船舶柴油机电子调速器PID参数优化算法研究81-92
• 4.3.1 问题的提出81-82
• 4.3.2 标准粒子群优化算法82-85
• 4.3.3 基于多样性增强与邻域搜索策略的粒子群优化(DESPSO)算法85-89
• 4.3.4 DESPSO算法性能测试89-92
• 4.4 DESPSO算法在柴油机PID参数优化方面的应用92-96
• 4.4.1 6S35MC型柴油机Matlab仿真模型92-93
• 4.4.2 优化算法适应度函数选取93
• 4.4.3 电子调速器PID单元参数优化设计93-94
• 4.4.4 正常航行工况及恶劣工况仿真结果分析94-96
• 4.5 本章小结96-97
• 第5章 可视化轮机实操仿真系统及其评估算法研究97-128
• 5.1 引言97
• 5.2 可视化轮机实操评估系统的组成与网络通信架构97-99
• 5.3 轮机实操评估系统虚拟现实界面99-107
• 5.3.1 轮机虚拟场景的实现99-105
• 5.3.2 轮机可视化三维界面105-107
• 5.4 轮机实操评估系统模糊评估算法107-127
• 5.4.1 专家出题与评估规则设置107-111
• 5.4.2 基于模糊层次分析法的试题权重系数的确定111-113
• 5.4.3 轮机实操考试模糊评估算法设计与实现113-120
• 5.4.4 轮机实操考试自动评估算法实例验证120-127
• 5.5 本章小结127-128
• 结论128-130
• 参考文献130-139
• 攻读学位期间公开发表论文139-140
• 致谢140-141
• 作者简介141

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本文编号：827026