潛艇動(dòng)力系統(tǒng)能量使用及建模方法研究*

周建文 孫俊忠 周智勇

(1.海軍潛艇學(xué)院研究生隊(duì) 青島 266042)(2.海軍潛艇學(xué)院動(dòng)力操縱系 青島 266042)

潛艇動(dòng)力系統(tǒng)能量使用及建模方法研究*

周建文1孫俊忠2周智勇2

(1.海軍潛艇學(xué)院研究生隊(duì) 青島 266042)(2.海軍潛艇學(xué)院動(dòng)力操縱系 青島 266042)

為發(fā)揮好動(dòng)力系統(tǒng)為戰(zhàn)術(shù)服務(wù)的目的,根據(jù)潛艇動(dòng)力系統(tǒng)的特性,對(duì)潛艇能量使用情況進(jìn)行分析,按照能量使用的過程和工況特性對(duì)潛艇動(dòng)力系統(tǒng)建模方法進(jìn)行研究,指出了不同建模方法的優(yōu)劣性,為建立準(zhǔn)確的數(shù)學(xué)模型提供依據(jù)。

動(dòng)力系統(tǒng); 蓄電池; 推進(jìn)系統(tǒng); 輔機(jī)

Class Number TP391.41

1 引言

常規(guī)動(dòng)力潛艇為了保持隱蔽性,在執(zhí)行航行、作戰(zhàn)任務(wù)時(shí),為了減少暴露率,必須減少充電次數(shù)和合理地選擇充電時(shí)機(jī)、充電時(shí)間;另外在滿足戰(zhàn)術(shù)條件下,可以選擇最優(yōu)的動(dòng)力系統(tǒng)使用方案,達(dá)到合理利用能量的目的。基于現(xiàn)狀,對(duì)潛艇動(dòng)力系統(tǒng)能量合理、有效地分析和使用是亟待解決的問題,必須選擇合理的建模方法建立準(zhǔn)確的能量使用模型對(duì)動(dòng)力系統(tǒng)進(jìn)行定量的分析。

2 動(dòng)力系統(tǒng)能量使用分析

蓄電池和發(fā)電機(jī)是常規(guī)潛艇最重要的電源裝置,它是所有機(jī)械的動(dòng)力源泉;推進(jìn)電機(jī)是電量消耗最大的裝置,它帶動(dòng)傳動(dòng)軸的旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生力矩,使螺旋槳轉(zhuǎn)動(dòng),從而使?jié)撏н\(yùn)動(dòng);照明、導(dǎo)航、武備、通信等輔助設(shè)備是電量消耗較少的裝置,是潛艇航行和作戰(zhàn)的平臺(tái)。

1) 柴發(fā)機(jī)組——蓄電池的能量使用

此過程是化學(xué)能——機(jī)械能——電能——化學(xué)能的能量傳遞過程,柴油機(jī)消耗燃油帶動(dòng)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng),發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)在勵(lì)磁電流的作用下切割定子線圈產(chǎn)生電流,向蓄電池充電,蓄電池以化學(xué)反應(yīng)的形式儲(chǔ)存化學(xué)能,同時(shí)使電解液濃度不斷上升。

2) 蓄電池——推進(jìn)電機(jī)的能量使用

此過程是化學(xué)能——電能——機(jī)械能的能量傳遞過程,蓄電池內(nèi)部物質(zhì)的化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生電流,帶動(dòng)推進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng),推進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)傳動(dòng)軸轉(zhuǎn)動(dòng)將機(jī)械能傳遞給螺旋槳,從而使?jié)撏?dòng)作。

3) 蓄電池——輔機(jī)的能量使用

此過程是化學(xué)能——電能——其他形式能量的過程,蓄電池內(nèi)部物質(zhì)的化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生電流,通過配電網(wǎng)絡(luò)供給輔助設(shè)備。

從上述可知能量使用的過程是能量轉(zhuǎn)換和再分配的過程,在這個(gè)過程中由于載體自身的特性、傳輸過程中的損耗等因素的影響,在不同的工況下差別很大;特別是蓄電池組,由于放電電流隨戰(zhàn)術(shù)的需要變化較快,不同的放電電流對(duì)蓄電池放電電量的影響很大,能量的傳遞是非線性的。

3 動(dòng)力系統(tǒng)建模方法研究

根據(jù)能量使用的過程、能量消耗的大小和工況特性,把動(dòng)力系統(tǒng)分為柴發(fā)機(jī)組模塊、蓄電池模塊、推進(jìn)系統(tǒng)模塊、輔機(jī)模塊。這四部分的劃分,一方面突出了動(dòng)力系統(tǒng)作戰(zhàn)使用的主要裝備,如蓄電池、柴發(fā)機(jī)組和推進(jìn)系統(tǒng),能較為準(zhǔn)確地分析清楚設(shè)備的運(yùn)行狀況,便于進(jìn)行重點(diǎn)研究;另一方面將服務(wù)于主要裝備的各類輔機(jī)負(fù)載,如空調(diào)、通風(fēng)機(jī)、各種泵等,統(tǒng)一歸納為輔機(jī)負(fù)載模型,有利于充分研究輔機(jī)的使用對(duì)潛艇續(xù)航力、暴露率的影響。

3.1 柴發(fā)機(jī)組模型

柴發(fā)機(jī)組主要用于潛艇水面狀態(tài)、通氣管狀態(tài)和停靠碼頭時(shí)向推進(jìn)電機(jī)及其它用電設(shè)備供電,向蓄電池組浮充電或充電。模型的建立主要是為柴發(fā)機(jī)組航行充電工況服務(wù)的,研究柴發(fā)系統(tǒng)功率、耗油量與效率之間的關(guān)系,結(jié)合蓄電池充電電流的大小,就能較準(zhǔn)確地得出蓄電池的充電時(shí)間。首先把柴發(fā)機(jī)組分為柴油機(jī)和發(fā)電機(jī)兩大系統(tǒng),然后分別建立柴油機(jī)模型和發(fā)電機(jī)的模型[1]。

3.1.1 基于能量公式的模型

1) 柴油機(jī)模型:通過研究柴油機(jī)的缸內(nèi)傳熱過程和機(jī)械運(yùn)動(dòng)過程以及能量轉(zhuǎn)換關(guān)系,分別建立工程熱力學(xué)過程和機(jī)械運(yùn)動(dòng)過程的數(shù)學(xué)模型,然后再綜合建立柴油機(jī)的模型。把柴油機(jī)分為缸內(nèi)過程、進(jìn)排氣、渦輪增壓器、消聲冷卻器等幾部分,列出了傳熱方程、放電率方程、容積變化方程、進(jìn)氣閥口流量方程、質(zhì)量守恒方程、氣體狀態(tài)方程、排氣壓力變化方程、渦輪特性方程。

2) 發(fā)電機(jī)模型:利用發(fā)電機(jī)效率曲線,通過發(fā)電機(jī)效率和輸出功率的關(guān)系式建立發(fā)電機(jī)的數(shù)學(xué)模型。

3) 柴發(fā)機(jī)組模型:對(duì)柴油機(jī)和發(fā)電機(jī)列出的各方程式進(jìn)行合并,求出耗油率與輸出功率的關(guān)系。

優(yōu)點(diǎn):柴油機(jī)模型各子模型分塊比較合理,基本上完整地反映了柴油機(jī)的內(nèi)部工作過程;發(fā)電機(jī)模型利用經(jīng)驗(yàn)公式回歸的方法,簡(jiǎn)便易于操作。

缺點(diǎn):柴油機(jī)模型過于復(fù)雜,公式中許多參數(shù)難以獲得,可操作性較差,不適合作戰(zhàn)使用研究;發(fā)電機(jī)模型所用經(jīng)驗(yàn)公式?jīng)]有嚴(yán)格的數(shù)學(xué)證明或?qū)嶒?yàn)數(shù)據(jù)驗(yàn)證,因而缺乏可靠性;所建模型的健壯性較差,容易受到外界干擾因素的影響。

3.1.2 基于作戰(zhàn)使用的潛艇動(dòng)力系統(tǒng)柴發(fā)機(jī)組模型

1) 柴油機(jī)數(shù)學(xué)模型為

l=c/v+d

(1)

其中c、d為常系數(shù),v為柴油機(jī)輸出功率,l為柴油機(jī)耗油率。式(1)是根據(jù)柴油機(jī)的輸出功率和耗油率的數(shù)據(jù),采用擬合的方法得出的。

2) 發(fā)電機(jī)數(shù)學(xué)模型為

f=mv

(2)

其中,f為發(fā)電機(jī)輸出功率,m為發(fā)電機(jī)效率(常數(shù)),v為柴油機(jī)輸出功率(等于發(fā)電機(jī)輸入功率)。式(2)是利用發(fā)電機(jī)的效率曲線通過數(shù)據(jù)回歸的方法獲得。

3) 聯(lián)合式(1)、式(2)即得柴發(fā)機(jī)組數(shù)學(xué)模型:

l=mc/f+d

(3)

其中c、d為常系數(shù),這樣就建立了耗油率與發(fā)電機(jī)輸出功率的關(guān)系。

此模型公式比較簡(jiǎn)單,實(shí)用性較強(qiáng),經(jīng)過數(shù)據(jù)驗(yàn)證準(zhǔn)確度較高。

3.2 蓄電池模型

電池模型建立的方法有很多,主要分為兩種:電化學(xué)模型和電特性模型。前者主要用于鉛酸蓄電池的制造、管理和維護(hù),并不注重體現(xiàn)鉛酸蓄電池的充放電特性;后者主要用于仿真鉛酸蓄電池的充放電過程。另外還有基于V_R模型與卡爾曼濾波器的研究,基于灰色理論的研究,但大都不實(shí)用。下面主要介紹三種模型建立方法:電化學(xué)模型、等效電路模型和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型。

3.2.1 電化學(xué)模型

根據(jù)電化學(xué)理論和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合分析,得出一些經(jīng)驗(yàn)公式,再根據(jù)這些經(jīng)驗(yàn)公式的推導(dǎo)和分析,預(yù)測(cè)蓄電池的剩余容量,從而形成電化學(xué)經(jīng)驗(yàn)公式模型。電化學(xué)經(jīng)驗(yàn)公式主要包括Peukert經(jīng)驗(yàn)公式、Shepherd方程、Shepherd改進(jìn)方程等。

3.2.2 等效電路模型[2]

由于蓄電池充放電過程與電容充放電過程的外在表現(xiàn)相近,兩者隨時(shí)間變化的電壓曲線比較相似,目前國(guó)內(nèi)外流行的建模方法是搭建一個(gè)由若干電容和阻抗組成的等效電路,再在等效電路的基礎(chǔ)上精心設(shè)計(jì)充放電實(shí)驗(yàn),通過實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)確定電容和阻抗隨時(shí)間變化的函數(shù),具有代表性的模型有以下幾種:

1) “RC模型”(電阻—電容模型),該模型在建模的過程中考慮了電池的瞬時(shí)影響;

2) “UltrapCap模型”(超級(jí)電容模型),這是一種碳基結(jié)構(gòu)的超級(jí)電容模型(雙層電容、電化學(xué)電容)。相對(duì)于電池而言,該模型在很多方面相對(duì)簡(jiǎn)單,但它的電容并非電學(xué)電容,而是一種電化學(xué)電容,故在能量存儲(chǔ)和釋放方面與普通電容相比有著本質(zhì)的不同;

3) “Rint模型”(內(nèi)阻模型)。該模型最初是在美國(guó)國(guó)家工程實(shí)驗(yàn)室的工作基礎(chǔ)上建立的,它以電池電壓源和內(nèi)阻為特征變量。

以上的建模方法過于簡(jiǎn)單,模型建立時(shí)沒有考慮電解液溫度以及蓄電池放電歷史對(duì)電壓輸出的影響,使得仿真結(jié)果的精度不高。

3.2.3 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型

采神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)建立的蓄電池?cái)?shù)學(xué)模型輸入設(shè)為電流和功率,輸出為耗電量(單位為度),這種方式符合潛艇估算蓄電池電量的習(xí)慣。以圖1徑向基函數(shù)網(wǎng)絡(luò)圖為例,它是一種兩層前向型神經(jīng)網(wǎng)絡(luò),包含一個(gè)具有徑向基函數(shù)神經(jīng)元的隱層和一個(gè)具有線性神經(jīng)元的輸出層[3]。

圖1 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型

基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的建模的方法應(yīng)用比較廣泛,是一種比較成熟的方法,其關(guān)鍵是選擇合理的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)、優(yōu)化算法以及大量合理的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)[4]。

用此方法對(duì)蓄電池進(jìn)行建模,經(jīng)實(shí)驗(yàn)可以達(dá)到的誤差在3%以內(nèi),精度滿足一般要求,且算法收斂較快,但在小電流段內(nèi)與大電流段內(nèi)均表現(xiàn)出仿真值低于實(shí)測(cè)值;徑向基網(wǎng)絡(luò)在同樣數(shù)據(jù)條件下的精度約為2%,精度更高,但其算法收斂慢[5]。

3.3 推進(jìn)系統(tǒng)模型

主推電機(jī)模型研究各種工況下主機(jī)的轉(zhuǎn)速、航速、電流、功率與效率之間的關(guān)系,它反映了艇、機(jī)、槳的配合程度。主推電機(jī)模型看似簡(jiǎn)單,但其實(shí)際上與海流、艇況等因素密切相關(guān)。

主要研究推進(jìn)電機(jī)在不同輸入電流情況下的耗電情況,推進(jìn)系統(tǒng)模型即為推進(jìn)系統(tǒng)耗電模型。

采用能量公式方法的建模,其步驟如下:

1) 列出主控板至推進(jìn)電機(jī)(單電樞)情況下的功率損耗方程,分別是電樞繞組損耗方程、勵(lì)磁銅耗方程、換向器與電刷的接觸損耗方程、勵(lì)磁調(diào)節(jié)器損耗方程、經(jīng)航調(diào)節(jié)器損耗方程、鐵耗方程、機(jī)械損耗方程、通風(fēng)機(jī)損耗方程、其余損耗方程。

2) 根據(jù)調(diào)速方式的不同分為主航工況和經(jīng)航工況。分別列出電壓平衡方程、功率平衡方程、感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)方程、勵(lì)磁關(guān)系方程。并采用迭代法求出電樞電流Ia和勵(lì)磁電流Il。

3) 在主航工況下:把求出的電樞電流Ia和勵(lì)磁電流Il帶入功率損耗公式,求出勵(lì)磁調(diào)節(jié)器電流IL及通風(fēng)機(jī)電流If,得出蓄電池向推進(jìn)電機(jī)提供的總電流IT=Ia+IL+If;經(jīng)航工況下一般不啟動(dòng)通風(fēng)機(jī),同理得出蓄電池向推進(jìn)電機(jī)提供的總電流IT=Ia+IL。

這樣就建立了推進(jìn)電機(jī)輸入總電流與轉(zhuǎn)速的模型,根據(jù)轉(zhuǎn)速的變化得出推進(jìn)電機(jī)輸入電流,這個(gè)工作電流是蓄電池放電電流的一部分,有利于與動(dòng)力系統(tǒng)其它模型匹配。

3.4 輔機(jī)模型

潛艇有上百臺(tái)輔機(jī),有些功率消耗很小;有些使用頻率很低;有些功率雖小,但使用頻繁、累積電量消耗較大;有些功率消耗大,使用時(shí)機(jī)隨潛艇部署和季節(jié)環(huán)境變化。如要建立數(shù)學(xué)模型,考慮的隨機(jī)因素比較多,沒有規(guī)律可循。大多采用數(shù)理統(tǒng)計(jì)和曲線擬合的方法建立輔機(jī)的數(shù)學(xué)模型。

1) 輔機(jī)耗電按額定的35%計(jì)算。

2) 根據(jù)各種輔機(jī)的特點(diǎn)和潛艇上的實(shí)際情況,將輔機(jī)的消耗功率做如下分類:

· 管制用電:只允許一類輔機(jī)運(yùn)行,輔機(jī)嚴(yán)格限制。

· 節(jié)約用電:只允許一、二類輔機(jī)運(yùn)行,空調(diào)不開。

· 正常用電:一、二、三類輔機(jī)全部正常允許,包括空調(diào)。

· 平均用電:三類負(fù)載加權(quán)平均:(1)10%的時(shí)間潛艇處于管制用電,即除必須開的輔機(jī)外,其余全部停;(2)45%的時(shí)間潛艇處于節(jié)約用電狀態(tài),不包括空調(diào);(3)另外的45%時(shí)間,正常使用全部輔機(jī),包括空調(diào)等。

3) 由于空調(diào)和通風(fēng)機(jī)是輔機(jī)中主要的耗電設(shè)備,把潛艇水下航行時(shí)輔機(jī)用電設(shè)備的工作情況分為四種情況:空調(diào)和通風(fēng)機(jī)均使用時(shí)、不使用空調(diào)時(shí)、不使用通風(fēng)機(jī)時(shí)、空調(diào)和通風(fēng)機(jī)均不使用時(shí),然后根據(jù)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù),用平均使用時(shí)間乘以其功率。

以上根據(jù)經(jīng)驗(yàn)分析、敵情情況、功率大小情況給出了不同的模型建立方法,在實(shí)際的使用中可根據(jù)情況選擇。

3.5 各分系統(tǒng)模型的匹配及相互關(guān)系

潛艇在通氣管充電航行時(shí),柴發(fā)機(jī)組向蓄電池充電,并提供給推進(jìn)電機(jī)和輔機(jī)電量,柴發(fā)機(jī)組的電流近似等于蓄電池充電電流、推進(jìn)電機(jī)和輔機(jī)工作電流之和。在水下航行時(shí),推進(jìn)電機(jī)和輔機(jī)所消耗的電量則完全由蓄電池提供,蓄電池處于放電狀態(tài),蓄電池的放電電流近似等于推進(jìn)電機(jī)電流和輔機(jī)用電設(shè)備工作電流之和。由它們之間電流的關(guān)系,可以把各分系統(tǒng)模型聯(lián)系起來,從而建立了常規(guī)潛艇動(dòng)力系統(tǒng)模型。

4 結(jié)語

本文主要對(duì)建立潛艇動(dòng)力系統(tǒng)模型的方法進(jìn)行研究,在實(shí)際的應(yīng)用中需要參照大量的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)學(xué)建模,并根據(jù)不同工況來合理的組合運(yùn)用模型以達(dá)到戰(zhàn)術(shù)使用的目的。

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Energe Usage and Modeling Method of Submarine Power System

ZHOU Jianwen1SUN Junzhong2ZHOU Zhiyong2

(1. Postgraduate Department, Navy Submarine Academy, Qingdao 266042) (2. Power-operate Control Department, Navy Submarine Academy, Qingdao 266042)

In order to make power system play a good service for tactics, according to the characteristics of submarine power system, the research of submarine power system modeling method is taken and the strengths and weaknesses of different modeling methods are pointed out to provide the basis for establishing accurate mathematical model.

power system, battery, propulsion system, auxiliary machinery

2014年6月3日,

2014年7月25日

周建文,男,碩士研究生,研究方向:艦船裝備學(xué)。孫俊忠,男,博士后,教授,研究方向:船舶動(dòng)力系統(tǒng)及仿真。周智勇,男,碩士,副教授,研究方向:船舶動(dòng)力系統(tǒng)及仿真。

TP391.41

10.3969/j.issn1672-9730.2014.12.023