專利名稱：船舶燃氣輪機發(fā)電機組半物理仿真裝置及仿真方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種船舶燃氣輪機發(fā)電機組的仿真裝置及仿真方法。
背景技術：
燃氣輪機發(fā)電機組是船舶綜合電力推進的核心裝置。掌握機組的動態(tài)運行特性， 是設計開發(fā)性能可靠、運行穩(wěn)定的機組控制系統(tǒng)的關鍵。傳統(tǒng)的計算機數(shù)字仿真雖然配置靈活，但對實際裝置及運行工況條件做了很多假設，精度上難以保證；而全物理試驗臺的造價及運行成本非常高，且試驗過程中存在很多風險。

發(fā)明內容
本發(fā)明是為了解決現(xiàn)有燃氣輪機發(fā)電機組的仿真精度低、試驗過程風險較高的問題，從而提供一種船舶燃氣輪機發(fā)電機組半物理仿真裝置及仿真方法。船舶燃氣輪機發(fā)電機組半物理仿真裝置，它包括船舶燃氣輪機仿真機和物理裝置實體；物理裝置實體包括電機驅動控制器、電動機、轉速扭矩儀和發(fā)電機，電機驅動控制器輸出驅動信號給電動機；電動機的輸出軸通過聯(lián)軸器與發(fā)電機的輸入軸連接，轉速扭矩儀用于采集電動機輸出軸的轉速信號和扭矩信號；船舶燃氣輪機仿真機包括船舶燃氣輪機仿真模型、數(shù)據輸出板卡和數(shù)據采集卡， 數(shù)據輸出板卡的扭矩數(shù)據輸出端與電機驅動控制器的扭矩設定數(shù)據輸入端連接；數(shù)據采集卡的電動機轉速信號輸入端與轉速扭矩儀的轉速信號輸出端連接；數(shù)據采集卡的發(fā)電機負載扭矩信號輸入端與轉速扭矩儀的扭矩信號輸出端連接；轉速扭矩儀的扭矩信號輸出端還與電機驅動控制器的扭矩數(shù)據輸入端連接；轉速扭矩儀的轉速信號輸出端還與電機驅動控制器的轉速數(shù)據輸入端連接；船舶燃氣輪機仿真模型用于輸出動力渦輪扭矩值給數(shù)據輸出板卡，還用于接收數(shù)據采集卡采集的電動機轉速值和發(fā)電機負載扭矩數(shù)據?；谏鲜鲅b置的船舶燃氣輪機發(fā)電機組半物理仿真方法，它由以下步驟實現(xiàn)步驟一、調速器模型211根據輸入的速度環(huán)偏差量控制燃氣發(fā)生器212中的燃燒室噴油量，進而控制動力渦輪模型213輸出的動力渦輪扭矩數(shù)據；所述速度環(huán)偏差量是根據設定的燃氣輪機動力渦輪轉速數(shù)據與數(shù)據采集卡23輸入的電動機轉速值做差獲得的值；步驟二、將步驟一所述的動力渦輪模型213輸出的動力渦輪扭矩數(shù)據轉換成電動機恒扭矩控制的電流設定值，并輸出給電動機驅動控制器31 ；步驟三、電動機驅動控制器31根據輸入的電流環(huán)偏差量輸出控制信號給電動機 32，從而控制電動機32以恒扭矩方式運行，并帶動發(fā)電機34發(fā)電；所述電流環(huán)偏差量是根據電流設定值與轉速扭矩儀33輸入的發(fā)電機負載扭矩值做差獲得的值；步驟四、轉速扭矩儀33采集電動機32的轉速值和發(fā)電機34的負載扭矩值，并通過數(shù)據采集卡23發(fā)送給船舶燃氣輪機仿真模型21，從而實現(xiàn)船舶燃氣輪機發(fā)電機組半物理閉環(huán)仿真。
有益效果本發(fā)明針對船舶燃氣輪機發(fā)電機組的仿真需求，在傳統(tǒng)計算機數(shù)字仿真的基礎上，加入部分物理實體裝置，使仿真系統(tǒng)更加接近于實機運行狀況，仿真精度高； 同時，利用本發(fā)明對船舶燃氣輪機發(fā)電機組進 行仿真，可以大量減少實機試驗調試量，并且可以進行那些在實機狀態(tài)下無法進行的測試，從而試驗安全性得以大幅度提高。


圖1是本發(fā)明裝置的結構示意圖；圖2是本發(fā)明裝置的半物理仿真運行控制原理示意圖；圖3是本發(fā)明方法的流程示意圖。
具體實施例方式具體實施方式
一、結合圖1說明本具體實施方式
，船舶燃氣輪機發(fā)電機組半物理仿真裝置，它包括船舶燃氣輪機仿真機2和物理裝置實體3 ；物理裝置實體3包括電機驅動控制器31、電動機32、轉速扭矩儀33和發(fā)電機34，電機驅動控制器31輸出驅動信號給電動機32 ；電動機32的輸出軸通過聯(lián)軸器35與發(fā)電機34的輸入軸連接，轉速扭矩儀33用于采集電動機32輸出軸的轉速信號和扭矩信號；船舶燃氣輪機仿真機2包括船舶燃氣輪機仿真模型21、數(shù)據輸出板卡22和數(shù)據采集卡23，數(shù)據輸出板卡22的扭矩數(shù)據輸出端與電機驅動控制器31的扭矩設定數(shù)據輸入端連接；數(shù)據采集卡23的電動機轉速信號輸入端與轉速扭矩儀33的轉速信號輸出端連接； 數(shù)據采集卡23的發(fā)電機負載扭矩信號輸入端與轉速扭矩儀33的扭矩信號輸出端連接 ’轉速扭矩儀33的扭矩信號輸出端還與電機驅動控制器31的扭矩數(shù)據輸入端連接；轉速扭矩儀33的轉速信號輸出端還與電機驅動控制器31的轉速數(shù)據輸入端連接；船舶燃氣輪機仿真模型21用于輸出動力渦輪扭矩值給數(shù)據輸出板卡22，還用于接收數(shù)據采集卡23采集的電動機轉速值和發(fā)電機負載扭矩數(shù)據。船舶燃氣輪機發(fā)電機組半物理仿真結構如圖1所示。船舶燃氣輪機以仿真模型的形式運行在仿真機上，發(fā)電裝置及負載以物理實體運行，兩者之間通過一臺電動機連接。在仿真運行過程中，仿真機將燃氣輪機動力渦輪輸出扭矩的實時信號通過數(shù)據輸出板卡傳送給電動機驅動控制器，電動機在仿真步長內以恒扭矩方式運行，從而帶動發(fā)電機發(fā)電，電動機轉速及發(fā)電機負載扭矩通過轉速扭矩儀及數(shù)據采集卡以數(shù)字量的形式傳送給仿真機，從而構成仿真閉環(huán)。采用同比例縮放的方法，使物理實體電動機轉子與仿真模型中燃氣輪機動力渦輪轉子的轉速趨近于一致。本發(fā)明針對船舶燃氣輪機發(fā)電機組的仿真需求，在傳統(tǒng)計算機數(shù)字仿真的基礎上，加入部分物理實體裝置，使仿真系統(tǒng)更加接近于實機運行狀況。利用本發(fā)明對船舶燃氣輪機發(fā)電機組進行仿真，可以大量減少實機試驗調試量，并且可以進行那些在實機狀態(tài)下無法進行的測試，從而節(jié)約試驗費用、增加試驗安全性。將電動機的恒扭矩控制環(huán)放入船舶燃氣輪機數(shù)字仿真環(huán)中，在同比例縮放的前提下，使電動機轉子與燃機動力渦輪轉子的轉速趨近于一致，從而解決了燃機數(shù)字仿真模型與發(fā)電裝置及負載物理實體的連接問題。
具體實施方式
二、本具體實施方式
與具體實施方式
一所述的船舶燃氣輪機發(fā)電機組半物理仿真裝置的區(qū)別在于，船舶燃氣輪機仿真模型21包括調速器模型211、燃氣發(fā)生器模型212和動力渦輪模型213，所述調速器模型211根據輸入的速度環(huán)偏差量控制燃氣發(fā)生器212中的燃燒室噴油量；燃氣發(fā)生器模型212用于給動力渦輪模型213提供燃氣特性數(shù)據；動力渦輪模型213用于輸出動力渦輪扭矩數(shù)據。
具體實施方式
三、本具體實施方式
與具體實施方式
一或二所述的船舶燃氣輪機發(fā)電機組半物理仿真裝置的區(qū)別在于，它還包括上位機1，所述上位機1包括用戶仿真參數(shù)輸入單元12、仿真模型建立單元14和TCP/IP數(shù)據總線接口單元15，所述用戶仿真參數(shù)輸入單元12用于接收用戶輸入的仿真參數(shù)，如仿真算法、仿真總時間等，并將所述仿真參數(shù)通過TCP/IP數(shù)據總線接口單元15輸入給船舶燃氣輪機仿真模型21 ；仿真模型建立單元14向用戶提供船舶動力裝置模塊化模型庫，便于用戶按仿真方案建立供船舶燃氣輪機仿真機2下載的船舶燃氣輪機仿真模型。
具體實施方式
四、本具體實施方式
與具體實施方式
三所述的船舶燃氣輪機發(fā)電機組半物理仿真裝置的區(qū)別在于，上位機1還包括仿真過程監(jiān)控單元13，仿真過程監(jiān)控單元13用于在仿真過程中通過TCP/IP數(shù)據總線接口單元15獲得電機驅動控制器31的運行參數(shù)，如驅動器輸出電流、工作溫度等；所述仿真過程監(jiān)控單元 13還用于根據用戶輸入的命令隨時通過TCP/IP數(shù)據總線接口單元15暫?；蚧謴碗姍C驅動控制器31及船舶燃氣輪機仿真模型21的運行，從而控制半物理仿真裝置的運行。
具體實施方式
五、本具體實施方式
與具體實施方式
四所述的船舶燃氣輪機發(fā)電機組半物理仿真裝置的區(qū)別在于，上位機1還包括仿真數(shù)據顯示單元11，所述仿真數(shù)據顯示單元11用于顯示通過TCP/IP數(shù)據總線接口單元15上傳的船舶燃氣輪機仿真模型21的仿真結果。本實施方式中，半物理仿真系統(tǒng)的運行是在上位機的控制下進行的，通過TCP/IP 數(shù)據總線，上位機將仿真模型及仿真參數(shù)下載到仿真機和電動機驅動控制器中，并監(jiān)控仿真全過程；仿真機將仿真過程中產生的數(shù)據上傳給上位機，供用戶查看仿真結果。本發(fā)明的工作過程是可按圖3所示流程進行。首先在上位機上進行仿真方案設計，并將仿真模型和仿真參數(shù)下載到仿真機和電動機驅動控制器中；調節(jié)負載至初始狀態(tài)并啟動電動機，當電動機達到穩(wěn)定狀態(tài)后，在上位機上啟動半物理仿真；仿真過程中，可以根據仿真方案調節(jié)負載，并在上位機上觀察仿真結果；預設仿真時間終止后，向電動機驅動控制器發(fā)送停機命令，仿真結束。
具體實施方式
六、基于具體實施方式
一的船舶燃氣輪機發(fā)電機組半物理仿真方法，它由以下步驟實現(xiàn)步驟一、調速器模型211根據輸入的速度環(huán)偏差量控制燃氣發(fā)生器212中的燃燒室噴油量，進而控制動力渦輪模型213輸出的動力渦輪扭矩數(shù)據；所述速度環(huán)偏差量是根據設定的燃氣輪機動力渦輪轉速數(shù)據與數(shù)據采集卡23輸入的電動機轉速值做差獲得的值；步驟二、將步驟一所述的動力渦輪模型213輸出的動力渦輪扭矩數(shù)據轉換成電動機恒扭矩控制的電流設定值，并輸出給電動機驅動控制器31 ；步驟三、電動機驅動控制器31根據輸入的電流環(huán)偏差量輸出控制信號給電動機 32，從而控制電動機32以恒扭矩方式運行，并帶動發(fā)電機34發(fā)電；所述電流環(huán)偏差量是根據電流設定值與轉速扭矩儀33輸入的發(fā)電機負載扭矩值做差獲得的值；步驟四、轉速扭矩儀33采集電動機32的轉速值和發(fā)電機34的負載扭矩值，并通過數(shù)據采集卡23發(fā)送給船舶燃氣輪機仿真模型21，從而實現(xiàn)船舶燃氣輪機發(fā)電機組半物理閉環(huán)仿真。如圖2所示是該方法的仿真運行控制方案。其中外環(huán)為仿真模型中的燃機動力渦輪轉速控制環(huán)，燃機調速器根據速度環(huán)偏差量(Δη = ns-n)，控制燃燒室噴油量Gf，從而使動力渦輪輸出扭矩發(fā)生變化；該扭矩值經過一定比例縮小后，形成電動機恒扭矩控制的電流設定值Is，電動機在恒扭矩環(huán)的控制下，通過調整電源端占空比α達到穩(wěn)定；轉速扭矩儀上的負載扭矩M1經等比例放大后上傳給燃機模型，用于動力渦輪特性計算，而轉速η作為燃機動力渦輪轉速控制環(huán)的速度反饋值。本方法中，仿真模型中的燃氣輪機動力渦輪轉子轉動慣量Jpt、輸出扭矩Mpt，物理實體電動機轉子轉動慣量Jm、輸出扭矩Mm，以及仿真模型中的負載扭矩Mlm與物理實體發(fā)電機上產生的負載扭矩M1，滿足
權利要求
1.船舶燃氣輪機發(fā)電機組半物理仿真裝置，其特征是它包括船舶燃氣輪機仿真機 (2)和物理裝置實體(3)；物理裝置實體(3)包括電機驅動控制器(31)、電動機(32)、轉速扭矩儀(33)和發(fā)電機(34)，電機驅動控制器(31)輸出驅動信號給電動機(32)；電動機 (32)的輸出軸通過聯(lián)軸器(35)與發(fā)電機(34)的輸入軸連接，轉速扭矩儀(33)用于采集電動機(32)輸出軸的轉速信號和扭矩信號；船舶燃氣輪機仿真機(2)包括船舶燃氣輪機仿真模型(21)、數(shù)據輸出板卡(22)和數(shù)據采集卡(23)，數(shù)據輸出板卡(22)的扭矩數(shù)據輸出端與電機驅動控制器(31)的扭矩設定數(shù)據輸入端連接；數(shù)據采集卡(23)的電動機轉速信號輸入端與轉速扭矩儀(33)的轉速信號輸出端連接；數(shù)據采集卡(23)的發(fā)電機負載扭矩信號輸入端與轉速扭矩儀(33)的扭矩信號輸出端連接；轉速扭矩儀(33)的扭矩信號輸出端還與電機驅動控制器(31)的扭矩數(shù)據輸入端連接；轉速扭矩儀(33)的轉速信號輸出端還與電機驅動控制器(31)的轉速數(shù)據輸入端連接；船舶燃氣輪機仿真模型(21)用于輸出動力渦輪扭矩值給數(shù)據輸出板卡(22)，還用于接收數(shù)據采集卡(23)采集的電動機轉速值和發(fā)電機負載扭矩數(shù)據。
2.根據權利要求1所述的船舶燃氣輪機發(fā)電機組半物理仿真裝置，其特征在于船舶燃氣輪機仿真模型(21)包括調速器模型(211)、燃氣發(fā)生器模型(212)和動力渦輪模型 (213)，所述調速器模型(211)根據輸入的速度環(huán)偏差量控制燃氣發(fā)生器(212)中燃燒室的噴油量；燃氣發(fā)生器模型(212)用于給動力渦輪模型(213)提供燃氣特性數(shù)據；動力渦輪模型(213)用于輸出動力渦輪扭矩數(shù)據。
3.根據權利要求2所述的船舶燃氣輪機發(fā)電機組半物理仿真裝置，其特征在于它還包括上位機(1)，所述上位機(1)包括用戶仿真參數(shù)輸入單元(12)、仿真模型建立單元(14) 和TCP/IP數(shù)據總線接口單元(15)，所述用戶仿真參數(shù)輸入單元(12)用于接收用戶輸入的仿真參數(shù)，并將所述仿真參數(shù)通過TCP/IP數(shù)據總線接口單元(15)輸入給船舶燃氣輪機仿真模型(21)；仿真模型建立單元(14)向用戶提供船舶動力裝置模塊化模型庫，便于用戶按仿真方案建立供船舶燃氣輪機仿真機(2)下載的船舶燃氣輪機仿真模型。
4.根據權利要求3所述的船舶燃氣輪機發(fā)電機組半物理仿真裝置，其特征在于上位機 (1)還包括仿真過程監(jiān)控單元(13)，仿真過程監(jiān)控單元(13)用于在仿真過程中通過TCP/ IP數(shù)據總線接口單元(15)獲得電機驅動控制器(31)的運行參數(shù)，所述仿真過程監(jiān)控單元 (13)還用于根據用戶輸入的命令隨時通過TCP/IP數(shù)據總線接口單元(15)暫?；蚧謴碗姍C驅動控制器(31)及船舶燃氣輪機仿真模型(21)的運行，從而控制半物理仿真裝置的運行。
5.根據權利要求4所述的船舶燃氣輪機發(fā)電機組半物理仿真裝置，其特征在于上位機 (1)還包括仿真數(shù)據顯示單元(11)，所述仿真數(shù)據顯示單元(11)用于顯示通過TCP/IP數(shù)據總線接口單元(15)上傳的船舶燃氣輪機仿真模型(21)的仿真結果。
6.基于權利要求1的船舶燃氣輪機發(fā)電機組半物理仿真方法，其特征是它由以下步驟實現(xiàn)步驟一、調速器模型(211)根據輸入的速度環(huán)偏差量控制燃氣發(fā)生器(212)中燃燒室的噴油量，進而控制動力渦輪模型(213)輸出的動力渦輪扭矩數(shù)據；所述速度環(huán)偏差量是根據設定的燃氣輪機動力渦輪轉速數(shù)據與數(shù)據采集卡(23)輸入的電動機轉速值做差獲得的值；步驟二、將步驟一所述的動力渦輪模型(213)輸出的動力渦輪扭矩數(shù)據轉換成電動機恒扭矩控制的電流設定值，并輸出給電動機驅動控制器(31)；步驟三、電動機驅動控制器(31)根據輸入的電流環(huán)偏差量輸出控制信號給電動機 (32)，從而控制電動機(32)以恒扭矩方式運行，并帶動發(fā)電機(34)發(fā)電；所述電流環(huán)偏差量是根據電流設定值與轉速扭矩儀(33)輸入的發(fā)電機負載扭矩值做差獲得的值；步驟四、轉速扭矩儀(33)采集電動機(32)的轉速值和發(fā)電機(34)的負載扭矩值，并通過數(shù)據采集卡(23)發(fā)送給船舶燃氣輪機仿真模型(21)，從而實現(xiàn)船舶燃氣輪機發(fā)電機組半物理閉環(huán)仿真。
全文摘要
船舶燃氣輪機發(fā)電機組半物理仿真裝置及仿真方法，涉及一種船舶燃氣輪機發(fā)電機組的仿真裝置及仿真方法。它解決了現(xiàn)有燃氣輪機發(fā)電機組的仿真精度低、試驗過程風險較高的問題。本發(fā)明針對船舶燃氣輪機發(fā)電機組的仿真需求，在傳統(tǒng)計算機數(shù)字仿真的基礎上，加入部分物理實體裝置，使仿真系統(tǒng)更加接近于實機運行狀況。同時，利用本發(fā)明對船舶燃氣輪機發(fā)電機組進行仿真，可以大量減少實機試驗調試量，并且可以進行那些在實機狀態(tài)下無法進行的測試，從而節(jié)約試驗費用、增加試驗安全性。本發(fā)明適用于船舶燃氣輪機發(fā)電機組半物理仿真。
文檔編號G05B17/02GK102436182SQ20111025578
公開日2012年5月2日 申請日期2011年8月31日 優(yōu)先權日2011年8月31日
發(fā)明者曹云鵬, 李淑英, 李鐵磊, 王志濤 申請人:哈爾濱工程大學