本文關(guān)鍵詞：船舶柴油推進(jìn)裝置多工況數(shù)學(xué)模型及輪機(jī)實(shí)操評(píng)估系統(tǒng)研究

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【摘要】：目前大功率低速柴油機(jī)以其熱效率高、燃油消耗率低、可燃用劣質(zhì)燃油、可靠性好等優(yōu)點(diǎn)仍廣泛應(yīng)用于散貨船、油輪、集裝箱船等大型遠(yuǎn)洋船舶。對(duì)大型低速船用柴油推進(jìn)控制系統(tǒng)開展建模仿真工作,有助于分析其性能和運(yùn)行特性,為深入開展控制和應(yīng)用研究奠定基礎(chǔ)。課題以船舶柴油推進(jìn)控制系統(tǒng)的仿真與應(yīng)用為主線,圍繞輪機(jī)實(shí)操評(píng)估系統(tǒng)展開研究,該系統(tǒng)由輪機(jī)仿真模型、智能評(píng)估、試題庫(kù)及網(wǎng)絡(luò)通信四部分組成。針對(duì)輪機(jī)實(shí)操評(píng)估系統(tǒng)中船舶柴油推進(jìn)裝置數(shù)學(xué)模型在主機(jī)故障、船舶風(fēng)浪天等特殊工況仿真方面尚有欠缺,且仿真系統(tǒng)中柴油機(jī)電子調(diào)速器PID單元在不同控制模式下PID參數(shù)整定問(wèn)題,以及輪機(jī)實(shí)操考試人工評(píng)估主觀性強(qiáng)的問(wèn)題,開展了以下研究工作：建立了一種能夠滿足輪機(jī)實(shí)操評(píng)估系統(tǒng)要求的船用柴油推進(jìn)裝置多工況數(shù)學(xué)模型。以MAN BW 6S35MC大型船用低速二沖程柴油機(jī)為具體研究對(duì)象,采用模塊化建模思想,系統(tǒng)地建立船用大型低速二沖程柴油機(jī)容積法動(dòng)態(tài)模型,包括壓縮空氣起動(dòng)裝置模型、氣缸模型、掃氣箱模型、排氣總管模型、空氣冷卻器模型、廢氣渦輪增壓器模型以及船機(jī)槳?jiǎng)討B(tài)模型,建模過(guò)程充分考慮了模型的全工況特性和故障仿真功能。采用VC++語(yǔ)言編寫代碼進(jìn)行仿真研究,仿真研究?jī)?nèi)容分為穩(wěn)態(tài)、動(dòng)態(tài)過(guò)程仿真以及典型故障仿真。穩(wěn)態(tài)過(guò)程仿真包括不同工況下柴油機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)的氣缸參數(shù)變化情況、換氣過(guò)程中掃氣口和排氣閥的流量變化規(guī)律以及燃燒放熱規(guī)律等,并將仿真結(jié)果與實(shí)船試驗(yàn)數(shù)據(jù)、出廠試航數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比來(lái)驗(yàn)證模型的準(zhǔn)確性；動(dòng)態(tài)過(guò)程仿真包括不同工況下柴油機(jī)從起動(dòng)到穩(wěn)定運(yùn)行、船從靜止到穩(wěn)定船速運(yùn)行過(guò)程,以及過(guò)渡工況下柴油機(jī)平均指示壓力、轉(zhuǎn)速和輸出瞬時(shí)扭矩等的變化情況：典型故障仿真包括柴油機(jī)單缸停油、噴油定時(shí)提前或滯后、排氣閥漏氣等故障下柴油機(jī)的運(yùn)行情況。仿真研究結(jié)果表明了所建船舶柴油推進(jìn)裝置多工況仿真模型的準(zhǔn)確性。以Alphatronic 2000 PCS調(diào)距槳推進(jìn)控制系統(tǒng)為例,開發(fā)了可視化船舶柴油推進(jìn)控制仿真系統(tǒng),并基于一種改進(jìn)的粒子群優(yōu)化算法研究不同控制模式下電子調(diào)速器PID單元參數(shù)整定問(wèn)題。針對(duì)標(biāo)準(zhǔn)粒子群算法存在的搜索過(guò)程中種群多樣性易丟失、極易陷入局部最優(yōu)等弊端,提出一種結(jié)合種群多樣性增強(qiáng)機(jī)制和鄰域搜索策略的改進(jìn)粒子群優(yōu)化(DESPSO)算法,以柴油機(jī)輸出轉(zhuǎn)速的超調(diào)量、上升時(shí)間和穩(wěn)態(tài)誤差為優(yōu)化指標(biāo)項(xiàng),建立DESPSO算法的適應(yīng)度函數(shù)。仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明DESPSO算法具有較好的收斂性、穩(wěn)定性和較高的尋優(yōu)成功率,能有效地應(yīng)用于船舶柴油機(jī)電子調(diào)速器PID控制參數(shù)的優(yōu)化。開發(fā)了輪機(jī)實(shí)操評(píng)估系統(tǒng)的三維仿真界面并實(shí)現(xiàn)輪機(jī)實(shí)操考試的自動(dòng)評(píng)估功能。可視化仿真界面采用3ds Max三維建模軟件來(lái)開發(fā),以實(shí)現(xiàn)場(chǎng)景漫游和人機(jī)交互等功能。在可視化輪機(jī)實(shí)操評(píng)估系統(tǒng)的基礎(chǔ)上,針對(duì)實(shí)操考試提出了一種基于專家系統(tǒng)評(píng)分規(guī)則的模糊評(píng)估算法,該算法首先采用模糊層次分析法來(lái)確定一次考試中各道試題的權(quán)重系數(shù),然后設(shè)計(jì)通用試題評(píng)估規(guī)則表來(lái)設(shè)置各道試題的具體評(píng)估規(guī)則,實(shí)時(shí)跟蹤操作考試過(guò)程中相關(guān)變量的變化,進(jìn)行答題過(guò)程評(píng)估和答題結(jié)束評(píng)估。評(píng)估過(guò)程中選用合適的隸屬函數(shù)來(lái)計(jì)算變量在檢測(cè)范圍內(nèi)的隸屬度,操作結(jié)束時(shí)自動(dòng)打分并提供可查詢的扣分記錄。最后通過(guò)兩個(gè)具體的輪機(jī)實(shí)操例子來(lái)說(shuō)明此平臺(tái)的實(shí)操考試自動(dòng)評(píng)估結(jié)果與專家系統(tǒng)評(píng)分結(jié)果一致,驗(yàn)證了該算法的可行性。
【關(guān)鍵詞】：船舶柴油推進(jìn)控制系統(tǒng) 容積法模型 輪機(jī)實(shí)操 虛擬現(xiàn)實(shí) 自動(dòng)評(píng)估算法
【學(xué)位授予單位】：大連海事大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號(hào)】：U676.2
【目錄】：

• 創(chuàng)新點(diǎn)摘要5-6
• 摘要6-8
• ABSTRACT8-13
• 第1章 緒論13-28
• 1.1 課題的背景及意義13-15
• 1.2 船舶柴油推進(jìn)控制系統(tǒng)建模仿真國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀15-22
• 1.2.1 船舶動(dòng)力裝置概述15-17
• 1.2.2 船舶柴油推進(jìn)裝置計(jì)算機(jī)建模仿真研究現(xiàn)狀17-20
• 1.2.3 船舶柴油推進(jìn)裝置控制系統(tǒng)研究現(xiàn)狀20-22
• 1.3 輪機(jī)實(shí)操評(píng)估系統(tǒng)研究現(xiàn)狀22-25
• 1.3.1 輪機(jī)模擬器國(guó)內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀22-24
• 1.3.2 輪機(jī)實(shí)操評(píng)估系統(tǒng)的開發(fā)與應(yīng)用前景24-25
• 1.4 本文主要研究?jī)?nèi)容25-28
• 第2章 船舶柴油推進(jìn)裝置多工況數(shù)學(xué)模型28-58
• 2.1 引言28
• 2.2 柴油機(jī)氣缸容積法模型28-44
• 2.2.1 容積法模型原理及基本假設(shè)28-29
• 2.2.2 基本微分方程29-31
• 2.2.3 工質(zhì)熱力學(xué)性質(zhì)31-33
• 2.2.4 氣缸工作容積變化率及周壁散熱率33-34
• 2.2.5 氣缸進(jìn)排氣(閥)口流量34-35
• 2.2.6 氣缸變工況燃燒放熱規(guī)律35-37
• 2.2.7 氣缸內(nèi)各階段熱力過(guò)程分析37-44
• 2.3 柴油機(jī)起動(dòng)裝置模型及起動(dòng)過(guò)程分析44-45
• 2.4 二沖程柴油機(jī)進(jìn)排氣系統(tǒng)模型45-49
• 2.4.1 空氣冷卻器模型46-47
• 2.4.2 掃氣箱模型47-48
• 2.4.3 排氣總管模型48-49
• 2.5 廢氣渦輪增壓器模型49-52
• 2.6 船機(jī)槳?jiǎng)討B(tài)模型52-57
• 2.6.1 柴油機(jī)動(dòng)態(tài)方程53-55
• 2.6.2 船舶運(yùn)動(dòng)方程55-56
• 2.6.3 推力系數(shù)和扭矩系數(shù)的計(jì)算56-57
• 2.7 本章小節(jié)57-58
• 第3章 船用二沖程柴油推進(jìn)裝置多工況仿真研究58-76
• 3.1 引言58
• 3.2 仿真研究對(duì)象的主要參數(shù)58-60
• 3.2.1 船舶參數(shù)58-59
• 3.2.2 6S35MC型柴油機(jī)參數(shù)59-60
• 3.2.3 NA40/S型增壓器參數(shù)60
• 3.3 仿真環(huán)境及計(jì)算方法60-63
• 3.3.1 仿真步長(zhǎng)61-62
• 3.3.2 仿真計(jì)算流程圖62-63
• 3.4 仿真結(jié)果分析63-75
• 3.4.1 柴油機(jī)穩(wěn)態(tài)過(guò)程仿真分析63-68
• 3.4.2 柴油機(jī)動(dòng)態(tài)過(guò)程仿真分析68-71
• 3.4.3 典型故障仿真分析71-75
• 3.5 本章小結(jié)75-76
• 第4章 船舶推進(jìn)控制仿真系統(tǒng)及電子調(diào)速器PID參數(shù)優(yōu)化76-97
• 4.1 引言76
• 4.2 Alphatronic 2000 PCS推進(jìn)控制仿真系統(tǒng)76-81
• 4.2.1 Alphatronic 2000 PCS推進(jìn)控制系統(tǒng)功能及組成76-78
• 4.2.2 DGS8800e電子調(diào)速系統(tǒng)及其PID調(diào)節(jié)單元78-79
• 4.2.3 Alphatronic 2000 PCS調(diào)距槳推進(jìn)控制仿真系統(tǒng)仿真界面79-81
• 4.3 船舶柴油機(jī)電子調(diào)速器PID參數(shù)優(yōu)化算法研究81-92
• 4.3.1 問(wèn)題的提出81-82
• 4.3.2 標(biāo)準(zhǔn)粒子群優(yōu)化算法82-85
• 4.3.3 基于多樣性增強(qiáng)與鄰域搜索策略的粒子群優(yōu)化(DESPSO)算法85-89
• 4.3.4 DESPSO算法性能測(cè)試89-92
• 4.4 DESPSO算法在柴油機(jī)PID參數(shù)優(yōu)化方面的應(yīng)用92-96
• 4.4.1 6S35MC型柴油機(jī)Matlab仿真模型92-93
• 4.4.2 優(yōu)化算法適應(yīng)度函數(shù)選取93
• 4.4.3 電子調(diào)速器PID單元參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)93-94
• 4.4.4 正常航行工況及惡劣工況仿真結(jié)果分析94-96
• 4.5 本章小結(jié)96-97
• 第5章 可視化輪機(jī)實(shí)操仿真系統(tǒng)及其評(píng)估算法研究97-128
• 5.1 引言97
• 5.2 可視化輪機(jī)實(shí)操評(píng)估系統(tǒng)的組成與網(wǎng)絡(luò)通信架構(gòu)97-99
• 5.3 輪機(jī)實(shí)操評(píng)估系統(tǒng)虛擬現(xiàn)實(shí)界面99-107
• 5.3.1 輪機(jī)虛擬場(chǎng)景的實(shí)現(xiàn)99-105
• 5.3.2 輪機(jī)可視化三維界面105-107
• 5.4 輪機(jī)實(shí)操評(píng)估系統(tǒng)模糊評(píng)估算法107-127
• 5.4.1 專家出題與評(píng)估規(guī)則設(shè)置107-111
• 5.4.2 基于模糊層次分析法的試題權(quán)重系數(shù)的確定111-113
• 5.4.3 輪機(jī)實(shí)操考試模糊評(píng)估算法設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)113-120
• 5.4.4 輪機(jī)實(shí)操考試自動(dòng)評(píng)估算法實(shí)例驗(yàn)證120-127
• 5.5 本章小結(jié)127-128
• 結(jié)論128-130
• 參考文獻(xiàn)130-139
• 攻讀學(xué)位期間公開發(fā)表論文139-140
• 致謝140-141
• 作者簡(jiǎn)介141

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