技术领域
[0001] 本
发明涉及一种
船舶喷水推进系统，基于MATLAB平台以
用户界面形式对系统进行控制仿真。
背景技术
[0002] 目前船舶所应用的推进方式中，喷水推进是近20余年急速发展成熟起来的一种特殊的推进方式，它将水流从船底吸入，经过推进
泵增速后通
过喷口向船后高速喷出，利用喷出水流的反作用
力来推动船舶航行。由于喷水推进装置采用的是不同于螺旋桨推进的“船体管道加推进水泵”特有方式，其部件间相互关系比较复杂，系统的工作特性与传统螺旋桨推进装置有较大的不同，人们对喷水推进理论和技术的认识和掌握远远不及螺旋桨推进技术深入。典型的喷水推进系统主要由
原动机及传动装置、推进水泵、
管道系统、操
舵与倒航组合操纵设备等部分组成。在设计喷水推进船舶时，需要满足主机、管道系统(包括水泵)和船体三方面的平衡，即主机的功率和
扭矩要与推进泵吸收的功率和扭矩相平衡；水泵的扬程要在系统效率较佳的前提下，与管道系统及喷射损失相平衡；
推进器系统的推力要和设计工况下的船体阻力和系统的附加阻力相平衡。而不象螺旋桨只需满足螺旋桨吸收功率、扭矩和主机功率、扭矩相平衡，因此决定喷水推进主要参数要比决定螺旋桨参数更为复杂。目前我国关于喷水推进的研究重点仍然局限于喷泵本体的设计与改进，有关船机泵三者在各种工况条件下的仿真动态配合情况的研究在国内较为少见。
[0003] 中国造船，1978年第1期刊登的“喷水推进主要参数的确定”，文中所提出的喷水推进参数确定的方法已成为现今设计喷水推进船舶的权威方法，但至今未有相应的程序出现令参数设计的方法简便化。
[0004] 至于仿真方面，船舶工程，2004年第6期刊登的“基于MATLAB_SIMULINK的船舶喷水推进仿真研究”，建立了一种喷水推进系统的仿真模型，进行了几种典型工况下的仿真，对系统的动态性能进行了研究。但并没有前期的参数设计过程，只是对现有的系统进行分析。
[0005] 船舶工程，2006年第2期刊登的“船舶喷水推进系统数学建模及仿真研究”，建立了另一种喷水推进系统的仿真模型，同样，在不同工况下进行了仿真以研究系统的动态性能。
发明内容
[0006] 本发明主要目的是实现船舶喷水推进系统的控制仿真，首先在得到给定船舶的尺寸参数和最大航速要求等前提条件的情况下，进行主机的选型和喷水推进泵主要参数的设计工作；然后，对喷水推进控制系统进行数学建模分析，利用MATLAB/Simulink仿真
软件构建出完整 的喷水推进系统的总
体模型，在设计工况下对整个喷水推进系统进行动态仿真，观察其响应曲线；最后，利用MATLAB/GUI图形界面设计工具，编写用户界面以便于实现喷水推进系统的参数计算以及实时观测系统在不同工况下的响应曲线。
[0007] 结合
附图5，基于MATLAB平台制作的喷水推进系统控制仿真用户界面详细说明本发明的实现步骤。
[0008] 第一步：将船舶的各项参数，即排水量、水线长、船宽、
吃水以及设计最大航速输入文本框，点击参数设计，通过点击参数设计的按钮，计算得出喷水推进系统的参数显示于右上侧，并绘制船体阻力特性曲线于左下。
[0009] 其原理可阐述如下：
[0010] 按图2所示，首先估计实船阻力。根据公式得实船的有效功率为： [0011]
[0012]
[0013] 式中Ce为海军部系数，Δ为排水量(t)，P为有效功率(KW)，V为船舶航速(m/s)，L为船长(m)。
[0014] 由此可知船舶运行时的有效功率，考虑到实际运行时15％的海况储备、15％的
发动机储备和5％的运行储备，即可得知所选用主机的功率。
[0015] 然后是喷水推进泵的选型，需要确定的主要参数是指泵的流量、压头、喷口面积及水泵类型。考虑到主机、喷水推进系统和船体三方面的平衡方程：
[0016] 推力方程：T＝R＝ρQ(Vj-Vi)
[0017] 功率平衡方程：Pi＝γQH/ηp
[0018] 扬程与损失平衡方程：
[0019] 在最佳喷速比下，对应的喷速为：
[0020] Vj＝koptVi
[0021] 扬程为：
[0022]
[0023] 流量为：
[0024]
[0025] 喷口直径为：
[0026]3 3
[0027] 式中ρ为液体
密度(kg/m)，Q为喷泵流量(m/s)，Vj为水流在喷口的喷速(m/s)，Vi为进口水流的速度(m/s)，k为喷速与进速之比，ζ为系统
水头损失系数。 [0028] 第二步：开始系统仿真。通过右下的输入框输入控制参数(航速设定值、P、I、D)后，点击确定按钮，便可实时观测到系统的动态响应曲线。
[0029] 第三步：改善系统动态性能。通过更改不同的控制参数(航速设定值、P、I、D)，以便得到更好的系统响应曲线。
[0030] 第二、三步的原理可阐述如下：
[0031] 构建该喷水推进系统的数学模型，对柴油机、喷水推进泵等系统各主要组成部件和船体的运动分别进行数学建模，然后将各分模型有机连接起来，最终构建出完整的系统总体仿真模型。
[0032] 首先，在已知设定航速以及船体主尺度的条件下，船体阻力的表达式为： [0033]
[0034] 并由喷泵与船体相互作用，根据
牛顿第二定律，可得：
[0035]
[0036] 然后，对于稳定工况下的柴油机，根据参考文献可得主机转速与
油门杆位移之间的传递函数为：
[0037]
[0038] 执行机构的数学模型为：
[0039]
[0040] 接着，由之前可知喷泵所提供的推力表达式：
[0041] T＝ρQ(Vj-Vi)
[0042] 流量为：
[0043]
[0044] 喷泵所需的轴功率为：
[0045] Pd＝γQH/ηp＝Psηs
[0046] 喷泵扬程为：
[0047]
[0048] 进口流速为：
[0049] Vi＝(1-ω)Vs
[0050] 喷口流速为
[0051]
[0052]
[0053]
[0054] 式中ηp为喷泵效率，取0.85；ηs为轴系效率，取0.98；ζ为喷水推进系统水头损失系数，取0.2。
[0055] 于是据此，分别建立各子系统的仿真模型，最终构建完整的舰船喷水推进系统总体仿真模型如图3所示。
[0056] 最后将控制参数表现于用户界面上以便于控制与观测。
[0057] 第四步：点击结束按钮，关闭系统界面。
附图说明
[0058] 图1是喷水推进系统结构图。
[0060] 图3是喷水推进系统仿真模型图。
[0061] 图4是以航速为控制对象的系统响应曲线图。
[0062] 图5是船舶喷水推进系统控制仿真用户界面图。
[0063] 图6是用户界面参数计算图。
[0064] 图7是用户界面系统仿真图。
[0065] 图8是用户界面参数调整图。
[0066] 图1为喷水推进系统结构图，主要由原动机及传动装置、推进水泵、管道系统、操舵与倒航组合操纵设备等部分组成。其中原动机并未在图中表现出来。
[0067] 图2是喷水推进系统参数设计框图，在计算喷水推进系统参数时，以此设计喷水推进系统各部件的主要参数。
[0068] 图3是喷水推进系统仿真模型图。以航速为设定控制对象，建立包括柴油机、喷水推进泵以及船体在内的系统总体仿真模型。
[0069] 图4是在设定值突变的工况下进行仿真研究。设开始船舶设定航速为10m/s，在t＝100秒时船舶需要
加速，设定航速为13m/s，于此工况下进行仿真得到响应曲线。 [0070] 图5是船舶喷水推进系统控制仿真用户界面图，在输入船舶排水量、水线长、船宽、吃水深和设计最大航速后，输出喷水推进系统的各主要参数(主机功率、喷口直径、流量和扬程)，以及船体阻力特性曲线，并将相应的参数赋值给Simulink中对应的模
块。然后通过程序可以更改喷水推进系统仿真模型的控制参数(航速设定值和PID参数)，进行仿真并输出示波器中的响应曲线。其实际运行界面如图6、图7与图8所示。
具体实施方式
[0071] 本发明完成了船舶喷水推进系统的控制仿真。以某船为例，其主尺度：长103米，舷宽10.8米，吃水3.1米；排水量：标准排水量1674吨，满载排水量1924吨；航速：26节。按本方法以航速为控制对象，设计PID
控制器对整个系统总体进行动态仿真，设开始船舶设定航速为10m/s，在t＝100秒时船舶需要加速，因此设定航速为13m/s。仿真结果如图
4所示。
[0072] 可见开始40s内船舶稳定运行在10m/s下，后船舶加速时系统基本无超调量，过渡过程时间约为40秒左右。故该系统
稳定性比较好，具有较好的准确性，无稳态误差，可及时
跟踪航速设定值的变化。
[0074] 以上述实船为例，基于本发明给出的用户界面进行动态仿真。
[0075] 界面运行后，输入船体的各项参数(排水量：1764，水线长：103，船宽：10.8，吃水深：3.1，最大航速：13.3756)后，点击参数设计，便可得到如图6所示结果。可见喷水推进系统的主要参数已经计算并显示，左下
角的曲线为船舶的阻力特性曲线。 [0076] 然后点击“系统仿真”按钮，输入设定航速为11，P：4，I：0.2，D：0.1，点击按钮后系统界面如图7所示。其左下角的曲线变为了运行系统仿真模型后的阶跃响应曲线。 [0077] 接着更改系统控制参数，输入设定航速为10，P：3，I：0.13，D：0.06，点击确定后界面显示如图8所示。
[0078] 可以尝试多组不同的参数观察系统仿真结果，以改善系统动态性能。 [0079]
