潜艇动力系统能量使用及建模方法研究*

周建文 孙俊忠 周智勇

(1.海军潜艇学院研究生队 青岛 266042)(2.海军潜艇学院动力操纵系 青岛 266042)

潜艇动力系统能量使用及建模方法研究*

周建文1孙俊忠2周智勇2

(1.海军潜艇学院研究生队 青岛 266042)(2.海军潜艇学院动力操纵系 青岛 266042)

为发挥好动力系统为战术服务的目的,根据潜艇动力系统的特性,对潜艇能量使用情况进行分析,按照能量使用的过程和工况特性对潜艇动力系统建模方法进行研究,指出了不同建模方法的优劣性,为建立准确的数学模型提供依据。

动力系统; 蓄电池; 推进系统; 辅机

Class Number TP391.41

1 引言

常规动力潜艇为了保持隐蔽性,在执行航行、作战任务时,为了减少暴露率,必须减少充电次数和合理地选择充电时机、充电时间;另外在满足战术条件下,可以选择最优的动力系统使用方案,达到合理利用能量的目的。基于现状,对潜艇动力系统能量合理、有效地分析和使用是亟待解决的问题,必须选择合理的建模方法建立准确的能量使用模型对动力系统进行定量的分析。

2 动力系统能量使用分析

蓄电池和发电机是常规潜艇最重要的电源装置,它是所有机械的动力源泉;推进电机是电量消耗最大的装置,它带动传动轴的旋转产生力矩,使螺旋桨转动,从而使潜艇运动;照明、导航、武备、通信等辅助设备是电量消耗较少的装置,是潜艇航行和作战的平台。

1) 柴发机组——蓄电池的能量使用

此过程是化学能——机械能——电能——化学能的能量传递过程,柴油机消耗燃油带动发电机转子转动,发电机转子的旋转在励磁电流的作用下切割定子线圈产生电流,向蓄电池充电,蓄电池以化学反应的形式储存化学能,同时使电解液浓度不断上升。

2) 蓄电池——推进电机的能量使用

此过程是化学能——电能——机械能的能量传递过程,蓄电池内部物质的化学反应产生电流,带动推进电机转动,推进电机的转动带动传动轴转动将机械能传递给螺旋桨,从而使潜艇动作。

3) 蓄电池——辅机的能量使用

此过程是化学能——电能——其他形式能量的过程,蓄电池内部物质的化学反应产生电流,通过配电网络供给辅助设备。

从上述可知能量使用的过程是能量转换和再分配的过程,在这个过程中由于载体自身的特性、传输过程中的损耗等因素的影响,在不同的工况下差别很大;特别是蓄电池组,由于放电电流随战术的需要变化较快,不同的放电电流对蓄电池放电电量的影响很大,能量的传递是非线性的。

3 动力系统建模方法研究

根据能量使用的过程、能量消耗的大小和工况特性,把动力系统分为柴发机组模块、蓄电池模块、推进系统模块、辅机模块。这四部分的划分,一方面突出了动力系统作战使用的主要装备,如蓄电池、柴发机组和推进系统,能较为准确地分析清楚设备的运行状况,便于进行重点研究;另一方面将服务于主要装备的各类辅机负载,如空调、通风机、各种泵等,统一归纳为辅机负载模型,有利于充分研究辅机的使用对潜艇续航力、暴露率的影响。

3.1 柴发机组模型

柴发机组主要用于潜艇水面状态、通气管状态和停靠码头时向推进电机及其它用电设备供电,向蓄电池组浮充电或充电。模型的建立主要是为柴发机组航行充电工况服务的,研究柴发系统功率、耗油量与效率之间的关系,结合蓄电池充电电流的大小,就能较准确地得出蓄电池的充电时间。首先把柴发机组分为柴油机和发电机两大系统,然后分别建立柴油机模型和发电机的模型[1]。

3.1.1 基于能量公式的模型

1) 柴油机模型:通过研究柴油机的缸内传热过程和机械运动过程以及能量转换关系,分别建立工程热力学过程和机械运动过程的数学模型,然后再综合建立柴油机的模型。把柴油机分为缸内过程、进排气、涡轮增压器、消声冷却器等几部分,列出了传热方程、放电率方程、容积变化方程、进气阀口流量方程、质量守恒方程、气体状态方程、排气压力变化方程、涡轮特性方程。

2) 发电机模型:利用发电机效率曲线,通过发电机效率和输出功率的关系式建立发电机的数学模型。

3) 柴发机组模型:对柴油机和发电机列出的各方程式进行合并,求出耗油率与输出功率的关系。

优点:柴油机模型各子模型分块比较合理,基本上完整地反映了柴油机的内部工作过程;发电机模型利用经验公式回归的方法,简便易于操作。

缺点:柴油机模型过于复杂,公式中许多参数难以获得,可操作性较差,不适合作战使用研究;发电机模型所用经验公式没有严格的数学证明或实验数据验证,因而缺乏可靠性;所建模型的健壮性较差,容易受到外界干扰因素的影响。

3.1.2 基于作战使用的潜艇动力系统柴发机组模型

1) 柴油机数学模型为

l=c/v+d

(1)

其中c、d为常系数,v为柴油机输出功率,l为柴油机耗油率。式(1)是根据柴油机的输出功率和耗油率的数据,采用拟合的方法得出的。

2) 发电机数学模型为

f=mv

(2)

其中,f为发电机输出功率,m为发电机效率(常数),v为柴油机输出功率(等于发电机输入功率)。式(2)是利用发电机的效率曲线通过数据回归的方法获得。

3) 联合式(1)、式(2)即得柴发机组数学模型:

l=mc/f+d

(3)

其中c、d为常系数,这样就建立了耗油率与发电机输出功率的关系。

此模型公式比较简单,实用性较强,经过数据验证准确度较高。

3.2 蓄电池模型

电池模型建立的方法有很多,主要分为两种:电化学模型和电特性模型。前者主要用于铅酸蓄电池的制造、管理和维护,并不注重体现铅酸蓄电池的充放电特性;后者主要用于仿真铅酸蓄电池的充放电过程。另外还有基于V_R模型与卡尔曼滤波器的研究,基于灰色理论的研究,但大都不实用。下面主要介绍三种模型建立方法:电化学模型、等效电路模型和神经网络模型。

3.2.1 电化学模型

根据电化学理论和实验数据进行拟合分析,得出一些经验公式,再根据这些经验公式的推导和分析,预测蓄电池的剩余容量,从而形成电化学经验公式模型。电化学经验公式主要包括Peukert经验公式、Shepherd方程、Shepherd改进方程等。

3.2.2 等效电路模型[2]

由于蓄电池充放电过程与电容充放电过程的外在表现相近,两者随时间变化的电压曲线比较相似,目前国内外流行的建模方法是搭建一个由若干电容和阻抗组成的等效电路,再在等效电路的基础上精心设计充放电实验,通过实验数据确定电容和阻抗随时间变化的函数,具有代表性的模型有以下几种:

1) “RC模型”(电阻—电容模型),该模型在建模的过程中考虑了电池的瞬时影响;

2) “UltrapCap模型”(超级电容模型),这是一种碳基结构的超级电容模型(双层电容、电化学电容)。相对于电池而言,该模型在很多方面相对简单,但它的电容并非电学电容,而是一种电化学电容,故在能量存储和释放方面与普通电容相比有着本质的不同;

3) “Rint模型”(内阻模型)。该模型最初是在美国国家工程实验室的工作基础上建立的,它以电池电压源和内阻为特征变量。

以上的建模方法过于简单,模型建立时没有考虑电解液温度以及蓄电池放电历史对电压输出的影响,使得仿真结果的精度不高。

3.2.3 神经网络模型

采神经网络建立的蓄电池数学模型输入设为电流和功率,输出为耗电量(单位为度),这种方式符合潜艇估算蓄电池电量的习惯。以图1径向基函数网络图为例,它是一种两层前向型神经网络,包含一个具有径向基函数神经元的隐层和一个具有线性神经元的输出层[3]。

图1 神经网络模型

基于神经网络的建模的方法应用比较广泛,是一种比较成熟的方法,其关键是选择合理的网络结构、优化算法以及大量合理的实验数据[4]。

用此方法对蓄电池进行建模,经实验可以达到的误差在3%以内,精度满足一般要求,且算法收敛较快,但在小电流段内与大电流段内均表现出仿真值低于实测值;径向基网络在同样数据条件下的精度约为2%,精度更高,但其算法收敛慢[5]。

3.3 推进系统模型

主推电机模型研究各种工况下主机的转速、航速、电流、功率与效率之间的关系,它反映了艇、机、桨的配合程度。主推电机模型看似简单,但其实际上与海流、艇况等因素密切相关。

主要研究推进电机在不同输入电流情况下的耗电情况,推进系统模型即为推进系统耗电模型。

采用能量公式方法的建模,其步骤如下:

1) 列出主控板至推进电机(单电枢)情况下的功率损耗方程,分别是电枢绕组损耗方程、励磁铜耗方程、换向器与电刷的接触损耗方程、励磁调节器损耗方程、经航调节器损耗方程、铁耗方程、机械损耗方程、通风机损耗方程、其余损耗方程。

2) 根据调速方式的不同分为主航工况和经航工况。分别列出电压平衡方程、功率平衡方程、感应电动势方程、励磁关系方程。并采用迭代法求出电枢电流Ia和励磁电流Il。

3) 在主航工况下:把求出的电枢电流Ia和励磁电流Il带入功率损耗公式,求出励磁调节器电流IL及通风机电流If,得出蓄电池向推进电机提供的总电流IT=Ia+IL+If;经航工况下一般不启动通风机,同理得出蓄电池向推进电机提供的总电流IT=Ia+IL。

这样就建立了推进电机输入总电流与转速的模型,根据转速的变化得出推进电机输入电流,这个工作电流是蓄电池放电电流的一部分,有利于与动力系统其它模型匹配。

3.4 辅机模型

潜艇有上百台辅机,有些功率消耗很小;有些使用频率很低;有些功率虽小,但使用频繁、累积电量消耗较大;有些功率消耗大,使用时机随潜艇部署和季节环境变化。如要建立数学模型,考虑的随机因素比较多,没有规律可循。大多采用数理统计和曲线拟合的方法建立辅机的数学模型。

1) 辅机耗电按额定的35%计算。

2) 根据各种辅机的特点和潜艇上的实际情况,将辅机的消耗功率做如下分类:

· 管制用电:只允许一类辅机运行,辅机严格限制。

· 节约用电:只允许一、二类辅机运行,空调不开。

· 正常用电:一、二、三类辅机全部正常允许,包括空调。

· 平均用电:三类负载加权平均:(1)10%的时间潜艇处于管制用电,即除必须开的辅机外,其余全部停;(2)45%的时间潜艇处于节约用电状态,不包括空调;(3)另外的45%时间,正常使用全部辅机,包括空调等。

3) 由于空调和通风机是辅机中主要的耗电设备,把潜艇水下航行时辅机用电设备的工作情况分为四种情况:空调和通风机均使用时、不使用空调时、不使用通风机时、空调和通风机均不使用时,然后根据统计数据,用平均使用时间乘以其功率。

以上根据经验分析、敌情情况、功率大小情况给出了不同的模型建立方法,在实际的使用中可根据情况选择。

3.5 各分系统模型的匹配及相互关系

潜艇在通气管充电航行时,柴发机组向蓄电池充电,并提供给推进电机和辅机电量,柴发机组的电流近似等于蓄电池充电电流、推进电机和辅机工作电流之和。在水下航行时,推进电机和辅机所消耗的电量则完全由蓄电池提供,蓄电池处于放电状态,蓄电池的放电电流近似等于推进电机电流和辅机用电设备工作电流之和。由它们之间电流的关系,可以把各分系统模型联系起来,从而建立了常规潜艇动力系统模型。

4 结语

本文主要对建立潜艇动力系统模型的方法进行研究,在实际的应用中需要参照大量的实验数据进行数学建模,并根据不同工况来合理的组合运用模型以达到战术使用的目的。

[1] 许建.常规潜艇动力系统建模与仿真[J].华中理工大学学报,1998(12):13-15.

[2] 马守军,庄亚平,陈新传.潜艇蓄电池建模策略分析[J].船电技术,2004(4):23.

[3] 王斯成.蓄电池剩余电量(SOC)数学模型探讨[J].太阳能学报,2005(2):19-20.

[4] 赵兴福.电动汽车蓄电池的建模与仿真[J].武汉理工大学学报,2004(2):33-35.

[5] 周开利,康耀红.神经网络模型及其MATLAB仿真程序设计[M].北京:清华大学出版社,2005.

[6] 路红山,许建,张京伟,等.潜艇动力系统任务维修性建模[J].中国舰船研究,2008(4).

[7] 许建.潜艇蓄电池放电过程的仿真研究[J].电源技术,1998(2).

[8] 周智勇,孙俊忠,龚文超.潜艇航渡过程的动力系统辅助决策研究[J].指挥控制与仿真,2013(2).[9] 许建,陈国华,朱英富.柴电潜艇混合航行工作制仿真研究[J].华中理工大学学报,1998(7).

[10] 唐剑飞,桂永胜.常规潜艇动力系统的信息化平台[J].中国舰船研究,2006(3).

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,硕士研究生,研究方向:舰船装备学。孙俊忠,男,博士后,教授,研究方向:船舶动力系统及仿真。周智勇,男,硕士,副教授,研究方向:船舶动力系统及仿真。

TP391.41

10.3969/j.issn1672-9730.2014.12.023