基于VeriStand的硬件在环核电应急柴油机仿真系统设计

张杰 吴苏敏

摘要：考虑核电应急柴油发电机组设备安全及经济性，对电子控制系统控制策略的验证需借助应急柴油机实时仿真模型来进行。提出了一种基于VeriStand的硬件在环核电应急柴油机仿真系统，对应急柴油机实时仿真模型进行功能测试，以确定电子控制系统的控制功能。

关键词：应急柴油机;仿真系统;硬件在环;验证;控制策略;电子控制系统

中图分类号：TM623.9                                   文献标识码：A                                  文章编号：1674-957X（2021）15-0097-02

0  引言

核电应急柴油机在紧急情况下被电子控制系统（电子控制系统）控制起动;向核电站核安全系统提供应急电源，保证反应堆安全停堆。电子控制系统控制策略的优良决定了应急柴油机运行的正常与否。

硬件在环技术实现了对电子控制系统控制策略的验证，同时V模式的验证方案缩短了验证周期。故本文基于VeriStand硬件在环平台，提出了一种有效的硬件在环核电应急柴油机仿真系统。系统包括电子控制系统、执行器、应急柴油机实时仿真模型、VeriStand硬件在环平台（NI控制器及板卡、柴油机模型显示控制界面）。首先对电子控制系统及执行器硬件在环技术进行原理阐释;其次针对采用的VeriStand硬件在环平台，具体说明柴油机模型的构建方法以及其与电子控制系统及执行器通信的原理;最后对所设计的硬件在环系统进行实验，证明了该设计的可行性。

1  仿真系统总体设计方案

仿真系统采用NI公司的VeriStand硬件在环平台，该平台包括PXI系列控制器及板卡、自行设计的柴油机模型显示控制界面。将实时柴油机模型编译进控制器，并且通过板卡I/O接口实现模型与电子控制系统及执行器的通信，可以快速完成硬件在环仿真系统的搭建及后续仿真功能。

2  应急柴油机实时仿真模型的搭建

柴油机模型的搭建基于MATLAB/Simulink平台，包括燃油系统子模型、进排气系统子模型、气缸系统子模型、动力学系统子模型、虚拟控制系统子模型、I/O接口子模型、故障注入子模型。

燃油系统子模型通过供油量、齿条位置及喷油特性等数据。供油量q与齿条位移l及柴油机转速n及系数k、k0、k1的关系为：

进排气系统子模型计算平均有效扭矩、提供进排气系统状态;包括进气管、中冷器、五组涡轮增压器、排气管等部分;

中冷器出口温度TO与进口温度TI的关系：

式中，ε为中冷器冷却系数，一般取0.7-0.9;TW为冷却水温328K。

压气机的计算通过查找相应的增压器特性曲线MAP来计算，根据转速和压比计算压气机的效率和質量流量，依据以下公式计算：

式中R为气体常数，k为气体绝热指数，Ta为环境温度，Pa为大气压力。

气缸子系统模型通过热力学公式及MAP模拟柴油机运行过程中缸内的进气、压缩、做功、排气过程。

动力学系统子模型实现柴油机转速的计算和负载扰动的影响。其中指示扭矩计算公式为：

其中HLHV为燃料的低热值，ηi为热效率，通过空燃比MAP获取。

虚拟控制系统子模型用于在模型在环状态下实现模型自身的闭环计算及运行。

I/O接口子模型实现了柴油机模型运行所需的执行器位移、齿条位移、起动空气压力等数据的输入以及柴油机转速、各涡轮增压器转速、执行器位移等实时运行数据的输出。

故障注入子模型提供了柴油机运行过程中典型的故障，实现单一故障或多故障的注入柴油机模型，有助于检验电子控制系统的控制策略。

3  VeriStand硬件在环平台设计

VeriStand为NI公司推出的专用与硬件在环仿真系统的软件。VeriStand硬件在环平台包括NI控制器及板卡、柴油机模型显示控制界面两部分。柴油机模型被编译在NI控制器中。借助VeriStand硬件在环平台可实现了柴油机模型与电子控制系统及执行器的实时信号传递;实现柴油机模型运行情况的实时监控。

3.1 NI控制器及板卡

NI控制器PXI系列的控制器及板卡是高效的模块化实时模型运行、信号转换及输入输出设备。通过该NI控制器及板卡，利用VeriStand软件进行板卡的I/O接口与柴油机模型中的I/O接口子模型的信号配置后，可将柴油机模型运行中的转速、执行器位移等信号输入电子控制系统，将电子控制系统控制后的齿条位移信号输入模型。该NI控制器通过以太网与PC上位机进行连接。

3.2 柴油机模型显示控制界面

利用VeriStand软件进行柴油机显示控制界面的搭建，界面包括柴油机起停、加减载、转速实时显示等功能。故通过该显示控制界面能够直观判断电子控制系统控制策略有效与否。

4  仿真系统测试实验及结果分析

仿真系统测试试验控制功能包括在电子控制系统的控制下仿真模型的起动、加减载、涡轮增压器切入切出。

4.1 仿真模型起动验证

仿真模型初始转速为0，空气压缩机给予模型起动扭矩，将转速升至给定转速而空气压缩机投出，喷油开始，并进行转速开环控制，至转速升至600r/min后转为电子控制系统闭环控制，电子控制系统控制转速保持在600r/min。在仿真模型起动验证中，转速响应曲线如图1所示。

验证结果表明，本仿真系统足以满足应急柴油机硬件在环起动性能的需求，仿真模型响应迅速，稳定性好。

4.2 仿真模型加减载验证

仿真模型的额定空载状态下的转速为1560r/min。加载验证时转速由0增至额定转速，增加负载至3000Nm，转速出现变动如图2所示。

减载验证时，初始负载为3000Nm，转速为1540r/min，在将负载降至0，得到转速响应曲线，如图3所示。

验证结果表明，当负载突变时，内齿条位移能在电子控制系统控制下重归稳定，转速有小范围波动，但恢复为突变前转速所需时间很短。本仿真以满足应急柴油机硬件在环加减载性能的需求，且调速性能良好。

4.3 仿真模型涡轮增压器切入切出验证

仿真模型在初始转速时开始验证，此时增压器切入曲线如图4。

验证结果表明，仿真模型由转速为0，到转速上升的初期，因被空气压缩机带动，故喷油器未工作，增压器转速为0;当转速大于给定值后，齿条动作，开始喷油，增压器A1/A2转速上升，当A1/A2转速达到37000r/min时，增压器B1切入，B1转速由0开始迅速升高，达到3800r/min时，增压器B2切入，B2转速超过41000r/min时，B3切入，此时5组增压器全部切入，且转速最后均稳定在39000r/min左右。

5  结语

本文提出基于VeriStand的硬件在环核电应急柴油机仿真系统，首先从系统设计的角度阐释电子控制系统及执行器硬件在环技术原理;后续阐明了核电应急柴油机实时模型的搭建原理、编译方法，以及其与电子控制系統及执行器通信的原理方法;提出了VeriStand硬件在环平台的设计方法;利用所设计的硬件在环系统开展控制功能及故障注入功能验证实验，证明了该设计的可行性。

基于VeriStand硬件在环平台，通过集成NI控制器及板卡、利用VeriStand软件等，快速完成了本硬件在环仿真系统的设计，降低开发成本、提高经济性;利用本仿真系统能完成对电子控制系统控制策略的验证;实验结果表明本仿真系统中自行搭建的柴油机模型保证了实时性与精度要求，模拟了实际柴油机的工作性能，足应用于本仿真系统完成对电子控制系统控制策略的验证。

参考文献：

[1]杨学平.基于LabCar硬件在环测试系统的研究[D].昆明理工大学，2014.

[2]苏岩，刘忠长，郭亮，等.基于PID对柴油机怠速稳定性控制的研究与优化[J].内燃机工程，2008，29（3）：20-24.

[3]Angkititrakul P， Terashima R， Wakita T. On the use of stochasticdriver behavior model in lane departure warning. Intelligent Transpor-tation Systems， 2011， 12（1）： 174-183.