伍賽特
(上海汽車集團(tuán)股份有限公司,上海 200438)
本文所說的燃?xì)廨啓C(jī)聯(lián)合動(dòng)力裝置控制是指推進(jìn)裝置的控制,即從燃?xì)廨啓C(jī)機(jī)組至螺旋槳的整個(gè)推進(jìn)系統(tǒng)所有部件的聯(lián)合控制。不僅要控制燃?xì)廨啓C(jī)機(jī)組本身,還要控制其后傳動(dòng)的各部件,如齒輪箱離合器、調(diào)距槳,以及由其驅(qū)動(dòng)或?yàn)槠浞?wù)的各種輔助機(jī)械。如果是電力推進(jìn)裝置,則還必須控制由其驅(qū)動(dòng)的發(fā)電機(jī)以及帶動(dòng)螺旋槳的電動(dòng)機(jī)[1]。而且,在軍用船舶上,一個(gè)推進(jìn)軸系中不止一臺(tái)燃?xì)廨啓C(jī),一般總是2臺(tái)或更多燃?xì)廨啓C(jī)共軸,或與柴油機(jī)共軸,以適應(yīng)各種航行狀態(tài)的要求[2]。因此,在操縱系統(tǒng)中要考慮這些機(jī)組并車運(yùn)行或相互轉(zhuǎn)換的問題。故燃?xì)廨啓C(jī)聯(lián)合動(dòng)力裝置的操縱控制所涉及的內(nèi)容非常廣泛[3]。
艦艇在各種航行狀態(tài)下要求燃?xì)廨啓C(jī)機(jī)組提供相應(yīng)的功率以保證艦艇獲得所需要的航速,為此,必須對(duì)燃?xì)廨啓C(jī)機(jī)組進(jìn)行控制,控制的方法有2種。一種叫做速度控制,即根據(jù)駕駛員下達(dá)的指令使動(dòng)力渦輪達(dá)到指令所需的轉(zhuǎn)速,從而保證艦艇的航速。另一種控制方式叫做功率控制,即主要控制燃?xì)獍l(fā)生器的轉(zhuǎn)速,而動(dòng)力渦輪有一超速調(diào)速器防止其轉(zhuǎn)速超過安全運(yùn)行的范圍。燃?xì)獍l(fā)生器的轉(zhuǎn)速一定時(shí),則其提供的燃?xì)鈩?dòng)力能一定,因而動(dòng)力渦輪輸出的功率也基本上是恒定的。這時(shí),動(dòng)力渦輪的轉(zhuǎn)速取決于其輸出軸所受的負(fù)載,當(dāng)其轉(zhuǎn)速超過安全值時(shí),超速調(diào)速器起作用。
如果動(dòng)力渦輪的噴嘴是隨著負(fù)荷的變化而進(jìn)行調(diào)整的,則自動(dòng)控制系統(tǒng)必須把噴嘴的調(diào)整和燃油的調(diào)整聯(lián)合起來控制(和燃油與調(diào)距槳的螺距聯(lián)合起來控制的情形相似),改變噴嘴的目的是為了維持燃燒室出口溫度于額定值,以改善部分負(fù)荷時(shí)的發(fā)動(dòng)機(jī)效率。當(dāng)速度或功率調(diào)節(jié)器調(diào)整燃油量以適應(yīng)負(fù)荷變化時(shí),噴嘴自動(dòng)控制系統(tǒng)調(diào)整噴嘴的位置以保持上述溫度(或與之密切相關(guān)的溫度,如排氣溫度)不變,但是壓氣機(jī)喘振的限制妨礙了在整個(gè)負(fù)荷范圍內(nèi)足夠?qū)拸V地維持溫度不變。因此在低功率時(shí)必須進(jìn)行程序控制。典型程序是:在負(fù)荷為0%~50%時(shí)使壓氣機(jī)轉(zhuǎn)速維持在其額定值的80%不變。溫度隨著負(fù)荷而變,至50%負(fù)荷時(shí)達(dá)到額定溫度,然后噴嘴維持不變,而允許壓氣機(jī)轉(zhuǎn)速升高,在100%負(fù)荷時(shí)達(dá)到額定轉(zhuǎn)速。
所謂瞬態(tài)控制是指燃?xì)廨啓C(jī)機(jī)組的工況大幅度變化時(shí),為了確保安全運(yùn)行而對(duì)某些參數(shù)給予必要的控制。首先需要控制的是燃油流量,無論是加油還是減油都不能太快,因此燃油流量的變化速度必須給予限制。譬如加油時(shí),燃油流量的突然增加會(huì)導(dǎo)致轉(zhuǎn)速和溫度的急增,而正常的保安設(shè)備還沒有來得及起保護(hù)作用,因此加油必須限制,或者采取限制加油速度的方式,或者采取以空氣流量增加速率來制約燃油量增加速率的方式。壓氣機(jī)的排出壓力常被用作測(cè)量空氣流量的間接參數(shù),燃油流量被限制在不因空氣/燃油比的變化而使溫度過分升高,因此燃油的增加速率限制在燃?xì)獍l(fā)生器所能夠加速的水平上。
減油則存在相反的危險(xiǎn)性:突然關(guān)小油門使得空氣/燃油比率太高以致引起熄火,因此,燃油減少的速率通常被限制在不至于熄火的范圍內(nèi)。
以某驅(qū)逐艦為例,其裝備有2臺(tái)奧林普斯(Olympus)燃?xì)廨啓C(jī)和2臺(tái)泰因(Tyne)燃?xì)廨啓C(jī),前者在全功率和機(jī)動(dòng)工況時(shí)使用,后者在經(jīng)濟(jì)巡航工況時(shí)使用。加速機(jī)和巡航機(jī)通過齒輪箱驅(qū)動(dòng)變距槳,SSS離合器和齒輪箱在一起,可使奧林普斯燃?xì)廨啓C(jī)與輸出軸相連接,或者使泰因燃?xì)廨啓C(jī)輸出功率。
控制系統(tǒng)的中心是機(jī)械控制臺(tái),其位于機(jī)械控制室(MGR)中,控制臺(tái)上配備有一個(gè)操縱桿控制一個(gè)推進(jìn)系統(tǒng),操縱桿發(fā)出指令,控制系統(tǒng)自動(dòng)地控制被選定的發(fā)動(dòng)機(jī)以及螺旋槳,操縱桿的移動(dòng)范圍為100°。
像一般的現(xiàn)代化推進(jìn)裝置控制系統(tǒng)一樣,可以在駕駛臺(tái)直接控制推進(jìn)裝置,也可以由輪機(jī)值班人員在機(jī)械控制室根據(jù)駕駛臺(tái)的車鐘信號(hào)來控制推進(jìn)裝置。在駕駛臺(tái)控制時(shí),駕駛臺(tái)上的操縱桿一移動(dòng),機(jī)械控制室的操縱桿也跟著同步移動(dòng),并對(duì)推進(jìn)裝置的功率螺距控制器發(fā)出指令。
上文介紹了燃?xì)廨啓C(jī)與燃?xì)廨啓C(jī)交替推進(jìn)調(diào)距槳的聯(lián)合控制系統(tǒng)[4],即COGOG的控制系統(tǒng)。隨著大功率中高速柴油機(jī)技術(shù)的發(fā)展[5],用柴油機(jī)作為大中型水面艦船的巡航機(jī)組,與作為加速機(jī)的大功率燃?xì)廨啓C(jī)交替推進(jìn)調(diào)距槳,構(gòu)成CODOG裝置。這種裝置將成為我國(guó)海軍大型水面航艇動(dòng)力裝置發(fā)展方向之一。下文介紹一種CODOG裝置的聯(lián)合控制。這種裝置用MTU的高速柴油機(jī)作為巡航機(jī),以LM2500燃?xì)廨啓C(jī)為加速機(jī),通過SSS自動(dòng)同步離合器和減速器驅(qū)動(dòng)調(diào)距槳,一般驅(qū)逐艦應(yīng)具備兩套這樣的推進(jìn)裝置。這類裝置的運(yùn)行方式可分為以下3種。
(1)柴油機(jī)巡航運(yùn)行方式,柴油機(jī)通過SSS離合器和減速器與推進(jìn)軸系結(jié)合,為調(diào)距槳提供助力,而燃?xì)廨啓C(jī)被脫開,或被停機(jī),或處于空轉(zhuǎn)狀態(tài)[6]。
(2)燃?xì)廨啓C(jī)運(yùn)行方式,燃?xì)廨啓C(jī)通過SSS離合器和減速器與推進(jìn)軸系結(jié)合,為調(diào)距槳提供動(dòng)力,而柴油機(jī)被脫開、或被停機(jī)、或處于空轉(zhuǎn)狀態(tài)。
(3)發(fā)動(dòng)機(jī)相互切換的運(yùn)行方式,在艦艇航行期間,當(dāng)需要由巡航狀態(tài)轉(zhuǎn)入加速狀態(tài),或相反轉(zhuǎn)換時(shí),則就要求柴油機(jī)運(yùn)行方式和燃?xì)廨啓C(jī)運(yùn)行方式之間進(jìn)行相互切換,這不是一種長(zhǎng)時(shí)間的運(yùn)行方式,而僅僅是一種過渡的短時(shí)間運(yùn)行方式,但作為OODOG裝置的聯(lián)合控制系統(tǒng),必須考慮這種過渡運(yùn)行的特殊要求。
柴油機(jī)-燃?xì)廨啓C(jī)推進(jìn)裝置遠(yuǎn)操縱系統(tǒng)(Remote Control System),RCS-DOG,該系統(tǒng)的核心是微處理機(jī),設(shè)計(jì)緊湊,被置于比較狹小的控制盤內(nèi),控制盤在主控室MCR,要求系統(tǒng)使用方便、易于保養(yǎng)和安全可靠,其必須具備下列3種可供選擇的操縱方式。
(1)全自動(dòng)控制:由一根操縱桿發(fā)出的指令,通過電子控制設(shè)備自動(dòng)地調(diào)整柴油機(jī)或燃?xì)廨啓C(jī)的功率輸出和調(diào)距槳的螺距以適應(yīng)艦艇航行的要求。
(2)半自動(dòng)方式:通過MCR的控制盤上批按鈕,借助儀表來對(duì)推進(jìn)裝置的各部分進(jìn)行控制。
(3)機(jī)旁操縱:借助各自的就地操縱盤LOP(Local Operaging Panel),分別在機(jī)艙的各個(gè)部位對(duì)柴油機(jī),燃?xì)廨啓C(jī),調(diào)距槳和離合器齒輪箱等進(jìn)行操縱。
全自動(dòng)控制時(shí),可以在橋樓進(jìn)行操縱,也可以在主控室MCR進(jìn)行操縱。橋樓與主控室之間有一隨動(dòng)系統(tǒng)傳遞操縱指令,操縱部位的轉(zhuǎn)換借助于按鈕來進(jìn)行。
上述柴油機(jī)-燃?xì)廨啓C(jī)推進(jìn)裝置的遠(yuǎn)操縱系統(tǒng)RCS-CODOG中要確定的是在穩(wěn)態(tài)工況下航速與調(diào)距槳的螺距,航速與螺旋槳的轉(zhuǎn)速(即柴油機(jī)或燃?xì)廨啓C(jī)的轉(zhuǎn)速)之間的關(guān)系[7-8]。這種函數(shù)關(guān)系可以通過船機(jī)槳的工況匹配訓(xùn)算,并且最終在試航時(shí)得以驗(yàn)證或修整。
船舶在正車航行時(shí),對(duì)應(yīng)于任何一個(gè)航速都使螺距達(dá)到在該航速下的最大值,而柴油機(jī)或燃?xì)廨啓C(jī)的轉(zhuǎn)速則處于該航速下的最小值。最大的螺距,最小的轉(zhuǎn)速使其調(diào)距槳處于最高的效率下運(yùn)轉(zhuǎn),因而耗油量最小,這和民用船舶有些不同。而在倒車時(shí)和正車不一樣,隨著后退航速指令的增加,倒車螺距和轉(zhuǎn)速同步增加,這和美國(guó)早期的COGOG全燃驅(qū)動(dòng)的DDH-280驅(qū)逐艦的航速螺距、轉(zhuǎn)速的匹配線不同。后者在慢速倒車時(shí)轉(zhuǎn)速保持在最小值而首先增加倒車螺距。顯然,前者的機(jī)動(dòng)性要比后者為好。代表航速的指令是和橋樓或主控室的操縱手柄的位移成比例的。
應(yīng)當(dāng)指出,根據(jù)上述匹配線,對(duì)應(yīng)任何一個(gè)航速就可以求得相應(yīng)的功率,因而可以得到相應(yīng)的柴油機(jī)油門位置或燃?xì)廨啓C(jī)的油門位置(功率桿的位置)。
4.2.1 柴油機(jī)控制
(1)柴油機(jī)在不同航速時(shí)需要達(dá)到的轉(zhuǎn)速是由船機(jī)槳的匹配特性所確定的,推進(jìn)裝置的功率控制桿,PCL(Power Control Lever)發(fā)出的指令(與航速成正比的控制桿的位移)通過一個(gè)程序器變?yōu)椴裼蜋C(jī)的轉(zhuǎn)速指令,其為一個(gè)簡(jiǎn)單的函數(shù)發(fā)生器,使柴油機(jī)的轉(zhuǎn)速指令與相應(yīng)的航速對(duì)應(yīng)。
(2)柴油機(jī)轉(zhuǎn)速指令變化率的限制,這是保護(hù)柴油機(jī)安全運(yùn)行所必須的,通常是由柴油機(jī)的制造商規(guī)定的。
(3)螺距PCL反向,當(dāng)實(shí)際螺距與PCL發(fā)出的指令方向相反時(shí),必須防止柴油機(jī)的轉(zhuǎn)速指令增加,直至反向的螺距值減少到低于某個(gè)特定值。此功能主要用于航向變換時(shí)。
(4)柴油機(jī)的負(fù)荷控制,為防止在變工況操縱時(shí),柴油機(jī)長(zhǎng)時(shí)間超載;為通過柴油機(jī)可以利用的功率來得到最佳的艦船機(jī)動(dòng)性,通常將把柴油機(jī)的轉(zhuǎn)速和油門位置作為控制調(diào)距槳螺距的一個(gè)因素。
4.2.2 燃?xì)廨啓C(jī)控制
(1)和柴油機(jī)控制時(shí)相仿,有程序器把來自PCL的指令(與航速對(duì)應(yīng))轉(zhuǎn)換成燃?xì)廨啓C(jī)LM2500的功率桿執(zhí)行器PLA(Power Lever Actuator)的指令,其為一個(gè)函數(shù)發(fā)生器,確保艦艇的航速指令與LM2500油門位置之間的函數(shù)關(guān)系。
(2)推進(jìn)軸的轉(zhuǎn)速指令對(duì)PCL指令的函數(shù)關(guān)系是由轉(zhuǎn)速指令程序器確保,其由反饋來的實(shí)際軸轉(zhuǎn)速形成的閉環(huán)系統(tǒng)來修正燃?xì)廨啓C(jī)的PLA指令。與上述程序器接受同樣的PCL指令,但二者的函數(shù)關(guān)系是不同的。前者是確定LM2500的油門和航速的關(guān)系,后者是確定軸的轉(zhuǎn)速和航速的關(guān)系。這一轉(zhuǎn)速閉環(huán)系統(tǒng)能自動(dòng)修正由于船體污染和排水量變化而引起的軸轉(zhuǎn)速對(duì)其指令值的偏差。
(3)螺距與PCL指令反向的功能,在應(yīng)急倒車操縱時(shí)。PCL的指令與當(dāng)時(shí)的螺距處于相反方向,為防止發(fā)動(dòng)機(jī)超速,把PLA的指令降低到“快速空轉(zhuǎn)設(shè)定值”(Fast idle setling)等待。
(4)螺距越前功能,在上述應(yīng)急倒車操縱過程中,不是在調(diào)距槳到了零螺距之后取消Pitch/PCL反向功能,而是在這之前,當(dāng)接近零螺距時(shí),即可取消Pitch/PCL反向功能,即提前允許燃?xì)廨啓C(jī)加大油門,因此提高了艦艇的機(jī)動(dòng)性。
(5)PLA指令變化速率限制,實(shí)際上是限制燃?xì)廨啓C(jī)油門的變化速率以保護(hù)其本身。
(6)螺距限制功能,根據(jù)當(dāng)時(shí)所達(dá)到的螺距,限制PLA指令值以防動(dòng)力渦輪超速。
(7)最低軸轉(zhuǎn)速控制,當(dāng)槳軸轉(zhuǎn)速低于某一值時(shí),輸出一個(gè)信號(hào)增加燃?xì)廨啓C(jī)的功率指令,阻止軸速下降。
4.2.3 調(diào)距槳的控制
駕駛臺(tái)或主控室發(fā)出的PCL指令,經(jīng)過螺距程序器轉(zhuǎn)換為螺距指令,再經(jīng)過螺距指令變化速率限制,以防在機(jī)動(dòng)工況下由于螺距變化太快而造成超速或超載。另外再根據(jù)柴油機(jī)實(shí)際轉(zhuǎn)速和實(shí)際油門位置來限制螺距及螺距的變化速率,借以控制柴油機(jī)的負(fù)荷。
4.2.4 柴油機(jī)和燃?xì)廨啓C(jī)運(yùn)行的相互轉(zhuǎn)換
由柴油機(jī)或燃?xì)廨啓C(jī)作為船舶推進(jìn)動(dòng)力時(shí)的相互轉(zhuǎn)換是由RCS-DOG的電子設(shè)備進(jìn)行自動(dòng)控制的,推進(jìn)方式的轉(zhuǎn)換只能在RCS-DOG系統(tǒng)處于全自動(dòng)方式的條件下才能進(jìn)行。而且柴油機(jī)和燃?xì)廨啓C(jī)必須都處在運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài),也就是說準(zhǔn)備投入推進(jìn)系統(tǒng)的發(fā)動(dòng)機(jī)首先必須起動(dòng)并進(jìn)入正常運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)。然后在自動(dòng)控制RCS-DOG的操縱盤上選擇準(zhǔn)備投入的發(fā)動(dòng)機(jī),接著就開始進(jìn)行推進(jìn)方式的自動(dòng)轉(zhuǎn)換。
在具備上述轉(zhuǎn)換的條件后,只要在RCS-DOG操縱盤上按下相應(yīng)的按鈕后就開始由柴油機(jī)運(yùn)行至燃?xì)廨啓C(jī)運(yùn)行的轉(zhuǎn)換。燃?xì)廨啓C(jī)從“空車轉(zhuǎn)速”開始升速,在升至相當(dāng)于柴油機(jī)當(dāng)時(shí)的轉(zhuǎn)速后,燃?xì)廨啓C(jī)的自動(dòng)同步離合器結(jié)合,并開始慢慢地增加輸出功率。柴油機(jī)則由于燃?xì)廨啓C(jī)的功率加入而使其負(fù)載減少,并通過柴油機(jī)調(diào)速器的作用自動(dòng)關(guān)小油門,降低功率輸出。在轉(zhuǎn)換過程中,調(diào)距槳的轉(zhuǎn)速和螺距維持不變,故而推進(jìn)的總功率保持不變。當(dāng)燃?xì)廨啓C(jī)的輸出功率增加到等于推進(jìn)所需的全部功率時(shí),也就是說柴油機(jī)的輸出功率降到零的時(shí)候,則柴油機(jī)的自動(dòng)同步離合器脫開,柴油機(jī)逐步降至“空車轉(zhuǎn)速”,至此,轉(zhuǎn)換過程結(jié)束。在這個(gè)轉(zhuǎn)換過程中,燃?xì)廨啓C(jī)的功率是根據(jù)操縱系統(tǒng)的功率指令逐步增加的,而柴油機(jī)的功率輸出或油門開度是依靠其調(diào)速器而自動(dòng)減少的,這個(gè)轉(zhuǎn)換過程只有3 s就完成了,應(yīng)該說是很快的。
當(dāng)由燃?xì)廨啓C(jī)轉(zhuǎn)為柴油機(jī)推進(jìn)時(shí),柴油機(jī)的轉(zhuǎn)速首先從空車轉(zhuǎn)速開始增加,直至增加到相當(dāng)于燃?xì)廨啓C(jī)當(dāng)時(shí)轉(zhuǎn)速的97%以后,才開始減少燃?xì)廨啓C(jī)的供油量,使動(dòng)力渦輪的轉(zhuǎn)速下降。當(dāng)其轉(zhuǎn)速和柴油機(jī)的轉(zhuǎn)速相對(duì)一致時(shí),柴油機(jī)的轉(zhuǎn)速再進(jìn)行增加,同步離合器即嚙合。隨著燃?xì)廨啓C(jī)的輸出功率不斷減少,柴油機(jī)則通過其本身的調(diào)速器自動(dòng)加大油門。當(dāng)燃?xì)廨啓C(jī)的輸出功率減少到零時(shí),即柴油機(jī)承擔(dān)了推進(jìn)系統(tǒng)所需的全部功率時(shí),再稍稍關(guān)小燃?xì)廨啓C(jī)的油門,則可使燃?xì)廨啓C(jī)的自動(dòng)同步離合器脫開,推進(jìn)方式的轉(zhuǎn)換就此結(jié)束。在上述轉(zhuǎn)換過程中,燃?xì)廨啓C(jī)的油門(或功率)是根據(jù)其指令來減少的,而柴油機(jī)的油門由其調(diào)速器自動(dòng)開大的。綜上所述,在ROS-CODOG的控制系統(tǒng)中,對(duì)柴油機(jī)是轉(zhuǎn)速控制,被控參數(shù)是轉(zhuǎn)速,柴油機(jī)的輸出功率是由其調(diào)速器加以控制油門。對(duì)燃?xì)廨啓C(jī)則是功率控制,被控參數(shù)是功率。在柴油機(jī)和燃?xì)廨啓C(jī)的轉(zhuǎn)換過程中,二者功率的轉(zhuǎn)換只要控制燃?xì)廨啓C(jī)的功率就可以了。如果要增加柴油機(jī)的功率,只要減少燃?xì)廨啓C(jī)的功率即可,相反則可增加燃?xì)廨啓C(jī)的功率。在轉(zhuǎn)換過程中柴油機(jī)的調(diào)速器起了功率自動(dòng)平衡的作用,即由調(diào)速器自功控制柴油機(jī)的油門以確保推進(jìn)系統(tǒng)所需的總功率和轉(zhuǎn)速,從而維持轉(zhuǎn)換過程中的航速不變。
4.2.5 齒輪箱油泵的控制
該推進(jìn)裝置的齒輪箱的潤(rùn)滑由兩套泵來提供潤(rùn)滑油,在一般情況下由軸帶泵供油,但是當(dāng)推進(jìn)軸的轉(zhuǎn)速低于85 r/min時(shí)或者滑油壓力過低時(shí),電動(dòng)潤(rùn)滑油泵的自動(dòng)控制系統(tǒng)將自動(dòng)啟動(dòng)該泵,并為齒輪箱補(bǔ)充潤(rùn)滑油。當(dāng)軸的轉(zhuǎn)速超過了85 r/min且供油壓力正常時(shí),又會(huì)自動(dòng)卸荷或使泵停止運(yùn)轉(zhuǎn)。如由于某種原因而使?jié)櫥蛪毫档椭翀?bào)警線時(shí),就發(fā)出報(bào)警信號(hào)。再降低某一值時(shí),進(jìn)入電動(dòng)油泵的工作區(qū),則電動(dòng)泵自動(dòng)起動(dòng)。
駕駛臺(tái)或主控室的操縱手柄根據(jù)駕駛的需要移到相應(yīng)的位置,發(fā)出轉(zhuǎn)速和正倒車指令。轉(zhuǎn)速指令必須先經(jīng)過選擇,因?yàn)橥瑯拥暮剿?,?duì)單軸推進(jìn)和雙軸推進(jìn),發(fā)給柴油機(jī)的指令有所不同。當(dāng)柴油機(jī)推進(jìn)系統(tǒng)脫開的時(shí)候則會(huì)差別更大。所以,要用這個(gè)單元來選擇對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)速指令。通過選定的程序后輸出的信號(hào)分別進(jìn)入兩個(gè)程序器。在上面的程序器中按輸入信號(hào)確定相應(yīng)的轉(zhuǎn)速設(shè)定值,由其輸出的信號(hào)經(jīng)過比例調(diào)節(jié)器和指令信號(hào)變化速率限制器,以防因柴油機(jī)的轉(zhuǎn)速設(shè)定值的變化太快而損傷柴油機(jī)。這個(gè)信號(hào)再經(jīng)過自動(dòng)/半自動(dòng)的選擇到達(dá)放大器。由放大器輸出的信號(hào),作為轉(zhuǎn)速設(shè)定信號(hào)進(jìn)入柴油機(jī)本身的控制回路。由上述比例調(diào)節(jié)器至放大器所組成的回路叫轉(zhuǎn)速設(shè)定回路。轉(zhuǎn)速設(shè)定信號(hào)作用于PI調(diào)節(jié)器,實(shí)際上就是柴油機(jī)的調(diào)速器,是柴油機(jī)不可分割的一個(gè)部件。其根據(jù)輸入轉(zhuǎn)速的設(shè)定信號(hào)調(diào)整柴油機(jī)的油門,改變柴油機(jī)的轉(zhuǎn)速。而柴油機(jī)的實(shí)際轉(zhuǎn)速信號(hào)又會(huì)反饋到調(diào)速器的輸入端,并與輸入信號(hào)相比較,同時(shí)力求使柴油機(jī)的實(shí)際轉(zhuǎn)速與其轉(zhuǎn)速設(shè)定值相符,這是柴油機(jī)調(diào)速器內(nèi)部進(jìn)行的反饋。由柴油機(jī)及其調(diào)速器組成的回路為副回路,能及時(shí)抑制施加于柴油機(jī)的各種高頻干擾,還能使駕駛臺(tái)發(fā)出的轉(zhuǎn)速指令得到快速響應(yīng)。而由積分調(diào)節(jié)器組成的附加環(huán)節(jié)卻互主同路,由上述主回路和副回路組成柴油機(jī)轉(zhuǎn)速的串級(jí)控制系統(tǒng)。而由比例調(diào)節(jié)器,速率限制器和放大器組成的轉(zhuǎn)速設(shè)定回路不過是主回路和副回路之間的接口。由實(shí)際轉(zhuǎn)速的匹配程序器輸出的信號(hào)進(jìn)入主回路后與柴油機(jī)的實(shí)際轉(zhuǎn)速信號(hào)進(jìn)行比較,如果兩者有偏差,則積分調(diào)節(jié)器輸出一個(gè)不斷增長(zhǎng)的信號(hào)至比例調(diào)節(jié)器,借以修正轉(zhuǎn)速設(shè)定值。再通過轉(zhuǎn)速設(shè)定回路和柴油機(jī)的調(diào)速器改變柴油機(jī)的油門,直至柴油機(jī)的實(shí)際轉(zhuǎn)速與其匹配程序器輸出的信號(hào)一致時(shí)為止。
以上述積分調(diào)節(jié)器為主形成的主回路確保了推進(jìn)裝置穩(wěn)態(tài)控制的精確性。由于這個(gè)回路中的積分調(diào)節(jié)器的作用很慢,其積分時(shí)間常數(shù)取得較大,由于海浪等因素引起的柴油機(jī)轉(zhuǎn)速的瞬時(shí)波動(dòng),對(duì)這個(gè)主回路不起作用,因而不會(huì)引起整個(gè)控制系統(tǒng)產(chǎn)生不必要的波動(dòng)。上述串級(jí)控制系統(tǒng)和鍋爐,水位和燃燒串級(jí)控制系統(tǒng)有共同之處,就是用副回路抑制高頻干擾,由主回路抑制低頻干涉。當(dāng)然兩者各有其特點(diǎn),前者的設(shè)定值經(jīng)常有大幅度變化,所以其在本質(zhì)上是屬于隨動(dòng)系統(tǒng)范疇的,其要求盡可能快的動(dòng)態(tài)響應(yīng)。而后者的設(shè)定值是很少變化的,要求盡快地抑制擾動(dòng)以使被控參數(shù)與其設(shè)定值保持一致。柴油機(jī)的實(shí)際轉(zhuǎn)速信號(hào)還送入MCR(Maximum Continuous Rating)限制器,由MCR輸出一相應(yīng)轉(zhuǎn)速下允許的最大油門值,使其與柴油機(jī)的實(shí)際油門作比較。如果柴油機(jī)的實(shí)際油門位置超過了MCR允許的值,則作用于調(diào)距槳的螺距設(shè)定系統(tǒng),限制或修正螺距以減少柴油機(jī)的油門。這樣來保證在加速或應(yīng)急操縱時(shí)使得柴油機(jī)的轉(zhuǎn)速和調(diào)距槳的螺距得到最佳的設(shè)定值而又不使柴油機(jī)超載。柴油機(jī)的轉(zhuǎn)速設(shè)定優(yōu)先于調(diào)距槳螺距的設(shè)定[9]。
在以半自動(dòng)方式控制柴油機(jī)時(shí),借助“半自動(dòng)控制”的相關(guān)按鈕來控制柴油機(jī)的轉(zhuǎn)速。當(dāng)選定半自動(dòng)控制方式后,自動(dòng)控制信號(hào)就從RCS的調(diào)速器脫開,操縱手柄和控制系統(tǒng)對(duì)柴油機(jī)的轉(zhuǎn)速不再起作用了。
從“全自動(dòng)控制方式”轉(zhuǎn)為“半自動(dòng)控制方式”時(shí),柴油機(jī)的轉(zhuǎn)速保持不變。而從“半自動(dòng)方式”轉(zhuǎn)為“全自動(dòng)方式”時(shí),柴油機(jī)的轉(zhuǎn)速將會(huì)自動(dòng)地改變到由操縱手柄所確定的轉(zhuǎn)速。
如果按住兩個(gè)按鈕中的一個(gè)按鈕時(shí),柴油機(jī)便從當(dāng)時(shí)的轉(zhuǎn)速開始增加或減少,其變化的速率由半自動(dòng)邏輯和速率限制單元的硬件確定,這是為了防止柴油機(jī)過快地加速或減速。有個(gè)軟起動(dòng)單元確保柴油機(jī)的平穩(wěn)起動(dòng)和精確的轉(zhuǎn)速設(shè)定。
在“全自動(dòng)控制”的情況下,和柴油機(jī)推進(jìn)的運(yùn)行情況一樣。操縱手柄根據(jù)駕駛要求發(fā)出的轉(zhuǎn)速和正倒車指令,首先通過指令曲線的選擇單元,按單軸推進(jìn)、雙軸推進(jìn)或空車的不同選擇,輸出不同的轉(zhuǎn)速設(shè)定信號(hào)和螺距設(shè)定信號(hào)。這兩個(gè)設(shè)定信號(hào)進(jìn)入一個(gè)乘法器,使轉(zhuǎn)速(n)與螺距(P/D)相乘,其乘積代表所需要的航速V,并作為航速設(shè)定信號(hào)輸出給燃?xì)廨啓C(jī)的功率設(shè)定單元。其實(shí)際上是一個(gè)函數(shù)發(fā)生器,在這里進(jìn)行信號(hào)的函數(shù)變換,因?yàn)橐欢ǖ暮剿伲ɑ蛞欢ǖ穆菥嗪娃D(zhuǎn)速)對(duì)應(yīng)著一定的燃?xì)廨啓C(jī)輸出功率(與燃?xì)廨啓C(jī)的功率操縱桿PLA的位置相對(duì)應(yīng)),這是由船機(jī)槳的匹配特性所決定的。所以由這里輸出的信號(hào)代表燃?xì)廨啓C(jī)的功率指令,其最終會(huì)傳給燃?xì)廨啓C(jī)的功率操縱桿的執(zhí)行器PLA,直接控制燃?xì)廨啓C(jī)的油門。這個(gè)功率指令信號(hào)接著要通過曲線選擇單元,其有3種值可供選擇,除了上述與推進(jìn)特性匹配的曲線外,還有空車功率和快速空車功率的設(shè)定值。在應(yīng)急倒車操縱時(shí),實(shí)際螺距與指令反向,因而把功率指令降到“快速空車功率”以防動(dòng)力渦輪超速,但仍高于“空車功率”。功率設(shè)定信號(hào)在這里還要和限制單元來的最大允許功率進(jìn)行比較,允許低者通過。限制單元的輸入信號(hào)是當(dāng)時(shí)的實(shí)際螺距值,也是這一限制特性的橫坐標(biāo),也就是用實(shí)際到達(dá)的螺距來配制燃?xì)廨啓C(jī)最大的允許功率,以防超速。由選擇單元輸出的信號(hào)通過比例調(diào)節(jié)器,信號(hào)變化速率的限制單元和自動(dòng)/半自動(dòng)選擇開關(guān)到達(dá)放大器。其會(huì)輸出4~20 mA的信號(hào)作為功率設(shè)定信號(hào)給功率操縱桿的執(zhí)行器PLA的輸入端去控制燃?xì)廨啓C(jī)的油門。這個(gè)功率設(shè)定信號(hào)又會(huì)反饋到比例調(diào)節(jié)器的輸入端,構(gòu)成功率設(shè)定的控制回路。
由指令曲線選擇單元輸出的轉(zhuǎn)速設(shè)定信號(hào)和燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)出的動(dòng)力渦輪實(shí)際轉(zhuǎn)速信號(hào)進(jìn)行比較,兩者的偏差即實(shí)際轉(zhuǎn)速與指令之差值,作為輸入信號(hào)并傳輸至積分調(diào)節(jié)器,這是一個(gè)慢速的數(shù)字積分調(diào)節(jié)器。其輸出一個(gè)不斷增長(zhǎng)但受到限制的信號(hào),作為功率設(shè)定值的修正信號(hào)加到比例調(diào)節(jié)器的輸入端,最終作用到燃?xì)廨啓C(jī)PLA,修正燃?xì)廨啓C(jī)的功率輸出,以使動(dòng)力渦輪的轉(zhuǎn)速達(dá)到推進(jìn)特性所要求的轉(zhuǎn)速指令值。所以,轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)是一個(gè)閉環(huán)的無靜差的控制系統(tǒng),轉(zhuǎn)速控制的精度相當(dāng)高。在“半自動(dòng)運(yùn)行方式”時(shí),其工作原理和柴油機(jī)推進(jìn)的“半自動(dòng)運(yùn)行方式”時(shí)一樣。
調(diào)距槳的控制系統(tǒng)和柴油機(jī)或燃?xì)廨喌目刂埔粯樱琍CL發(fā)出的指令,首先通過指令曲線的選擇單元,再通過正常指令與零推力的選擇后分兩路。一路經(jīng)過螺距設(shè)定的匹配單元,輸出螺距指令信號(hào)。這是一個(gè)通用的標(biāo)準(zhǔn)信號(hào),這個(gè)信號(hào)通過比例調(diào)節(jié)器、螺距指令變化速率的限制單元,以及放大器和設(shè)定調(diào)整器。同時(shí)有反饋信號(hào)至比例調(diào)節(jié)器的輸入端,形成螺距的設(shè)定控制回路。另一路通過實(shí)際螺距的匹配單元后與來自調(diào)距槳的實(shí)際螺距信號(hào)比較,比較所得的誤差作積分調(diào)節(jié)器的輸入信號(hào),其輸出一個(gè)與上述誤差的積分值成比例的信號(hào)。當(dāng)然這個(gè)積分是有限制的,將該積分值加入比例調(diào)節(jié)器的輸入端,作為對(duì)于螺距及其指令信號(hào)的校正。這個(gè)附加信號(hào)通過螺距設(shè)定控制回路使螺距改變,直到調(diào)距槳送出的實(shí)際螺距信號(hào)與實(shí)際螺距匹配單元輸出的信號(hào)一致時(shí)為止。這樣形成的回路才是螺距控制的閉環(huán)回路,其與實(shí)際螺距的匹配單元能一起確保調(diào)距槳的實(shí)際螺距精確地符合本艦推進(jìn)特性的要求。為防止柴油機(jī)超載,由柴油機(jī)控制系統(tǒng)中轉(zhuǎn)速一油門限制單元輸出的信號(hào)和實(shí)際油門位置作比較。超過極限油門時(shí)有一限制信號(hào)送入螺距控制系統(tǒng),作用在積分調(diào)節(jié)器、比例調(diào)節(jié)器以及零推力螺距設(shè)定選擇單元。這樣,一旦當(dāng)柴油機(jī)超負(fù)荷運(yùn)行時(shí),就可以根據(jù)超負(fù)荷的幅度和時(shí)間使螺距降低,或者在加速機(jī)動(dòng)工況時(shí)降低螺距的變化率,直至柴油機(jī)回到正常運(yùn)轉(zhuǎn)范圍內(nèi)。
隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛躍發(fā)展,近二十多年來,應(yīng)用計(jì)算機(jī)仿真的方法來研究各種中大型艦艇推進(jìn)裝置控制系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)過程,也很快得到了發(fā)展。無論在推進(jìn)裝置各部件數(shù)學(xué)模型的研究方面,還是在仿真方法的研究方面,都取得了很大成就,不僅具備了實(shí)用的條件,而且已成為推進(jìn)裝置控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)極為重要的內(nèi)容。這種控制系統(tǒng)的仿真就是借助于推進(jìn)裝置各個(gè)部件的數(shù)學(xué)模型,采取不同的控制策略,用計(jì)算機(jī)求得各主要狀態(tài)參數(shù)的響應(yīng)。分析其對(duì)艦艇及其推進(jìn)裝置機(jī)動(dòng)性的影響,從而尋求一種最好的控制策略,以確保推進(jìn)裝置在各種工況下都有良好的匹配,既有盡可能好的機(jī)動(dòng)性,又能保證安全可靠的運(yùn)行。用仿真的方法研究其動(dòng)態(tài)特性,無疑是一種效率最高,代價(jià)最低的研究方法,下面分析這種控制系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能。
4.6.1 推進(jìn)裝置概況
該裝置系雙軸推進(jìn),每軸配有1臺(tái)四沖程高速柴油機(jī),在1 485 r/min時(shí)的最大功率為2 060 kW,通過SSS離合器和齒輪箱驅(qū)動(dòng)調(diào)距槳,從柴油機(jī)至調(diào)距槳的減速比為10.4∶1。在巡航時(shí)由柴油機(jī)驅(qū)動(dòng)調(diào)距槳。在加速航行時(shí),由燃?xì)廨啓C(jī)通過SSS離合器和減速器驅(qū)動(dòng)調(diào)距槳,每軸各配有一臺(tái)GELM2500燃?xì)廨啓C(jī)。每臺(tái)燃?xì)廨啓C(jī)在3 600 r/mm時(shí)所能發(fā)出的最大功率為19 500 kW。該裝置與前述GODOG裝置稍有差別,主要是巡航機(jī)的功率不同。
4.6.2 柴油機(jī)-調(diào)距槳聯(lián)合控制系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)分析
這里主要分析柴油機(jī)驅(qū)動(dòng)調(diào)距槳控制系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)。在柴油機(jī)控制系統(tǒng)中有一個(gè)MCR限制單元,在這一單元中存放著一條MCR限制特性線,其為柴油機(jī)實(shí)際轉(zhuǎn)速的函數(shù)。在一定的轉(zhuǎn)速下,對(duì)應(yīng)著一個(gè)最大的油門位置,不得超過。如果油門位置已超過了MCR限制特性線,則必須盡快減小螺距,降低柴油機(jī)的負(fù)荷,以防柴油機(jī)因超載而受損。所以柴油機(jī)的實(shí)際油門位置和MCR特性比較后的信號(hào)送到調(diào)距槳的控制系統(tǒng)。當(dāng)實(shí)際油門位置接近M(3R線時(shí),修正積分調(diào)節(jié)器和比例調(diào)節(jié)器,以使螺距增長(zhǎng)率降低。如果超過了MCR線,則把螺距指令立即轉(zhuǎn)入零推力螺距指令,因而使螺距立即減小,柴油機(jī)很快將回到正常負(fù)荷范圍內(nèi)。以上所述就是艦艇柴油機(jī)-調(diào)距槳控制系統(tǒng)中的負(fù)荷控制。這和民用船上機(jī)槳匹配中負(fù)荷控制有所不同。下面介紹采用負(fù)荷控制和不采用負(fù)荷控制時(shí)用計(jì)算機(jī)仿真所得的兩組不同的動(dòng)態(tài)響應(yīng)曲線。
在沒有負(fù)荷控制時(shí),駕駛臺(tái)操縱手柄PCL從停車位置移至全速前進(jìn)位置后的一組動(dòng)態(tài)響應(yīng)曲線。其中柴油機(jī)的轉(zhuǎn)速設(shè)定信號(hào),以設(shè)定值變化速率限制了單元限定的速率等速增長(zhǎng)直至其額定值。這一設(shè)定值作用于柴油機(jī)的調(diào)速器,并使柴油機(jī)的轉(zhuǎn)速增加。與此同時(shí),調(diào)距槳的螺距也以其最大速率增加到其指令所要求的螺距,即最大螺距。然而柴油機(jī)的實(shí)際轉(zhuǎn)速并沒有跟隨其轉(zhuǎn)速設(shè)定值實(shí)現(xiàn)同步增長(zhǎng),只是在開始階段有一定的增長(zhǎng),到了某一時(shí)刻非但不增長(zhǎng),相反柴油機(jī)的轉(zhuǎn)速又下降了,柴油機(jī)進(jìn)入半失速狀態(tài)。這是因?yàn)檎{(diào)距槳的螺距增加很快,艦艇的航速又尚未明顯增加,所以螺旋槳的負(fù)荷即柴油機(jī)的負(fù)荷一下得以快速增長(zhǎng),當(dāng)柴油機(jī)的調(diào)速器需要快速加大油門,但又受到調(diào)速器本身的DBR所限制(DBR是一個(gè)具有速敏元件的部件,在一定的轉(zhuǎn)速下,其限定一最大油門位置不得超過MCR)。所以柴油機(jī)的輸出扭矩不足以克服調(diào)距槳的水動(dòng)力矩和阻力距,引起轉(zhuǎn)速下降。而轉(zhuǎn)速的下降又導(dǎo)致DBR所限定的油門進(jìn)一步減小,這樣形成惡性循環(huán),導(dǎo)致柴油機(jī)的半失速狀態(tài)。由此可見,增壓器轉(zhuǎn)速一個(gè)簡(jiǎn)單的聯(lián)合控制方式雖然能使推進(jìn)裝置得到滿意的穩(wěn)態(tài)匹配,但卻不能滿足艦艇對(duì)于動(dòng)態(tài)性能的要求。因此這種推進(jìn)裝置的控制系統(tǒng)必須要有負(fù)荷控制系統(tǒng)來改善動(dòng)態(tài)性能。
隨著螺距的增長(zhǎng),柴油機(jī)的油門接近或達(dá)到MCR限制特性線時(shí),負(fù)荷控制系統(tǒng)對(duì)調(diào)距槳螺距設(shè)定系統(tǒng)發(fā)出的修正信號(hào),使螺距的增長(zhǎng)率減慢或暫停增加螺距,甚至減少螺距,從而確保柴油機(jī)的轉(zhuǎn)速平穩(wěn)上升。柴油機(jī)的油門則處于相應(yīng)的最大位置(在MCR線上),也就是說使柴油機(jī)在這個(gè)動(dòng)態(tài)過程中處于最大功率的運(yùn)行狀態(tài)。實(shí)際上螺距也是處于當(dāng)時(shí)狀態(tài)所允許的最大值。柴油機(jī)的負(fù)荷和調(diào)距槳的負(fù)荷的動(dòng)態(tài)響應(yīng)也比較平緩。由上述計(jì)算機(jī)仿真所得的兩組動(dòng)態(tài)響應(yīng)曲線看,柴油機(jī)-調(diào)距槳聯(lián)合控制中的負(fù)荷控制系統(tǒng)明顯地改善了這個(gè)機(jī)-槳聯(lián)合控制的動(dòng)態(tài)性能,提高了這種推進(jìn)裝置的機(jī)動(dòng)性。
柴油機(jī)在低轉(zhuǎn)速、低負(fù)荷時(shí),開始根據(jù)轉(zhuǎn)速設(shè)定值的要求來快速增加油門,柴油機(jī)的轉(zhuǎn)速開始時(shí)增加很快,這是因?yàn)椴裼蜋C(jī)的油門增加很快,而調(diào)距槳的負(fù)荷增加不多。促隨著螺距的增長(zhǎng),其負(fù)載增加較快,以至柴油機(jī)轉(zhuǎn)速的增長(zhǎng)漸趨緩慢。對(duì)于不帶負(fù)荷控制的系統(tǒng)而言,調(diào)距槳的螺距仍然以最大的速度增長(zhǎng)而未受限制。調(diào)距槳和柴油機(jī)的負(fù)載迅速增加,但柴油機(jī)的油門受到調(diào)速器DBR的限制,因而轉(zhuǎn)速下降,動(dòng)態(tài)響應(yīng)曲線向左拐,出現(xiàn)失速現(xiàn)象。對(duì)于帶有負(fù)荷控制的系統(tǒng)來說,當(dāng)其接近或達(dá)到MCR線的時(shí)候,就不斷修正螺距設(shè)定值,使其逐步增加了油門和轉(zhuǎn)速,最終達(dá)到柴油機(jī)的額定轉(zhuǎn)速。
同理,可以對(duì)不同的控制策略進(jìn)行計(jì)算機(jī)仿真,求取其動(dòng)態(tài)響應(yīng),從中選取最佳者。
4.6.3 燃?xì)廨啓C(jī)-調(diào)距槳聯(lián)合控制系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)分析
燃?xì)廨啓C(jī)-調(diào)距槳聯(lián)合控制系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng),在各種機(jī)動(dòng)工況中,急停機(jī)動(dòng)過程變化最劇烈,要求也最高。其要求推進(jìn)裝置在極短的時(shí)間內(nèi),從全速正車的運(yùn)行狀態(tài)轉(zhuǎn)為全速后退,要求艦艇在大約1 min內(nèi),從全速前進(jìn)的航行狀態(tài)停下來,而且滑行距離不超過3倍艦長(zhǎng)。
隨著駕駛臺(tái)PCL發(fā)出的全速前進(jìn)到全速后退的指令,螺距設(shè)定值、轉(zhuǎn)速設(shè)定值和油門設(shè)定值PLA立即減小。調(diào)距槳的螺距從正車最大值向倒車最大值等速變化,螺距的變化速率是由限制單元限制的。燃?xì)廨啓C(jī)的油門執(zhí)行器PLA由于實(shí)際螺距和PCL指令反向,因而以最大的限定速率來關(guān)小油門。當(dāng)?shù)竭_(dá)“快速空車”油門位置時(shí),PLA不再繼續(xù)關(guān)小油門,而是維持在這一位置,等待螺距不斷減小。當(dāng)螺距減小到零螺距之前某一數(shù)值時(shí),提前解除對(duì)油門的限制,允許PLA把油門開大到倒車所需油門位置。
同理,對(duì)于不同的螺距指令變化率,不同的PLA快速空車設(shè)定值,不同的螺距補(bǔ)償設(shè)定值,不同的最大倒車螺距,不同的最大倒車PLA值,應(yīng)用計(jì)算機(jī)仿真,求取上述狀態(tài)參數(shù)在各種機(jī)動(dòng)工況下的動(dòng)態(tài)響應(yīng)。從這些動(dòng)態(tài)響應(yīng)的分析比較中合理地確定一組比較理想的結(jié)構(gòu)參數(shù),作為設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)時(shí)的依據(jù)。
采用電子計(jì)算機(jī)仿真來求得機(jī)動(dòng)工況下各參數(shù)的動(dòng)態(tài)響應(yīng),在控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)過程中是必需的,但更重要的是實(shí)踐。因此,必須對(duì)以后航行的艦艇進(jìn)行試驗(yàn),觀察與其有關(guān)參數(shù)究竟是怎樣變化的。
對(duì)于軍用艦艇推進(jìn)裝置而言,由于對(duì)其強(qiáng)載性和機(jī)動(dòng)性的要求特別高,所以對(duì)其控制系統(tǒng)的性能要求也特別高,處理不好就會(huì)使推進(jìn)裝置的某些部件受到損傷,甚至受到嚴(yán)重破壞,或者沒有充分發(fā)揮推進(jìn)裝置的最大潛力去得到最好的機(jī)動(dòng)性。所以對(duì)這種艦艇推進(jìn)裝置控制系統(tǒng)的分析是十分重要的。本文關(guān)于推進(jìn)裝置的控制僅限于典型的水面艦船,對(duì)于其他型式的推進(jìn)裝置,以此為借鑒同樣可根據(jù)其本身的特點(diǎn)進(jìn)行正確的分析。