肖劍波 聶 偉 張喬斌 胡大斌

（1.海軍工程大學(xué)艦船與海洋學(xué)院 武漢 430033）

（2.陸軍軍事交通學(xué)院鎮(zhèn)江校區(qū) 鎮(zhèn)江 212003）

1 引言

動(dòng)力裝置是艦船的核心，其功能的發(fā)揮不僅影響艦船機(jī)動(dòng)性能，對(duì)軍艦而言，更會(huì)進(jìn)一步影響其作戰(zhàn)效能?，F(xiàn)代艦船動(dòng)力系統(tǒng)自動(dòng)化程度高、結(jié)構(gòu)日趨復(fù)雜，如何實(shí)現(xiàn)動(dòng)力裝置操作管理人員的高效培訓(xùn)，成為當(dāng)今各海事培訓(xùn)機(jī)構(gòu)和海軍等面臨的難題。隨著虛擬建模、計(jì)算機(jī)仿真等技術(shù)的成熟及推廣應(yīng)用，船舶動(dòng)力裝置模擬訓(xùn)練系統(tǒng)逐步成為主流，在船舶操作人員崗前培訓(xùn)方面發(fā)揮了重要作用。

針對(duì)不同的研究目的，船舶動(dòng)力系統(tǒng)仿真研究主要分為設(shè)計(jì)仿真和訓(xùn)練仿真。設(shè)計(jì)仿真主要研究動(dòng)力系統(tǒng)及其部件的動(dòng)穩(wěn)態(tài)特性，以及系統(tǒng)在不同控制策略下的性能；而訓(xùn)練仿真以研制訓(xùn)練模擬系統(tǒng)為主要內(nèi)容，主要是訓(xùn)練設(shè)備及其控制系統(tǒng)的操作者，這種訓(xùn)練系統(tǒng)包括計(jì)算機(jī)輔助訓(xùn)練系統(tǒng)（Computer Based Training System，CBT）、岸基訓(xùn)練系統(tǒng)（Shore Based Training System，SBT）以及迅速發(fā)展的實(shí)船訓(xùn)練系統(tǒng)（On Board Training System，OBT）［1～2］。

本文以某型艦船動(dòng)力裝置為仿真對(duì)象，開展模擬仿真系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)，并基于PLC 和VME 總線實(shí)現(xiàn)了實(shí)裝控制系統(tǒng)與仿真訓(xùn)練設(shè)備之間的信息交互。通過(guò)模塊化設(shè)計(jì)思想，構(gòu)建了該型艦船動(dòng)力裝置數(shù)學(xué)仿真模型，并通過(guò)與實(shí)際運(yùn)行工況對(duì)比分析，驗(yàn)證了仿真的準(zhǔn)確性。

2 動(dòng)力裝置仿真對(duì)象分析

該型船動(dòng)力裝置組成主要包括柴發(fā)機(jī)組、推進(jìn)電機(jī)、軸系、螺旋槳、泵、空壓機(jī)、液壓機(jī)械以及全船集中控制系統(tǒng)、柴油機(jī)控制系統(tǒng)、操縱控制系統(tǒng)等輔助控制系統(tǒng)等［3］。動(dòng)力裝置系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)復(fù)雜，特別是其全船集中控制系統(tǒng)，大量采用了非標(biāo)電子元器件，并主要采用機(jī)械式繼電器來(lái)實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的邏輯控制功能，基于分布式計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，主控計(jì)算機(jī)為基于VME 總線的嵌入式單板機(jī)，控制軟件基于QNX 實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)設(shè)計(jì)。為保證其維修性，在硬件設(shè)計(jì)上采用模塊化方式。實(shí)際修理過(guò)程中，為實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)模塊的功能檢測(cè)、維修，僅能依靠實(shí)船開展試驗(yàn)，且只能對(duì)該系統(tǒng)的正常功能進(jìn)行測(cè)試，很難或不能對(duì)至關(guān)重要的故障報(bào)警和安全保護(hù)功能進(jìn)行測(cè)試。大量的實(shí)船試驗(yàn)需頻繁啟動(dòng)柴油機(jī)，這不僅對(duì)裝備有較大的損耗，而且還有可能由于維修不當(dāng)或因備件存在缺陷而損壞控制系統(tǒng)中其它正常工作的電路模塊，甚至造成重大的裝備事故。為了檢驗(yàn)相關(guān)控制模塊的性能優(yōu)劣以及功能是否完善，保證使用過(guò)程中整個(gè)動(dòng)力系統(tǒng)的可靠性與安全性，有必要對(duì)電路模塊進(jìn)行全面的功能測(cè)試。另外，對(duì)經(jīng)過(guò)功能測(cè)試后的故障模塊進(jìn)行科學(xué)、合理的分析，快速、準(zhǔn)確地實(shí)施故障定位，從而實(shí)現(xiàn)裝備技術(shù)保障功能，也是值得研究的內(nèi)容。

動(dòng)力裝置模擬訓(xùn)練系統(tǒng)中按照各類型設(shè)備的要求進(jìn)行布置，分為模擬操作臺(tái)盤、實(shí)裝設(shè)備及計(jì)算機(jī)仿真系統(tǒng)等，整個(gè)仿真平臺(tái)的設(shè)計(jì)既要滿足對(duì)所有動(dòng)力裝置組成設(shè)備的動(dòng)態(tài)、穩(wěn)態(tài)仿真的需要，又要滿足裝備技術(shù)保障功能的需要，使得仿真平臺(tái)能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)實(shí)裝電路模塊的功能測(cè)試和故障分析。

系統(tǒng)研制過(guò)程，基于半物理仿真的方法，各操控臺(tái)等用戶界面，保持和實(shí)際裝備基本一致；基于計(jì)算機(jī)仿真方式模擬柴油機(jī)、發(fā)電機(jī)組等各被控對(duì)象；全船集中控制系統(tǒng)、操縱控制系統(tǒng)等實(shí)裝技術(shù)保障裝備，基于實(shí)裝實(shí)現(xiàn)，外部設(shè)計(jì)專用電路和仿真軟件模擬實(shí)船執(zhí)行機(jī)構(gòu)、傳感器、顯示儀表以及運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，從而構(gòu)建半物理仿真系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)模塊的測(cè)試功能和仿真訓(xùn)練功能［4］。

3 基于PLC同源數(shù)據(jù)的接口設(shè)計(jì)

動(dòng)力裝置模擬訓(xùn)練系統(tǒng)各模擬操作臺(tái)盤，需要通過(guò)接口系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)模擬開關(guān)、儀表、指示燈等輸入輸出元件的信息與仿真計(jì)算機(jī)之間的交互。

傳統(tǒng)的接口系統(tǒng)常采用微處理器、單片機(jī)或者工控機(jī)以及配套的硬件接口電路板，但這些硬件設(shè)備不易使接口系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)化、模塊化，且實(shí)現(xiàn)難度大、造價(jià)高。為此，本系統(tǒng)在設(shè)計(jì)之初，選擇工業(yè)用PLC 作為接口模塊，并結(jié)合組態(tài)軟件實(shí)現(xiàn)仿真計(jì)算機(jī)、模擬操作控制臺(tái)、教練員計(jì)算機(jī)之間的連接。

PLC 與計(jì)算機(jī)可以通過(guò)串口通信、Controller Link 網(wǎng)絡(luò)通信以及以太網(wǎng)通信等多種方式［5］。通常情況下串口通信存在數(shù)據(jù)量小、傳輸距離較短、實(shí)時(shí)性差等缺陷，而Controller Link 網(wǎng)絡(luò)通信開發(fā)難度大，實(shí)現(xiàn)比較困難。為此，本系統(tǒng)選擇以太網(wǎng)通信方式，將PLC以星形連接的方式接入以交換機(jī)為中心的以太網(wǎng)上，各種I/O模塊與操作臺(tái)、實(shí)裝電路模塊相連。接口系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 接口系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

4 基于VME總線的硬件在環(huán)技術(shù)

本文所研究的全船集中控制系統(tǒng)，主要用于對(duì)柴油機(jī)進(jìn)排氣系統(tǒng)、燃油系統(tǒng)、輔冷系統(tǒng)、疏水和噴淋系統(tǒng)、化學(xué)滅火系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)等進(jìn)行自動(dòng)控制、狀態(tài)監(jiān)測(cè)和安全保護(hù)，是保障平臺(tái)安全運(yùn)行的核心系統(tǒng)。系統(tǒng)主控計(jì)算機(jī)為嵌入式VME 總線單板機(jī)，采用MIL-STD1553B 通訊網(wǎng)絡(luò)，控制軟件基于QNX 實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)設(shè)計(jì)。全系統(tǒng)由一個(gè)中央控制站和多個(gè)控制分站組成，分布在全船各個(gè)艙室，是該型艦船規(guī)模最大的數(shù)字控制系統(tǒng)。硬件上，系統(tǒng)基于VME 總線單板機(jī)和底板，并配置VME 總線接口板、通信板、執(zhí)行機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)板、檢測(cè)模塊、電源模塊等功能模塊。

如何實(shí)現(xiàn)VME 總線下的硬件在環(huán)仿真是需要重點(diǎn)考慮的問(wèn)題。在設(shè)計(jì)過(guò)程中，對(duì)全船集中控制系統(tǒng)本身不做改動(dòng)，各控制臺(tái)及電路模塊、操作顯示面板以及各電路模塊之間的接口設(shè)計(jì)與實(shí)裝一致，系統(tǒng)中央控制站和控制分站之間采用MILSTD1553B通訊網(wǎng)絡(luò)。通過(guò)設(shè)計(jì)仿真軟件和專用電路模擬實(shí)船執(zhí)行機(jī)構(gòu)、傳感器、顯示儀表以及運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，從而構(gòu)建一個(gè)典型的半物理仿真系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)全船集中控制系統(tǒng)與外部仿真訓(xùn)練設(shè)備（包括教控臺(tái)、其他訓(xùn)練操作臺(tái)）之間的信息交互，實(shí)現(xiàn)集中控制系統(tǒng)參與訓(xùn)練，采用以太網(wǎng)通訊方式與外部進(jìn)行信息交互。

全船集中控制系統(tǒng)實(shí)船執(zhí)行機(jī)構(gòu)為電液執(zhí)行器，執(zhí)行器動(dòng)作時(shí)間約需3s，訓(xùn)練系統(tǒng)模擬執(zhí)行機(jī)構(gòu)的動(dòng)作采用繼電器進(jìn)行模擬，同時(shí)借助其觸點(diǎn)模擬該執(zhí)行機(jī)構(gòu)的傳感器，在傳感器模擬信號(hào)回路中加設(shè)RC延遲環(huán)節(jié)進(jìn)行動(dòng)作時(shí)間模擬。

根據(jù)該技術(shù)思路進(jìn)行電路設(shè)計(jì)，訓(xùn)練系統(tǒng)中構(gòu)建了執(zhí)行機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)模塊所驅(qū)動(dòng)的雙線圈執(zhí)行機(jī)構(gòu)及狀態(tài)傳感器模擬電路、單線圈執(zhí)行機(jī)構(gòu)及狀態(tài)傳感器模擬電路，對(duì)于訓(xùn)練系統(tǒng)中無(wú)執(zhí)行機(jī)構(gòu)而直接采集的大量傳感器信號(hào)，則直接采用開關(guān)進(jìn)行設(shè)置。執(zhí)行機(jī)構(gòu)、傳感器以及被控對(duì)象的控制響應(yīng)（如船體狀態(tài)、各閥門的開啟狀態(tài)）等采用電路仿真模擬和軟件仿真模擬。

5 裝置仿真模型建立

隨著技術(shù)的進(jìn)度，研究者在對(duì)仿真系統(tǒng)進(jìn)行建模時(shí)提出了“通用、及時(shí)、方便”等需求，傳統(tǒng)的建模方式為過(guò)程化建模，但其存在模型結(jié)構(gòu)固化，靈活性差、難度大且難以重用等缺點(diǎn)［6］。通過(guò)從計(jì)算機(jī)硬件發(fā)展受啟發(fā)，人們提出了模塊化的建模思想，即通過(guò)一定的規(guī)范建立基本設(shè)備或部件的標(biāo)準(zhǔn)化模塊，并通過(guò)模塊的組合實(shí)現(xiàn)不同類型子系統(tǒng)建模，該方式可有效降低模型開發(fā)的復(fù)雜度，增加模型通用性［7～9］。它也克服了由于保密因素的限制，艦船動(dòng)力系統(tǒng)部分技術(shù)參數(shù)不公開，模型參數(shù)難于確定的難題。

艦船動(dòng)力裝置仿真系統(tǒng)在研制過(guò)程中，對(duì)動(dòng)力裝置的建模采用模塊化建模方法，根據(jù)各設(shè)備、部件數(shù)學(xué)模型編制仿真模塊，如調(diào)速器、增壓器等，再通過(guò)各仿真模塊的組合實(shí)現(xiàn)子系統(tǒng)、系統(tǒng)級(jí)仿真。

仿真模型源程序采用Fortran 語(yǔ)言編寫，選用SimuEngine型仿真可視化仿真支撐系統(tǒng)，在完成系統(tǒng)模型源程序編寫后，SimuEngine可生成可執(zhí)行程序，并通過(guò)實(shí)時(shí)變量數(shù)據(jù)庫(kù)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)變量的統(tǒng)一管理和數(shù)據(jù)共享，并可實(shí)現(xiàn)在線修改調(diào)試仿真模型。具體的實(shí)現(xiàn)過(guò)程按照如下四步實(shí)現(xiàn)。

1）變量數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)

SimuEngine 中的公共（全局）變量都保存在其變量數(shù)據(jù)庫(kù)中。模塊間的數(shù)據(jù)流動(dòng)主要通過(guò)與公用變量數(shù)據(jù)庫(kù)的交互實(shí)現(xiàn)。仿真任務(wù)運(yùn)行時(shí)，根據(jù)需要從變量數(shù)據(jù)庫(kù)中讀取和改寫變量。同時(shí)，該數(shù)據(jù)庫(kù)的變量可通過(guò)OPC Client 程序與組態(tài)軟件中的變量進(jìn)行雙向或單向同步更新，從而實(shí)現(xiàn)計(jì)算結(jié)果輸出和硬件動(dòng)作輸入。

2）編制各部件仿真子模塊

結(jié)合動(dòng)力裝置數(shù)學(xué)模型，以Fortran 語(yǔ)言中的子過(guò)程的形式實(shí)現(xiàn)動(dòng)力系統(tǒng)各部件仿真子模塊。在程序中可定義僅限本模塊內(nèi)使用的局部變量，也可以直接向變量數(shù)據(jù)庫(kù)輸入和輸出變量，從而實(shí)現(xiàn)與其它模塊的數(shù)據(jù)交互。仿真過(guò)程中，仿真模塊被SimuEngine 仿真引擎以一定步長(zhǎng)（可自定義）反復(fù)調(diào)用，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)狀態(tài)的更新。仿真過(guò)程中，一些中間變量（如積分過(guò)程的中間變量）同樣也在變量數(shù)據(jù)庫(kù)內(nèi)定義相應(yīng)變量，用于保存每個(gè)步長(zhǎng)之間的臨時(shí)狀態(tài)。

3）生成任務(wù)文件

各個(gè)仿真子模塊必須在相應(yīng)的任務(wù)文件內(nèi)被調(diào)用才能運(yùn)行。任務(wù)文件經(jīng)過(guò)編譯后形成可運(yùn)行的exe 文件。根據(jù)不同的仿真科目需求，可采用不同子模塊的組合生成不同的任務(wù)文件。

4）定義仿真工況

訓(xùn)練過(guò)程中，不同的工況系統(tǒng)具有不同的初始狀態(tài)，如蓄電池充電訓(xùn)練時(shí)應(yīng)事先將蓄電池的電量設(shè)置為較小值。為滿足教練員下達(dá)不同訓(xùn)練科目時(shí)設(shè)置不同系統(tǒng)初始狀態(tài)，必須對(duì)變量數(shù)據(jù)庫(kù)內(nèi)的變量賦相應(yīng)的初值。變量數(shù)據(jù)庫(kù)內(nèi)變量數(shù)目很多，如果通過(guò)編程來(lái)設(shè)置這些初值相對(duì)復(fù)雜。通過(guò)文件形式保存工況并在相應(yīng)變量設(shè)定好初值后，將整個(gè)變量數(shù)據(jù)庫(kù)保存為某個(gè)工況文件，當(dāng)教練員下達(dá)訓(xùn)練科目后，只需通過(guò)選擇工況文件或者編程調(diào)入相應(yīng)的工況文件即可。

系統(tǒng)模型開發(fā)流程如圖2所示。

圖2 SimuEngine模型開發(fā)流程圖

6 主柴油機(jī)系統(tǒng)仿真實(shí)例分析

采用準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)模型的建模方法，結(jié)合柴油機(jī)原始參數(shù)和大量的實(shí)船記錄數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)了柴油機(jī)系統(tǒng)的數(shù)學(xué)建模［10～13］。柴油機(jī)主要組成如圖3所示。

圖3 動(dòng)力系統(tǒng)柴油機(jī)的主要組成

在整個(gè)航行過(guò)程，蓄電池的狀態(tài)變化導(dǎo)致動(dòng)力裝置系統(tǒng)中各指標(biāo)參數(shù)逐漸發(fā)生變化，在仿真中，可將動(dòng)力裝置工作簡(jiǎn)化為準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)方式。

為研制動(dòng)力裝置數(shù)學(xué)模型的準(zhǔn)確性，并分析模擬仿真的精度及速度，我們選擇兩種典型工況下仿真模型計(jì)算結(jié)果數(shù)據(jù)與實(shí)船運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行比對(duì)。

1）柴油機(jī)啟動(dòng)過(guò)程

實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中，在充電工況下，啟動(dòng)柴發(fā)機(jī)組并置于2 檔工況，運(yùn)行給蓄電池充電。在模擬訓(xùn)練系統(tǒng)中，通過(guò)操作啟動(dòng)柴油機(jī)并置于2 檔工況，保存仿真數(shù)據(jù)。如圖4 所示為仿真系統(tǒng)柴油機(jī)啟動(dòng)過(guò)程仿真曲線。

圖4 啟動(dòng)工況曲線

2）柴油機(jī)增加負(fù)載

柴油機(jī)轉(zhuǎn)速增加并穩(wěn)定于工作轉(zhuǎn)速，通過(guò)接通勵(lì)磁開關(guān)與電樞開關(guān)，發(fā)電機(jī)工作。圖5 為柴油機(jī)增加負(fù)載后仿真運(yùn)行曲線。

圖5 增加負(fù)載后仿真曲線

選擇左、右柴油機(jī)充電工況下柴油機(jī)轉(zhuǎn)速、各氣缸排氣溫度、增壓器前排氣溫度、總管溫度、廢氣壓力等柴油機(jī)相關(guān)的重要參數(shù)作為參考依據(jù)，分析模型仿真結(jié)果與實(shí)裝測(cè)試數(shù)據(jù)后得出各技術(shù)參數(shù)仿真數(shù)據(jù)相對(duì)誤差均不超過(guò)3%，柴油機(jī)仿真模型的仿真數(shù)據(jù)準(zhǔn)確可靠，能夠?qū)嶋H模擬柴油機(jī)的工作情況，滿足仿真要求。

7 結(jié)語(yǔ)

為提升操作人員訓(xùn)練水平，開展了某型船舶動(dòng)力裝置模擬訓(xùn)練系統(tǒng)研制工作。為同步實(shí)現(xiàn)該控制系統(tǒng)的裝備技術(shù)保障功能，開展了基于VME 總線的硬件在環(huán)技術(shù)、基于PLC的數(shù)據(jù)接口技術(shù)設(shè)計(jì)等研究，通過(guò)設(shè)計(jì)仿真軟件和專用電路模擬實(shí)船執(zhí)行機(jī)構(gòu)、傳感器、顯示儀表以及運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，從而構(gòu)建一個(gè)典型的半物理仿真系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)全船集中控制系統(tǒng)與外部仿真訓(xùn)練設(shè)備（包括教控臺(tái)、其他訓(xùn)練操作臺(tái)）之間的信息交互。針對(duì)該型船動(dòng)力系統(tǒng)設(shè)備多、功能復(fù)雜的特點(diǎn)，采用模塊化建模思想，建立了動(dòng)力裝置數(shù)學(xué)模型?；赟imuEngine 仿真支撐環(huán)境，建立了動(dòng)力裝置的仿真模型，實(shí)現(xiàn)了動(dòng)力系統(tǒng)各工況仿真，并結(jié)合動(dòng)力裝置實(shí)例進(jìn)行了分析。通過(guò)動(dòng)力裝置仿真結(jié)果驗(yàn)證，系統(tǒng)可模擬實(shí)船動(dòng)力裝置相關(guān)工況，滿足仿真要求。